Co to jest silnik krokowy i jak działa

Od prostego odtwarzacza DVD lub drukarki w domu po wysoce wyrafinowaną maszynę CNC lub ramię robota - silniki krokowe można znaleźć prawie wszędzie. Jego zdolność do wykonywania precyzyjnych ruchów sterowanych elektronicznie sprawiła, że silniki te znalazły zastosowanie w wielu urządzeniach, takich jak kamery monitorujące, dysk twardy, maszyny CNC, drukarki 3D, robotyka, roboty montażowe, wycinarki laserowe i wiele innych. Z tego artykułu dowiemy się, co sprawia, że te silniki są wyjątkowe i jaka jest za tym teoria. Dowiemy się, jak korzystać z jednej dla Ciebie aplikacji.

Wprowadzenie do silników krokowych

Podobnie jak wszystkie silniki, silniki krokowe mają również stojan i wirnik, ale w przeciwieństwie do zwykłego silnika prądu stałego, stojan składa się z pojedynczych zestawów cewek. Liczba cewek będzie się różnić w zależności od typu silnika krokowego, ale na razie zrozum, że w silniku krokowym wirnik składa się z metalowych biegunów, a każdy biegun będzie przyciągany przez zestaw cewek w stojanie. Poniższy schemat przedstawia silnik krokowy z 8 biegunami stojana i 6 biegunami wirnika.

Jeśli spojrzysz na cewki na stojanie, są one ułożone w pary cewek, tak jak A i A „tworzy parę B, a B” tworzy parę i tak dalej. Tak więc każda z tych par cewek tworzy elektromagnes i może być zasilana indywidualnie za pomocą obwodu sterującego. Kiedy cewka jest zasilana energią, działa jak magnes, a biegun wirnika jest wyrównany do niego, kiedy wirnik obraca się, aby wyrównać się ze stojanem, nazywa się to jednym krokiem. Podobnie, zasilając cewki sekwencyjnie, możemy obracać silnik małymi krokami, aby wykonać pełny obrót.

Rodzaje silników krokowych

Istnieją głównie trzy typy silników krokowych oparte na konstrukcji, którymi są:

Silnik krokowy o zmiennej reluktancji: mają wirnik z żelaznym rdzeniem, który jest przyciągany do biegunów stojana i zapewnia ruch przy minimalnej reluktancji między stojanem a wirnikiem.
Silnik krokowy z magnesami trwałymi: mają wirnik z magnesami trwałymi i są odpychane lub przyciągane do stojana zgodnie z przyłożonymi impulsami.
Hybrydowy synchroniczny silnik krokowy: Są połączeniem zmiennej reluktancji i silnika krokowego z magnesami trwałymi.

Oprócz tego możemy również sklasyfikować silniki krokowe jako jednobiegunowe i bipolarne na podstawie rodzaju uzwojenia stojana.

Bipolarny silnik krokowy: Cewki stojana w tego typu silniku nie będą miały wspólnego przewodu. Napęd tego typu silnika krokowego jest inny i skomplikowany, a także bez mikrokontrolera nie da się łatwo zaprojektować obwodu sterującego.
Jednobiegunowy silnik krokowy: W tym typie silnika krokowego możemy przyjąć centralne odczepy obu uzwojeń fazowych dla wspólnej masy lub wspólnej mocy, jak pokazano poniżej. Ułatwia to sterowanie silnikami, istnieje wiele typów silników krokowych unipolarnych

Ok, więc w przeciwieństwie do normalnego silnika prądu stałego ten ma pięć przewodów we wszystkich fantazyjnych kolorach i dlaczego tak jest? Aby to zrozumieć, powinniśmy najpierw wiedzieć, jak stepper, o którym już mówiliśmy. Przede wszystkim silniki krokowe nie obracają się, ale kroczą, dlatego nazywane są silnikami krokowymi. Oznacza to, że będą poruszać się tylko o jeden krok na raz. Silniki te mają sekwencję cewek obecnych w nich i te cewki muszą być zasilane w określony sposób, aby silnik mógł się obracać. Kiedy każda cewka jest zasilana, silnik wykonuje krok, a sekwencja zasilania sprawi, że silnik będzie wykonywał ciągłe kroki, powodując tym samym obrót. Przyjrzyjmy się cewkom znajdującym się wewnątrz silnika, aby dokładnie wiedzieć, skąd pochodzą te przewody.

Jak widać silnik ma jednobiegunową cewkę 5-przewodową. Istnieją cztery cewki, które muszą być zasilane w określonej kolejności. Czerwone przewody będą zasilane napięciem + 5 V, a pozostałe cztery przewody zostaną podciągnięte do masy w celu wyzwolenia odpowiedniej cewki. Używamy dowolnego mikrokontrolera, aby zasilić te cewki w określonej kolejności i zmusić silnik do wykonania wymaganej liczby kroków. Ponownie istnieje wiele sekwencji, których możesz użyć, zwykle stosuje się 4-stopniową kontrolę, a dla bardziej precyzyjnej kontroli można również użyć 8-stopniowej kontroli. Tabela sekwencji dla sterowania 4-stopniowego jest pokazana poniżej.

