Крокові двигуни - це, як правило, електродвигуни постійного струму, основною функцією яких є не безперервне обертання, а виконання кроків із певним кутовим обертанням. Існує три основних типи: змінний коефіцієнт охоплення (зазвичай 7,5 °; крок 15 °), постійний магніт (зазвичай 1,8 °; 7,5 °; 15 °; крок 30 °) та гібридні крокові двигуни (зазвичай кроки 0,9 ° та 1,8 °). Це завдання цього підручника не обговорювати конструкцію крокових двигунів; швидше, це буде їх контроль. Існує величезна література про типи, конструкцію, експлуатацію та управління кроковими двигунами. Наприклад, короткий зміст можна знайти в [8] та [9], а пояснення з приємними ілюстраціями - у [10].
Ротор крокового двигуна оточений типовими котушками постійного струму, встановленими на статорі. Увімкнувши та вимкнувши котушки в правильному порядку, можна забезпечити, щоб ротор завжди обертався до певної міри. Для цих двигунів не потрібна щітка. При наближенні до конкретного положення формується мінімальне магнітне небажання з уже згаданим технічним терміном. При цьому магнітні силові лінії найкоротші.
Крокові двигуни є кращими для використання в мехатронних додатках: робот-руки, зчитувальні головки, рухомі головки, принтери, плотери, фрезерні верстати, точні токарні верстати тощо. Гібридні крокові двигуни зазвичай використовуються для точних застосувань. Вірно твердження, що якщо на статорі двигуна є n фаз (пара котушок або роздільна котушка) і m зубців на роторі, то повний оберт складається з нм кроків.
У цьому підручнику ми даємо короткий опис двох важливих для нас теоретичних принципів, і ми будемо використовувати біполярний кроковий двигун.
24.1. Однополюсні та біполярні крокові двигуни
Що стосується напряму струму, то двома основними класами крокових двигунів є однополюсні та біполярні крокові двигуни. Слово однополярне означає, що яка б в ній не була котушка, напрямок струму не змінюється під час роботи. Звичайно, вмикання та вимикання може і трапляється. A [24.1. фігура]. На рисунку 1 показано нескінченно спрощений підхід до однополярного крокового двигуна. Стрілка, що представляє ротор, тут слід інтерпретувати як постійний магніт. Встановлюючи кожен керуючий сигнал (1a, 1b, 2a, 2b) на рівень низької напруги (земля), струм завжди починається в одній котушці, тобто одна котушка діє як електромагніт. Інші контрольні сигнали тим часом сидять на високих рівнях напруги. На малюнку необхідна наступна послідовність сигналів, щоб один раз повернути ротор, представлений стрілкою (згаданий сигнал завжди означає потенціал землі): 1a, 2a, 1b, 2b. На початку повторення сигнальної послідовності відбулося округлення.
Якщо завжди є лише одна котушка, яка діє як електромагніт, ми говоримо про повнокроковий режим. Якщо, з іншого боку, дві сусідні котушки також діють як електромагніти, ротор буде встановлений між двома та буде реалізований напівкроковий режим. На ілюстрації для цього необхідна послідовність сигналів: 1a, 1a-2a, 2a, 2a-1b, 1b, 1b-2b, 2b, 2b-1a. Перший елемент повторення послідовності буде завершеним.
Отримати однополярний кроковий двигун дешево (можливо, із зламаного звичайного пристрою) досить складно. Цікаво, що це рідко трапляється у наших домашніх пристроях. Однак біполярний кроковий двигун, швидше за все, можна зустріти в старих пальниках для компакт-дисків та струменевих принтерах. Він використовується в обох пристроях для переміщення голови. (Це прецизійні програми, тому нас підозрюють у зустрічі з гібридними кроковими двигунами.)
