Komplett Motor guide för Robotics (10 / 12 steg)

Steg 10: Stepper Motor

En stegmotor är en elektromekanisk anordning som omvandlar elektriska pulser till diskreta mekaniska rörelser. Axel eller spindel av en stegmotor roterar i diskreta steg steg när elektriska kommandot pulser tillämpas det i rätt ordning. Motors rotation har flera direkta relationer till dessa tillämpade input pulser. Sekvensen av tillämpad pulserna är direkt relaterad till motor axlar rotationsriktningen. Motor axlar rotationshastigheten är direkt relaterad till frekvensen av de ingående pulserna och längden på rotation är direkt relaterad till antalet ingående pulser tillämpas.

Stegmotorer är stora motorer för kontroll av position. De kan hittas i vanliga skrivare, plottrar, 3d-skrivare, CNC fräsmaskiner och något som annars kräver exakt Placera kontroll. Steppers är ett särskilt segment av borstlösa motorer. De byggs avsiktligt för högt hållvridmoment. Denna high-hållvridmoment ger användaren möjlighet att stegvis "steg" till nästa position. Detta resulterar i en enkel positionering system som inte kräver en kodare. Detta gör stepper motor styrenheter mycket enkel att bygga och använda.

En av de viktigaste fördelarna med en stegmotor är dess förmåga att kontrolleras noggrant i ett open loop system. Open loop kontroll innebär ingen feedback information om position behövs. Denna typ av kontroll eliminerar behovet av dyra avkänning och feedback enheter såsom optisk pulsgivare. Din position är känd helt enkelt genom att hålla reda på de ingående steg pulserna.

Vad är stegmotorer bra för?

En stegmotor kan vara ett bra val när kontrollerad rörelse krävs. De kan användas till fördel i applikationer där du måste styra rotationsvinkel, hastighet, position och SYNKRONISM.

Positionering -eftersom steppers flytta i exakt repeterbar steg, de excellerar i applikationer som kräver exakt positionering som 3D-skrivare, CNC, kamera plattformar och X, Y plottrar. Vissa hårddiskar också använda stegmotorer för att placera läs-/ skrivhuvudet.

Varvtalsreglering -exakta steg rörlighet möjliggör även utmärkt kontroll av rotationshastighet för processautomation och robotteknik.

Låg hastighet vridmoment - Normal DC-motorer har inte så mycket vridmoment vid låga hastigheter. En stegmotor har högsta vridmoment vid låga hastigheter, så de är ett bra val för tillämpningar som kräver låg hastighet med hög precision.

Teorin om Operation

Stegmotorer beter sig exakt samma som en borstlös motor, endast stegstorlek är mycket mindre. Den enda rörliga delen är den rotorn, som innehåller magneter. Där saker blir komplicerat iscensättandet sekvensen av energigivande lindningar. Polariteten på varje lindning styrs av riktningen av strömflödet. Animeringen visar ett enkelt mönster som kontrollanter skulle följa. Växelström ändrar polaritet, att ge varje lindning en "push/pull" effekt. En anmärkningsvärd skillnad är hur en stepper magnet struktur är annorlunda. Det är svårt att få en matris med magneter för att uppföra sig fint i liten skala. Det är också mycket dyrt. För att komma runt detta, använder de flesta stegmotorer en metod med staplade platta för direkt de magnetiska polerna i "tänder".

Det finns två typer av stegmotorer: unipolär och bipolär stegmotorer. På en grundläggande nivå fungerar dessa två typer exakt på samma sätt. elektromagneter är aktiverade i en sekventiell mode, förmå centrala motoraxeln att snurra.

Skillnaden mellan de två typerna är spänningsnivåer. En unipolär stegmotor fungerar endast med positiv spänning, så höga och låga spänningar tillämpas på de elektromagnetiska spolarna skulle vara något som 5V och 0V. En bipolär stegmotor har två polariteter, positiva och negativa, så dess höga och låga spänningar skulle vara något liknande 2.5V och -2.5V. Ta hänsyn till dessa elektriska olika, är fysiska skillnaden mellan dessa två stilar att unipolär konfigurationen kräver en extra tråd i mitten av varje spole för att nuvarande flöda genom antingen till ena änden av spolen eller andra. Dessa två motsatta riktningar producera de två polerna av magnetfält, effektivt imitera de positiva och negativa spänning funktionerna i den bipolär stegmotor. Även om båda dessa har ett övergripande spänning 5V, kommer att bipolär stegmotor faktiskt ha mer vridmoment eftersom strömmen flyter hela spolen, producera ett starkare magnetfält för att förmå axeln att rotera till lämplig vinkel. Å andra sidan, använda unipolär stegmotorer bara hälften av spolen längden på grund av den extra tråden mitt i spolen, så mindre vridmoment är tillgängliga för magnetiskt håller axeln på plats.

En två fas bipolär motor har 2 grupper av spolar. En 4 fas unipolär motor har 4. En 2-fas bipolär motor har 4 trådar - 2 för varje fas. Vissa motorer har flexibla ledningar som låter dig köra motorn som unipolär eller bipolär.

Kör en Stepper

Köra en stegmotor är lite mer komplicerat än köra en vanlig borstad likströmsmotor. Stegmotorer kräver en stepper controller att vitalisera faserna i en snabb sekvens att göra motor turn.

