Arduino i motor pas a pas: fonaments, esquemes, connexió i control

Els motors pas a pas s’utilitzen per controlar la posició d’alguna cosa, o per fer girar la unitat de treball a una velocitat i un angle determinats. Aquestes característiques van permetre l'ús en robòtica, màquines de control numèric (CNC) i altres sistemes d'automatització. En aquest article, analitzarem diversos problemes relacionats amb la construcció de motors pas a pas i com controlar-los mitjançant el microcontrolador Arduino.

El motor pas a pas difereix de l’habitual

Tots els motors elèctrics utilitzats a la pràctica funcionen a causa de fenòmens i processos electrodinàmics que es produeixen en els camps magnètics dels rotors i dels estators. Com ja hem comentat, qualsevol motor consta d'almenys dues parts: mòbil (rotor) i immòbil (estator). Per a la seva rotació, és necessari que el camp magnètic també gira. El camp del rotor gira després del camp de l'estator.

En principi, aquesta informació bàsica és suficient per comprendre la imatge general del funcionament dels motors elèctrics. Tot i això, de fet, la indústria produeix diverses opcions de motorentre els quals es troben:

1. Motor d’inducció del rotor de gàbia d’esquirol o de ferida.

2. Motor síncron amb enrotllaments de camp o amb imants permanents.

3. Motor de corrent continu.

4. Motor col·lector universal (funciona tant en corrent directe com en corrent altern, perquè els enrotllaments del rotor estan connectats i desconnectats dels contactes de la font d’energia a causa del disseny de làmpades i ancoratges).

5. Motors de corrent continu sense escombretes (BLDC).

6. Servos.

7. Motors pas a pas.

Les dues darreres espècies tenen un valor particular, a causa de la possibilitat de tenir, fins a cert punt, un posicionament precís a l’espai. Analitzem de prop el disseny del motor pas a pas.

Definició

Un motor pas a pas es diu motor sincrònic sense pinzell. A l'estator hi ha un nombre determinat de bobinatges, la connexió dels quals fa que el rotor faci girar un angle determinat, segons el nombre de passos. Dit d’una altra manera, el corrent de la bobinada de l’estator fa que l’eix gira a un angle discret.

Amb un canvi uniforme i seqüencial de la polaritat de la tensió entre els enrotllaments i la commutació dels bobinatges energitzats, el motor pas a pas gira, similar al d’un motor elèctric convencional, tot i que de fet es realitza una rotació regular a un angle fix.

De vegades el motor pas a pas s’anomena motor. amb un nombre finit de posicions del rotor. No sona gaire clar, esbrinem-ho. Imagineu-vos un motor convencional: la posició del seu rotor no està fixada de cap manera, és a dir, simplement gira mentre està connectada l’energia i, quan s’apaga, s’atura després d’un temps, depenent de la seva inèrcia. Les posicions del rotor poden ser tantes com vulgueu, però poden diferir per les fraccions més petites del grau.

En un motor pas a pas, connectar un enrotllament o diversos enrotllaments provoca una "magnetització" del rotor respecte a aquests enrotllaments. Exteriorment, sembla exactament girar l’eix en un angle determinat (pas). Com que el nombre de passos és una de les característiques importants d’aquest tipus d’accionament elèctric, el nombre de posicions del rotor és igual al nombre de passos. És difícil que els principiants entenguin com pot ser això i com gira en aquest cas.

Construcció

Els bobinats d’excitació es fixen a l’estator del motor elèctric. El seu rotor està fabricat amb materials magnètics suaus o magnètics durs. El material del rotor depèn del parell i de la fixació de l’eix amb bobinatges desactivats. Aquests paràmetres poden ser crítics.

Per tant, es distingeixen rotors magnèticament sòlids (també amb imants permanents) i rotors magnèticament suaus (reactius), a més d’ells hi ha rotors híbrids.

El rotor híbrid es fa dentar, el nombre de dents correspon al nombre de passos. Les dents estan situades al llarg de l’eix del rotor. A més, aquest rotor es divideix en dues parts entre si. Entre ells s’instal·la un imant permanent, de manera que cadascuna de les meitats del rotor és un pol imant. També s’ha de dir que la meitat del rotor gira a la meitat del pas de les dents les unes amb les altres.

Com ja s'ha esmentat, un motor d'aquest tipus és síncron, i el procés de la seva rotació és crear un camp giratori del rotor, que busca el rotor magnètic, i això es realitza commutant els enrotllaments pel controlador al seu torn.

Els tipus de motors pas a pas per al disseny de bobinats es divideixen en tres grups principals segons l'esquema de connexió dels bobinats:

1. Bipolar.

2. Unipolar.

3. Amb quatre bobinatges.

La majoria de motors elèctrics bipolars tenen 4 contactes: aquestes són conclusions de dos enrotllaments. A l'interior del motor, no estan en gran mesura connectats entre si. El principal problema és que cal assegurar la commutació de la polaritat de la potència, cosa que significa que el controlador i el propi procés de control es complicaran.