A [24.2. фігура]. На рисунку 1 показана спрощена модель біполярного крокового двигуна. Тут також стрілку, що представляє ротор, слід трактувати як постійний магніт. Для цього розташування не потрібна окрема лінія електропередачі, але напрямок струму буде змінюватися в котушках під час роботи. Таким чином, припускаючи постійний струм, можуть мати місце три випадки: струм тече в одному напрямку, струм тече в іншому напрямку, струм не тече. A [24.2. фігура]. Відповідно до моделі, показаної на рис. 1, для повного обертання в повнокроковому режимі необхідні такі рівні сигналу (інші сидять на нульовому рівні): (–1a, + 1b), (–2a, + 2b), ( + 1a, –1b), (+ 2a, - 2b). Тут також може бути реалізований напівкроковий режим: (–1a, + 1b),
(-1a, + 1b, -2a, + 2b), (-2a, + 2b), (-2a, + 2b, + 1a, -1b), (+ 1a, -1b), (+ 1a, -1b ), + 2a, -2b), (+ 2a, -2b), (+ 2a, -2b, -1a, + 1b). У разі перших двох послідовностей сигналів від'ємний знак лише підкреслює полярність, негативний сигнал у виняткових випадках може бути ідентифікований за допомогою потенціалу землі (GND)! Дотримуйтесь [24.2. фігура]. що дві котушки не є незалежними одна від одної, тому назва пари котушок є набагато більш виправданою.
У параметрах крокових двигунів ми також знаходимо двофазні, трифазні тощо. також у технічному плані. Це означає, скільки незалежних котушок (або пар котушок) містить двигун. Відповідно, [24.1. фігура]. Схема, показана на рис. 24.2, показує чотирифазний (але однополярний) кроковий двигун; фігура]. Однак схема, показана на рис. 1, ілюструє лише двофазний (але біполярний) кроковий двигун.
24.2. Управління біполярними кроковими двигунами
Струм може текти в обох напрямках на котушках біполярних крокових двигунів. Забезпечення цього не є само собою зрозумілим, але рішення, яке ми сьогодні називаємо H-Bridge, колись вибивалося з голови. A [24.3. фігура]. На рисунку 1 показана принципова схема H-мосту без будь-яких резисторів. За допомогою H-моста ми можемо змінити напрямок струму на одній котушці. Якщо рівень сигналу A низький, а сигнал B високий, верхній лівий і нижній правий транзистори відкриваються, а інші два закриваються. Потім струм тече праворуч на котушці у зображеному розташуванні. Якщо два рівні сигналу змінюються на А і В, струм тече ліворуч на котушці. На котушці не протікає струм з однаковим рівнем сигналу. Дуже важливо, що і тут потрібно використовувати захисні діоди. У разі їх відсутності, коли струм котушки відключається або змінюється напрямок, результуючий імпульс напруги може прорватися через транзистори.
Ми хотіли б додати стільки коментарів до H-моста, що якщо ми шукаємо в мережі такий теоретичний зв’язок, ми часто знаходимо рішення, коли всі чотири транзистори мають тип npn (або навпаки; pnp) та бази з транзисторів не з'єднані. Однак кожен, хто вже зібрав H-міст з транзисторів, гарантовано зіткнеться з проблемою, що у випадку чотирьох однакових транзисторів ми повинні вибирати різні базові резистори для «верхнього» відповідно. Для «нижчих» транзисторів, навіть незважаючи на це, ми не можемо приводити двигун в повний струм через проміжні перепади напруги. Це незрозуміло, але креслення схеми з двома транзисторами npn і двома pnp трапляються у значно менших пропорціях. І це усуває проблеми зі схемами, побудованими з чотирьох однакових транзисторів! Підключення баз подвійних пар транзисторів (звичайно, опір не можна пропустити в практичних схемах) забезпечує зручну роботу, якщо напруга живлення двигуна однакове з напругою керуючих сигналів. A [24.3. фігура]. На рис. 1 це означає, що сигнали керування A і B також можуть приймати рівень + U або GND.
Скласти H-міст - все одно, що побудувати картковий замок. Спочатку це весело, але ми, мабуть, скоро від цього позбудемося. Це також має місце, оскільки для управління біполярними кроковими двигунами доступна низка цільових ІС; наприклад L293D, що використовується в підручнику. Сюди вже входять захисні діоди, тому ми можемо керувати нашим кроковим двигуном за допомогою дуже мало компонентів. Крім того, для двох котушок потрібні два повні H-мости та a
цільові ІС зазвичай містять саме стільки. Не випадково.
Описавши вище, ми дійшли до того, що отримали собі кроковий двигун. Якщо ми думаємо в основному про хобі та практику, то, згідно досвіду автора, найпростіший випадок - це придбати собі програвач читання компакт-дисків, що використовується для старішого комп’ютера. У них був вбудований кроковий двигун, яким було зручно користуватися в той час, див. [24.4. фігура]. малюнок. (Рекомендується захопити металобрухт для придбання, вручити “винагороду за послугу” товаришам по службі або інтенсивно відвідувати ринки ломі. На жаль, тип двигуна не видно ззовні блоку. Іншим варіантом є видалення верхнього крокового двигуна зі зламаних струменевих принтерів.