Det finns flera olika sätt att stegmotorer kan vara drivande inklusive full steg, halvt steg och microstepping. Formatens drivande erbjuder olika mängder av vridmoment och steg storlekar som en stegmotor kan använda.
En fullständig steg enhet har alltid två av elektromagneter "påslagen". Om du vill rotera den centrala axeln, en av elektromagneter blir avstängd och nästa elektromagneten är påslagen, orsakar axeln att rotera 1/4 av en tand (åtminstone för hybrid stegmotorer). Denna typ av att alltid ha två elektromagneter på har de flesta vridmomentet av alla stilar, men den största storleken som steg. Ett halvt steg enheten växlar mellan att ha två elektromagneter och bara en elektromagnet påslagen. Om du vill rotera den centrala axeln, den första elektromagneten är strömförande som det första steget, sedan den andra en är också strömförande medan den första som drivs fortfarande för det andra steget. De tredje steg stänger av första elektromagnet och de fjärde steg vändna på tredje elektromagneten, samtidigt som andra elektromagneten drivs fortfarande. Detta mönster, visas i en bild ovan, använder dubbelt så många steg som full steg enheten, gör det möjligt för halvåret stegstorlek, men den har också mindre övergripande vridmoment eftersom det inte alltid två elektromagneter håller centrala axeln på plats. Microstepping, inte överraskande, har den minsta möjliga steg storleken av dessa stilar. En av de vanligaste sätten att peform microstepping är att göra "sine cosinus microstepping". Detta innebär att den nuvarande passerar genom varje spole är manipulerad så att en sinus/cosinus våg skapas. "Överlappar" vågor mellan två rullar resulterar i ett stort antal delsteg. Det faktiska antalet delsteg är beroende på hur många olika förändringar i nuvarande du kan ge till spolarna, men microstepping kommer fortfarande att ha de minsta steg storlekarna, och därmed den mest exakta rörelsen, av alla format. Vridmomentet är associerade med denna stil är beroende på hur mycket ström flyter genom spolarna vid en viss tidpunkt, men att alltid vara mindre än full steg enheten.

Den enklaste typen av föraren kan byggas med en handfull av transistorer. Detta är helt enkelt tänds och släcks i sekvens för att vitalisera faserna och steg motorn. Unipolar drivrutiner är relativt billig att bygga, men endast arbete med unipolär motorer. Det finns en utmärkt tutorial om hur man bygger en på webbplatsen Arduino.

Kör en bipolär motor kräver 2 full H-broar så det kan vända nuvarande faser. H-broar kan vara knepigt att bygga från scratch. Men det finns gott om H-bridge marker finns att förenkla uppgiften. L293D är en av de mest populära och ekonomiskt markerna. Dessa finns i hjärtat av mest första generationens motor sköldar.

Följande kodutdrag kan användas till att styra stegmotor med arduino ombord.

Globala variabler
int timeDelay = 3000;

void setup() {
att förklara de fyra stiften att utgångar
pinMode (34, OUTPUT);
pinMode (32, OUTPUT);
pinMode (30, OUTPUT);
pinMode (28, OUTPUT);
ställa in starttillståndet för elektromagneter
digitalWrite (34, hög).
digitalWrite (32, låg).
digitalWrite (30, låg);
digitalWrite (28, hög).
Delay(10); en liten tidsfördröjning att låta motorn gå
} / / slutet av installationen

void loop() {
för (int jag = 0; jag < 202; i ++) {/ / loopa igenom denna bit av koden för ~ ett helt varv
digitalWrite (30, låg);
digitalWrite (34, hög).
delayMicroseconds(timeDelay);
digitalWrite (28, låg).
digitalWrite (32, hög).
delayMicroseconds(timeDelay);
digitalWrite (34, låg).
digitalWrite (30, hög);
delayMicroseconds(timeDelay);
digitalWrite (32, låg).
digitalWrite (28, hög).
delayMicroseconds(timeDelay);
} / / end av looping
förbereda den elektromagneter att gå åt andra hållet
digitalWrite (32, hög).
digitalWrite (28, låg).
delayMicroseconds(timeDelay*500);

för (int j = 0; j < 204; j ++) {/ / loopa igenom denna bit av koden för ~ ett helt varv i den andra riktningen
digitalWrite (30, låg);
digitalWrite (34, hög).
delayMicroseconds(timeDelay);
digitalWrite (28, hög).
digitalWrite (32, låg).
delayMicroseconds(timeDelay);
digitalWrite (34, låg).
digitalWrite (30, hög);
delayMicroseconds(timeDelay);
digitalWrite (32, hög).
digitalWrite (28, låg).
delayMicroseconds(timeDelay);
} / / end av looping
förbereda den elektromagneter att gå åt andra hållet
digitalWrite (32, låg).
digitalWrite (28, hög).
delayMicroseconds(timeDelay*500);

} //end av loop

Program:

• 3D-skrivare
• CNC-maskiner
• Kameran riggar Robotics
• Skrivare
• Precision växelmotorer

Fördelar:

• Exakt repeterbar positionering
• Exakt hastighetskontroll
• Utmärkt låg hastighet vridmoment
• Excellent anläggning vridmoment att behålla ställning

Begränsningar:

• Låg effektivitet
• Behöver kanske kodare eller gräns växla för att upprätta en referens position
• Föremål för missade steg överlastade

Mer detaljer om stegmotor:

God kvalitet stepper pà motors & drivrutiner ¥ Sparkfun.