Τι είναι το stepper motor και πώς λειτουργεί

Από ένα απλό DVD player ή εκτυπωτή στο σπίτι σας έως ένα εξαιρετικά εξελιγμένο μηχάνημα CNC ή Robotic Arm, οι κινητήρες Stepper βρίσκονται σχεδόν παντού. Η ικανότητά του να κάνει ηλεκτρονικά ελεγχόμενες ακριβείς κινήσεις έχει κάνει αυτούς τους κινητήρες να βρουν εφαρμογή σε πολλά πηνία όπως κάμερες παρακολούθησης, σκληρό δίσκο, μηχανήματα CNC, 3D εκτυπωτές, ρομποτική, ρομπότ συναρμολόγησης, κόπτες λέιζερ και πολλά άλλα. Σε αυτό το άρθρο ας μάθουμε τι κάνει αυτούς τους κινητήρες ξεχωριστούς και τη θεωρία πίσω από αυτό. Θα μάθουμε πώς να χρησιμοποιούμε ένα για την εφαρμογή σας.

Εισαγωγή στο Stepper Motors

Όπως όλοι οι κινητήρες, οι κινητήρες stepper έχουν επίσης έναν στάτορα και έναν ρότορα, αλλά σε αντίθεση με έναν κανονικό κινητήρα DC, ο στάτης αποτελείται από μεμονωμένα σετ πηνίων. Ο αριθμός των πηνίων θα διαφέρει ανάλογα με τον τύπο του βηματικού κινητήρα, αλλά προς το παρόν κατανοήστε απλώς ότι σε έναν κινητήρα stepper ο ρότορας αποτελείται από μεταλλικούς πόλους και κάθε πόλος θα προσελκύεται από ένα σύνολο πηνίου στο στάτορα. Το παρακάτω διάγραμμα δείχνει έναν βηματικό κινητήρα με 8 πόλους στάτορα και 6 πόλους στροφείου.

Εάν ρίξετε μια ματιά στα πηνία του στάτορα, είναι διατεταγμένα σε ζεύγη πηνίων, όπως το Α και το Α 'σχηματίζει ένα ζεύγος Β και το Β' σχηματίζει ένα ζεύγος και ούτω καθεξής. Έτσι, κάθε ζεύγος πηνίων σχηματίζει έναν ηλεκτρομαγνήτη και μπορούν να ενεργοποιηθούν ξεχωριστά χρησιμοποιώντας ένα κύκλωμα οδηγού. Όταν ένα πηνίο ενεργοποιείται ενεργεί ως μαγνήτης και ο πόλος του ρότορα ευθυγραμμίζεται με αυτό, όταν ο ρότορας περιστρέφεται για να προσαρμοστεί για να ευθυγραμμιστεί με τον στάτορα, καλείται ως ένα βήμα. Ομοίως, ενεργοποιώντας τα πηνία σε μια σειρά μπορούμε να περιστρέψουμε τον κινητήρα σε μικρά βήματα για να κάνουμε μια πλήρη περιστροφή.

Τύποι βηματικών κινητήρων

Υπάρχουν κυρίως τρεις τύποι βηματικών κινητήρων με βάση την κατασκευή, που είναι:

• Βηματικός κινητήρας μεταβλητής απροθυμίας: Έχουν στροφείο πυρήνα σιδήρου που έλκεται προς τους πόλους του στάτορα και παρέχει κίνηση με ελάχιστη απροθυμία μεταξύ στάτη και ρότορα.
• Μοτέρ μόνιμου μαγνήτη: Έχουν μόνιμο ρότορα μαγνήτη και απωθούνται ή έλκονται προς τον στάτορα σύμφωνα με τους παλμούς που εφαρμόζονται.
• Υβριδικός σύγχρονος βηματικός κινητήρας: Είναι συνδυασμός μεταβλητής απροθυμίας και μόνιμου κινητήρα βηματικού κινητήρα

Εκτός από αυτό μπορούμε επίσης να ταξινομήσουμε τους κινητήρες stepper ως Unipolar και Bipolar με βάση τον τύπο περιέλιξης του στάτορα.