Unipolar s’assembla a la connexió dels enrotllaments segons el patró de l’estrella. En altres paraules, en teniu cinc conclusions: 4 d’elles són les puntes dels enrotllaments, i 1 és el punt de connexió de tots els enrotllaments.

Per controlar un motor d’aquest tipus, només cal alimentar alternativament cada extrem de la bobinada (o un parell d’ells, segons el mode de rotació seleccionat), d’aquesta manera la meitat del bobinat s’encendrà cada vegada. Pot funcionar en mode bipolar, si alimenteu tota la bobina obviant totalment l’aixeta des del seu centre.

Els motors amb 4 bobinatges tenen l’avantatge de poder connectar els enrotllaments de qualsevol manera que sigui convenient per obtenir un motor bipolar i unipolar.

Modes de control

Hi ha quatre modes principals de control del motor pas a pas:

1. Control d’ones.

2. Pas complet.

3. Mig pas.

4. Microstepping

Volnov control s'anomena control d'un bobinatge. I.e. Al mateix temps, el corrent flueix per un dels bobinats, per tant, dues característiques distintives: consum baix d’energia (això és bo) i baix parell (això és dolent).

En aquest cas, aquest motor fa 4 passos en una sola revolució. Els motors reals fan desenes de passos en una sola revolució, això s’aconsegueix mitjançant un gran nombre d’alternances de pols magnètics.

Gestió completa de passos és el més utilitzat. Aquí, el voltatge es subministra no només a un bobinatge, sinó a dos alhora. Si els enrotllaments es connecten en paral·lel, el corrent es duplica, i si és en sèrie, el voltatge d’alimentació es duplica, respectivament. D’una banda, en aquest mètode de control, el motor consumeix més energia, d’altra banda, un 100% de parell, a diferència de l’anterior.

Control de mig pas És interessant, ja que és possible situar amb més precisió l’eix del motor, degut al fet que s’hi afegeixen mitges a passos sencers, això s’aconsegueix combinant els dos modes de funcionament anteriors i els enrotllaments s’alternen i s’encenen per parelles.

Val la pena tenir en compte que el moment de l’eix flota del 50 al 100%, segons si hi ha un o dos dos enrotllaments actuals.

Encara és més exacte microstepping. És similar a l’anterior, però difereix en què la potència a les bobines no es subministra al màxim, sinó que canvia gradualment. Així, el grau d’impacte sobre el rotor de cadascun dels enrotllaments varia i l’angle de gir de l’eix en passos intermedis varia.

On aconseguir un motor pas a pas

Sempre tindreu temps per comprar un motor pas a pas, però els autèntics aficionats a la ràdio, els casolans i els enginyers electrònics són famosos pel fet que poden fer alguna cosa útil fora d’escombraries. Segur que teniu almenys un motor pas a casa. Anem a esbrinar cap a on buscar aquest motor.

1. La impressora.Els motors pas a pas poden girar sobre l’eix d’alimentació del paper (però també hi pot haver un motor de corrent continu amb un sensor de desplaçament).

2. Escàners i MFPs. Els escàners sovint instal·len un motor pas a pas i una part mecànica al llarg de la qual es guia el carro, aquestes parts també poden ser útils per desenvolupar una màquina CNC casolana.

3. Unitats de CD i DVD. També podeu obtenir varetes i eixos de cargol per a productes casolans i diversos CNCs.

4. Unitats de disquet. Els disquets també disposen de motors pas a pas, especialment disquets de format de 5,25 ”.

Conductor del motor pas a pas

Per controlar els motors pas a pas, utilitzeu microcircuits especialitzats. Principalment es tracta d’un pont H de transistors. Gràcies a aquesta inclusió, es pot convertir la tensió de la polaritat desitjada al bobinat. Aquests xips també són adequats per controlar motors de corrent continu amb suport per canviar el sentit de gir.

En principi es poden posar en marxa motors molt petits directament dels pins del microcontrolador, però normalment donen fins a 20-40 mA, cosa que en la majoria dels casos no és suficient. Per tant, hi ha alguns exemples de controladors de motors pas a pas:

1. Taulers basats en L293D. Hi ha molts, un d’ells es ven amb la marca domèstica Amperka amb el nom de Troyka Stepper, un exemple del seu ús en un projecte real es mostra al vídeo següent. L’avantatge d’aquest tauler particular és que té xips lògics que poden reduir el nombre de pins utilitzats per controlar-lo.

El xip funciona en un voltatge de 4.5-36V i produeix un corrent de fins a 600mA-1A, depenent del cas IC.

2. Controlador basat en A4988. S'alimenta amb tensió de fins a 35V, pot suportar corrent fins a 1A sense radiador, i amb un radiador de fins a 2A. Pot controlar el motor, tant en passos sencers com en parts: des de 1/16 de pas a 1 pas, només 5 opcions. Conté dos ponts H. Mitjançant el resistor d’afinació (vist a la foto dreta), podeu configurar el corrent de sortida.