A [24.4. фігура]. Таким чином, кроковий двигун пристрою, зчитуваний з пристрою для читання компакт-дисків, показаного на рис. 1, є біполярним. На цей факт вказують чотири термінали, пор. [24.2. фігура]. малюнок. Дротяний квадрант із кольоровим покриттям, показаний у верхній частині малюнка, є результатом післяпайки. В іншому для нас буде дуже важливим даним, що опір котушок двигуна дорівнює 10 Ом, що може означати споживання струму 500 мА на котушку при напрузі живлення 5 В! Це вже набагато перевищує навантажувальну здатність USB-порту.
24.3. Переміщення двигуна
Після попередніх підрозділів настав час сформулювати останні завдання підручника. Тепер ми не просто моргаємо, відображаємо, отримуємо та надсилаємо дані, перемикаємось, керуємо, але рухаємось.
За допомогою двох кнопок на панелі ADuC перемістіть одну або кроковий двигун в іншому напрямку; у повнокроковому режимі. [Код50]
Ми вирішуємо задачу за [24.4. фігура]. У випадку пристрою, показаного на фіг. Останній втрачає з нами свою функцію, ми будемо лише захоплюватися тим, що рухаємо головою вперед-назад і накладаємо на неї фігурку LEGO.
Призначення контактів мікросхеми L293D та підключення котушок двигуна показано в [24.5. фігура]. показує. Котушки C1 і C2 символізують дві котушки (або пари котушок) крокового двигуна. Символ VS позначає напругу живлення двигуна відповідно до технічного паспорта. Для нас це також +5 В, а не лише рівень сигналу логічних сигналів.
Визначення ролі чотирьох проводів, що виходять з двигуна, часто вимагає унікальної орієнтації. За допомогою мультиметра ми можемо легко визначити, які два дроти належать котушці (або парі котушок), оскільки ми можемо виміряти на них тонко малий опір. Якщо схопити два не зв’язані між собою дроти, вони, очевидно, поведуть себе як обрив. У багатьох випадках найкращим способом визначення послідовності кроків є ручне підключення клем мотора на контрольній панелі до джерела живлення та заземлення без контрольної мікросхеми. У разі несправності послідовності двигун буде лише скрипіти вперед-назад, тоді як якщо ми вдаримо правильну послідовність, він почне рухатися в одному напрямку чітко впізнаваним чином. Задля безпеки давайте відтворювати сигнали в зворотному порядку, щоб побачити, чи все буде добре, навіть якщо ви рухаєтесь у зворотному напрямку! Запишіть гарне замовлення та включіть його у свою програму!
Ми згадали в попередньому підрозділі, що опір котушок крокового двигуна становить 10 Ом, що означає споживання струму 500 мА при напрузі живлення +5 В. Для двох котушок це 1 А, тому USB-порт польового ПК більше не справляється з цим, оскільки його зазвичай можна завантажити лише на 500 мА. Але з [22.10. фігура]. Адаптер має навантаження 1,2 А, що ідеально підходить для нас. Сам макет показаний у [24.6. фігура]. показано на малюнку.
Відразу після повнокрокового режиму виникає таке завдання:
За допомогою двох кнопок на панелі ADuC перемістіть одну або кроковий двигун в іншому напрямку; у напівкроковому режимі. [Код51]
Відмінність буде лише одна порівняно з [Завданням 37], але ми наголошуємо на цьому: ми приводимо двигун у напівкроковий режим. Ситуація полягає в тому, що тут замість 4 буде 8 елементів послідовності кроків, оскільки в напівкроках обидві пари котушок знаходяться під струмом. Це призводить до наступного списку для бітових шаблонів, записаних у пам’яті коду (і їх можна знайти в програмі під назвою Code51).
Зверніть увагу, що кожен другий рядок є об’єднанням двох суміжних елементів. Швидше, це значення, генероване операцією АБО. Оскільки зараз у нас 8 позицій, на додаток до вищезазначеного, код модифікується лише двома рядками. Те, що ми виділили жовтим у Code50, тепер слід переписати як:
І це зроблено, оскільки ми можемо представити числа від 0 до 7 у нижчих трьох бітах, і це саме те, що потрібно в цьому випадку. Переміщення двигуна працює, і воно працює бездоганно. І тепер ми можемо вирішити це в будь-який час, практично будь-яким кроковим двигуном ...