Krok

Cewka pod napięciem

Krok 1

A i B

Krok 2

B i C

Krok 3

C i D.

Krok 4

D i A.

Dlaczego więc ten silnik nazywa się 28-BYJ48 ? Poważnie!!! Nie wiem Nie ma żadnego technicznego powodu, aby ten silnik został nazwany tak; może nie powinniśmy się w to głębiej zanurzać. Przyjrzyjmy się niektórym z ważnych danych technicznych uzyskanych z arkusza danych tego silnika na poniższym obrazku.

To głowa pełna informacji, ale musimy przyjrzeć się kilku ważnym, aby wiedzieć, jakiego typu steppera używamy, abyśmy mogli go efektywnie zaprogramować. Najpierw wiemy, że jest to silnik krokowy 5 V, ponieważ zasilamy czerwony przewód napięciem 5 V. Wtedy też wiemy, że jest to czterofazowy silnik krokowy, ponieważ miał w nim cztery cewki. Teraz przełożenie wynosi 1:64. Oznacza to, że wał, który widzisz na zewnątrz, wykona jeden pełny obrót tylko wtedy, gdy silnik wewnątrz obróci się 64 razy. Dzieje się tak z powodu kół zębatych, które są połączone między silnikiem a wałem wyjściowym, te koła zębate pomagają w zwiększaniu momentu obrotowego.

Kolejną ważną informacją, na którą należy zwrócić uwagę, jest kąt kroku: 5,625 ° / 64. Oznacza to, że silnik pracujący w 8-stopniowej sekwencji przesunie się o 5,625 stopnia na każdy krok i będzie wymagał 64 kroków (5,625 * 64 = 360), aby wykonać jeden pełny obrót.

Obliczanie liczby kroków na obrót dla silnika krokowego

Ważne jest, aby wiedzieć, jak obliczyć liczbę kroków na obrót silnika krokowego, ponieważ tylko wtedy można go efektywnie zaprogramować / sterować.

Załóżmy, że będziemy obsługiwać silnik w sekwencji 4-stopniowej, więc kąt kroku będzie wynosił 11,25 °, ponieważ wynosi 5,625 ° (podane w arkuszu danych) dla sekwencji 8-stopniowej, będzie to 11,25 ° (5,625 * 2 = 11,25).

Kroki na obrót = 360 / kąt kroku Tutaj 360 / 11,25 = 32 kroki na obrót.

Dlaczego potrzebujemy modułów sterowników do silników krokowych?

Większość silników krokowych będzie działać tylko z pomocą modułu sterownika. Dzieje się tak, ponieważ moduł kontrolera (mikrokontroler / obwód cyfrowy) nie będzie w stanie zapewnić wystarczającego prądu ze swoich pinów I / O, aby silnik mógł działać. Więc użyjemy zewnętrznego modułu, takiego jak moduł ULN2003, jako sterownika silnika krokowego. Istnieje wiele typów modułów sterownika, a wartość jednego z nich zmienia się w zależności od typu używanego silnika. Podstawową zasadą dla wszystkich modułów sterownika będzie dostarczanie / odprowadzanie prądu wystarczającego do działania silnika. Oprócz tego są też moduły sterowników, które mają zaprogramowaną logikę, ale nie będziemy o tym tutaj rozmawiać.

Jeśli jesteś ciekawy, jak obrócić silnik krokowy za pomocą jakiegoś mikrokontrolera i układu scalonego sterownika, omówiliśmy wiele artykułów na temat jego działania z różnymi mikrokontrolerami:

Połączenie silnika krokowego z Arduino Uno
Połączenie silnika krokowego z STM32F103C8
Połączenie silnika krokowego z mikrokontrolerem PIC
Połączenie silnika krokowego z MSP430G2
Połączenie silnika krokowego z mikrokontrolerem 8051
Sterowanie silnikiem krokowym z Raspberry Pi

Teraz uważam, że masz wystarczająco dużo informacji, aby sterować dowolnym silnikiem krokowym, którego potrzebujesz do swojego projektu. Rzućmy okiem na zalety i wady silników krokowych.

Zalety silników krokowych

Jedną z głównych zalet silnika krokowego jest to, że ma doskonałą kontrolę położenia, dzięki czemu może być używany do precyzyjnego sterowania. Ma również bardzo dobry moment trzymający, co czyni go idealnym wyborem do zastosowań robotycznych. Uważa się również, że silniki krokowe mają dłuższą żywotność niż zwykły silnik prądu stałego lub serwomotor.

Wady silników krokowych

Podobnie jak wszystkie silniki, silniki krokowe mają również swoje wady, ponieważ obraca się małymi krokami, nie może osiągnąć dużych prędkości. Zużywa również energię do utrzymania momentu obrotowego, nawet gdy jest idealny, zwiększając w ten sposób zużycie energii.