La mida del pas està establerta pels senyals a les entrades MS1, MS2, MS3.

A continuació es mostra un esquema de la seva connexió, cada impuls a l’entrada STEP estableix el motor per girar un pas o un microstep.

3. El conductor basat en ULN2003 funciona amb motors de 5 i 12 V i produeix un corrent de fins a 500 mA. A la majoria de taulers, hi ha 4 leds que indiquen el funcionament de cada canal.

També a la placa es pot veure el terminal de connexió de motors, per cert, molts d’ells es venen amb aquest connector. Un exemple d'aquest motor és un model de 5 V - 28BYJ-48.

I no són totes les opcions del conductor per als motors pas a pas, de fet n'hi ha encara més.

Connexió al conductor Arduino i al motor pas a pas

En la majoria dels casos, cal utilitzar un microcontrolador emparellat amb un controlador per a un motor pas a pas. Vegem els exemples de codi i esquema de connexió. Penseu en la connexió basada en el controlador més recent enumerat: ULN2003 a la junta Arduino. I per tant té 4 entrades, estan signades com IN1, IN2, etc. Cal que estiguin connectats als pins digitals de la placa Arduino i s’ha de connectar un motor al conductor tal com es mostra a la figura següent.

A més, depenent del mètode de control, cal aplicar a les entrades 1 o 0 d'aquests pins, incloent 1 o 2 enrotllaments a la seqüència necessària. El codi del programa de control de pas complet s’assembla a això:

int in1 = 2;

int in2 = 3;

int in3 = 4;

int in4 = 5;

const int dl = 5;

void setup () {

pinMode (in1, OUTPUT);

pinMode (in2, OUTPUT);

pinMode (in3, OUTPUT);

pinMode (in4, OUTPUT);

}

void loop () {

digitalWrite (in1, HIGH);

digitalWrite (in2, HIGH);

digitalWrite (in3, LOW);

digitalWrite (in4, LOW);

retard (dl);

digitalWrite (in1, LOW);

digitalWrite (in2, HIGH);

digitalWrite (in3, HIGH);

digitalWrite (in4, LOW);

retard (dl);

digitalWrite (in1, LOW);

digitalWrite (in2, LOW);

digitalWrite (in3, HIGH);

digitalWrite (in4, HIGH);

retard (dl);

digitalWrite (in1, HIGH);

digitalWrite (in2, LOW);

digitalWrite (in3, LOW);

digitalWrite (in4, HIGH);

retard (dl);

}

 

Inclou els bobinatges de la seqüència següent

Aquí teniu el codi del mode de mig pas, com podeu veure, és molt més voluminós, ja que implica un nombre més gran de bobinatges de commutació.

int in1 = 2;

int in2 = 3;

int in3 = 4;

int in4 = 5;

const int dl = 5;

void setup () {

pinMode (in1, OUTPUT);

pinMode (in2, OUTPUT);

pinMode (in3, OUTPUT);

pinMode (in4, OUTPUT);

}

void loop () {

digitalWrite (in1, HIGH);

digitalWrite (in2, LOW);

digitalWrite (in3, LOW);

digitalWrite (in4, LOW);

retard (dl);

digitalWrite (in1, HIGH);

digitalWrite (in2, HIGH);

digitalWrite (in3, LOW);

digitalWrite (in4, LOW);

retard (dl);

digitalWrite (in1, LOW);

digitalWrite (in2, HIGH);

digitalWrite (in3, LOW);

digitalWrite (in4, LOW);

retard (dl);

digitalWrite (in1, LOW);

digitalWrite (in2, HIGH);

digitalWrite (in3, HIGH);

digitalWrite (in4, LOW);

retard (dl);

digitalWrite (in1, LOW);

digitalWrite (in2, LOW);

digitalWrite (in3, HIGH);

digitalWrite (in4, LOW);

retard (dl);

digitalWrite (in1, LOW);

digitalWrite (in2, LOW);

digitalWrite (in3, HIGH);

digitalWrite (in4, HIGH);

retard (dl);

digitalWrite (in1, LOW);

digitalWrite (in2, LOW);

digitalWrite (in3, LOW);

digitalWrite (in4, HIGH);

retard (dl);

digitalWrite (in1, HIGH);

digitalWrite (in2, LOW);

digitalWrite (in3, LOW);

digitalWrite (in4, HIGH);

retard (dl);

}

 

Aquest programa inclou les bobinades de la següent manera:

Per consolidar la informació rebuda, mireu el vídeo útil:

Conclusió

Els motors stepper són molt populars entre els arduins juntament amb servos, perquè permeten crear robots i màquines CNC. Aquest últim és ajudat per l’abundància al mercat secundari de les unitats d’expressió òptica molt barates usades.