• Διπολικό Stepper Motor: Τα πηνία στάτορα σε αυτόν τον τύπο κινητήρα δεν θα έχουν κοινό σύρμα. Η οδήγηση αυτού του τύπου βηματικού κινητήρα είναι διαφορετική και περίπλοκη και επίσης το κύκλωμα οδήγησης δεν μπορεί εύκολα να σχεδιαστεί χωρίς μικροελεγκτή.
• Unipolar Stepper Motor: Σε αυτόν τον τύπο stepper motor μπορούμε να πάρουμε το κεντρικό άγγιγμα και των δύο περιελίξεων φάσης για ένα κοινό έδαφος ή για μια κοινή ισχύ όπως φαίνεται παρακάτω. Αυτό καθιστά εύκολη την οδήγηση των κινητήρων, υπάρχουν επίσης πολλοί τύποι στο Unipolar stepper motor

Εντάξει, έτσι σε αντίθεση με έναν κανονικό κινητήρα DC, αυτός έχει πέντε καλώδια όλων των φανταχτερών χρωμάτων που βγαίνουν από αυτόν και γιατί συμβαίνει αυτό; Για να το καταλάβουμε αυτό πρέπει πρώτα να μάθουμε πώς ένα stepper που έχουμε ήδη συζητήσει. Πρώτα απ 'όλα, οι κινητήρες steppers δεν περιστρέφονται, περπατούν και έτσι είναι επίσης γνωστοί ως step motors. Δηλαδή, θα κινούνται μόνο ένα βήμα τη φορά. Αυτοί οι κινητήρες έχουν μια ακολουθία πηνίων που υπάρχει σε αυτά και αυτά τα πηνία πρέπει να ενεργοποιούνται με ένα συγκεκριμένο τρόπο για να περιστραφεί ο κινητήρας. Όταν κάθε πηνίο ενεργοποιείται, ο κινητήρας κάνει ένα βήμα και μια ακολουθία ενεργοποίησης θα κάνει τον κινητήρα να κάνει συνεχή βήματα, κάνοντάς το έτσι να περιστρέφεται. Ας ρίξουμε μια ματιά στα πηνία που υπάρχουν μέσα στον κινητήρα για να γνωρίζουμε ακριβώς από πού προέρχονται αυτά τα καλώδια.

Όπως μπορείτε να δείτε, ο κινητήρας έχει μονοπολική διάταξη πηνίου 5 μολύβδου. Υπάρχουν τέσσερα πηνία που πρέπει να ενεργοποιηθούν με μια συγκεκριμένη σειρά. Τα κόκκινα καλώδια θα τροφοδοτούνται με + 5V και τα υπόλοιπα τέσσερα καλώδια θα τραβηχτούν στη γείωση για να ενεργοποιήσουν το αντίστοιχο πηνίο. Χρησιμοποιούμε οποιονδήποτε μικροελεγκτή για να ενεργοποιήσουμε αυτά τα πηνία σε μια συγκεκριμένη σειρά και να κάνουμε τον κινητήρα να εκτελέσει τον απαιτούμενο αριθμό βημάτων. Και πάλι υπάρχουν πολλές ακολουθίες που μπορείτε να χρησιμοποιήσετε, συνήθως χρησιμοποιείται ένα 4-βήμα και για πιο ακριβή έλεγχο μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί ένα χειριστήριο 8 βημάτων . Ο πίνακας ακολουθιών για έλεγχο 4 βημάτων φαίνεται παρακάτω.

Βήμα	Ενεργοποιημένο πηνίο
Βήμα 1	Α και Β
Βήμα 2	Β και Γ
Βήμα 3	Γ και Δ
Βήμα 4	Δ και Α

Λοιπόν τώρα, γιατί ονομάζεται αυτός ο κινητήρας 28-BYJ48; Σοβαρά!!! Δεν γνωρίζω. Δεν υπάρχει τεχνικός λόγος για αυτόν τον κινητήρα να ονομάζεται έτσι. ίσως δεν πρέπει να βουτήξουμε πολύ βαθύτερα σε αυτό. Ας δούμε μερικά από τα σημαντικά τεχνικά δεδομένα που λαμβάνονται από το δελτίο δεδομένων αυτού του κινητήρα στην παρακάτω εικόνα.

Αυτό είναι ένα κεφάλι γεμάτο πληροφορίες, αλλά πρέπει να εξετάσουμε λίγα σημαντικά για να μάθουμε τι είδους stepper χρησιμοποιούμε, ώστε να μπορούμε να τον προγραμματίσουμε αποτελεσματικά. Πρώτα γνωρίζουμε ότι είναι ένας κινητήρας Stepper 5V αφού ενεργοποιούμε το κόκκινο καλώδιο με 5V. Στη συνέχεια, γνωρίζουμε επίσης ότι είναι ένας τεσσάρων φάσεων κινητήρας αφού είχε τέσσερα πηνία σε αυτό. Τώρα, ο λόγος γραναζιών είναι 1:64. Αυτό σημαίνει ότι ο άξονας που βλέπετε έξω θα κάνει μια πλήρη περιστροφή μόνο εάν ο κινητήρας στο εσωτερικό περιστρέφεται για 64 φορές. Αυτό οφείλεται στα γρανάζια που συνδέονται μεταξύ του κινητήρα και του άξονα εξόδου, αυτά τα γρανάζια βοηθούν στην αύξηση της ροπής.

Ένα άλλο σημαντικό στοιχείο που πρέπει να παρατηρήσετε είναι το Stride Angle: 5.625 ° / 64. Αυτό σημαίνει ότι ο κινητήρας όταν λειτουργεί με ακολουθία 8 βημάτων θα κινείται 5,625 μοίρες για κάθε βήμα και θα πάρει 64 βήματα (5,625 * 64 = 360) για να ολοκληρώσει μια πλήρη περιστροφή.

Υπολογισμός των βημάτων ανά επανάσταση για Stepper Motor

Είναι σημαντικό να γνωρίζετε πώς να υπολογίζετε τα βήματα ανά Επανάσταση για το stepper κινητήρα σας επειδή μόνο τότε μπορείτε να το προγραμματίσετε / να το οδηγήσετε αποτελεσματικά.

Ας υποθέσουμε ότι θα λειτουργήσουμε τον κινητήρα σε ακολουθία 4 βημάτων, οπότε η γωνία διασκελισμού θα είναι 11,25 ° δεδομένου ότι είναι 5,625 ° (δίνεται σε δελτίο δεδομένων) για ακολουθία 8 βημάτων, θα είναι 11,25 ° (5,625 * 2 = 11,25).

Βήματα ανά περιστροφή = 360 / γωνία βήματος Εδώ, 360 / 11.25 = 32 βήματα ανά περιστροφή.

Γιατί χρειαζόμαστε μονάδες προγράμματος οδήγησης για Stepper Motors;

Οι περισσότεροι κινητήρες stepper θα λειτουργούν μόνο με τη βοήθεια μιας μονάδας οδηγού. Αυτό συμβαίνει επειδή η μονάδα ελέγχου (Μικροελεγκτής / Ψηφιακό κύκλωμα) δεν θα είναι σε θέση να παρέχει αρκετό ρεύμα από τους ακροδέκτες I / O για να λειτουργεί ο κινητήρας. Έτσι, θα χρησιμοποιήσουμε μια εξωτερική μονάδα, όπως η μονάδα ULN2003 ως stepper motor driver. Υπάρχουν πολλοί τύποι μονάδας οδηγού και η βαθμολογία ενός θα αλλάξει ανάλογα με τον τύπο του κινητήρα που χρησιμοποιείται. Η πρωταρχική αρχή για όλες τις μονάδες οδηγού θα είναι η πηγή / βύθιση επαρκούς ρεύματος για τη λειτουργία του κινητήρα. Εκτός από αυτό, υπάρχουν επίσης μονάδες προγραμμάτων οδήγησης που έχουν προγραμματιστεί σε αυτήν τη λογική, αλλά δεν θα το συζητήσουμε εδώ.

Εάν είστε περίεργοι να μάθετε πώς να περιστρέψετε ένα stepper κινητήρα χρησιμοποιώντας κάποιο μικροελεγκτή και IC οδηγού, τότε έχουμε καλύψει πολλά άρθρα σχετικά με τη λειτουργία του με διαφορετικούς μικροελεγκτές:

• Interfacing Stepper Motor με το Arduino Uno
• Διασύνδεση Stepper Motor με STM32F103C8
• Διασύνδεση Stepper Motor με μικροελεγκτή PIC
• Interfacing Stepper Motor με MSP430G2
• Stepper Motor Interfacing με 8051 μικροελεγκτή
• Έλεγχος κινητήρα Stepper με Raspberry Pi

Τώρα πιστεύω ότι έχετε αρκετές πληροφορίες για τον έλεγχο κάθε κινητήρα stepper που χρειάζεστε για το έργο σας. Ας ρίξουμε μια ματιά στο πλεονέκτημα και το μειονέκτημα των κινητήρων Stepper.

Πλεονεκτήματα των κινητήρων Stepper

Ένα σημαντικό πλεονέκτημα του κινητήρα stepper είναι ότι διαθέτει εξαιρετικό έλεγχο θέσης και ως εκ τούτου μπορεί να χρησιμοποιηθεί για ακριβή εφαρμογή ελέγχου. Επίσης, έχει πολύ καλή ροπή συγκράτησης που το καθιστά ιδανική επιλογή για ρομποτικές εφαρμογές. Οι κινητήρες Stepper θεωρείται επίσης ότι έχουν υψηλό χρόνο ζωής από τον κανονικό κινητήρα DC ή servo.

Μειονεκτήματα των Stepper Motors

Όπως όλοι οι κινητήρες, το Stepper Motors έρχεται επίσης με τα μειονεκτήματά του, καθώς περιστρέφεται με μικρά βήματα, δεν μπορεί να επιτύχει υψηλές ταχύτητες. Επίσης, καταναλώνει ισχύ για τη συγκράτηση της ροπής ακόμη και όταν είναι ιδανική, αυξάνοντας έτσι την κατανάλωση ισχύος.