Що таке кроковий двигун і як він працює

Крокові двигуни можна знайти майже скрізь, починаючи від простого DVD-програвача або принтера у вашому домі і закінчуючи надзвичайно досконалим верстатом з ЧПУ або роботою-кронштейном. Його здатність здійснювати електронні керовані точні рухи змусило ці двигуни знайти застосування у багатьох видах, таких як камери спостереження, жорсткий диск, верстати з ЧПУ, тривимірні принтери, робототехніка, робочі складання, лазерні різаки та багато іншого. У цій статті давайте дізнаємося, що робить ці двигуни особливими та теорію, що лежить в основі цього. Ми дізнаємось, як використовувати один для вас додаток.

Вступ до крокових двигунів

Як і всі двигуни, крокові двигуни також мають статор і ротор, але на відміну від звичайного двигуна постійного струму статор складається з окремих наборів котушок. Кількість котушок буде відрізнятися залежно від типу крокового двигуна, але наразі просто зрозумійте, що в кроковому двигуні ротор складається з металевих стовпів, і кожен полюс буде притягуватися набором котушок в статорі. На схемі нижче показано кроковий двигун з 8 полюсами статора та 6 полюсами ротора.

Якщо поглянути на котушки на статорі, вони розташовані у вигляді пар котушок, як А і А 'утворюють пару В, а В' утворюють пару тощо. Отже, кожна з цієї пари котушок утворює електромагніт, і їх можна подавати на окреме живлення, використовуючи схему драйвера. Коли котушка отримує напругу, вона діє як магніт, і полюс ротора вирівнюється до неї, коли ротор обертається, щоб налаштуватися на вирівнювання зі статором, це називається одним кроком. Подібним чином, подаючи напругу на котушки послідовно, ми можемо обертати двигун невеликими кроками, щоб зробити повне обертання.

Типи крокових двигунів

В основному існує три типи крокових двигунів, заснованих на конструкції, а саме:

• Кроковий двигун із змінною неохотою: Вони мають ротор із залізним сердечником, який притягується до полюсів статора і забезпечує переміщення за мінімального опору між статором і ротором.
• Кроковий двигун з постійним магнітом : Вони мають ротор з постійним магнітом, і вони відштовхуються або притягуються до статора відповідно до поданих імпульсів.
• Гібридний синхронний кроковий двигун: Вони поєднують змінний коефіцієнт охоплення та кроковий двигун із постійним магнітом.

Окрім цього, ми також можемо класифікувати крокові двигуни як однополярні та біполярні залежно від типу обмотки статора.

• Біполярний кроковий двигун: котушки статора на цьому типі двигуна не матимуть спільного дроту. Привід цього крокового двигуна різний і складний, а також ланцюг приводу не може бути легко спроектований без мікроконтролера.
• Однополюсний кроковий двигун : У цьому типі крокового двигуна ми можемо взяти центральне відведення обох фазних обмоток для загального заземлення або для загальної потужності, як показано нижче. Це полегшує керування двигунами, також існує багато типів однополюсних крокових двигунів

Добре, отже, на відміну від звичайного двигуна постійного струму, у нього виходить п’ять проводів усіх вигадливих кольорів, і чому це так? Щоб зрозуміти це, нам слід спочатку знати, як крок, який ми вже обговорювали. Перш за все крокові двигуни не обертаються, вони ступають, і тому вони також відомі як крокові двигуни. Це означає, що вони рухатимуться лише по одному кроку за раз. У цих двигунах є послідовність котушок, і ці котушки повинні бути під напругою певним чином, щоб двигун обертався. Коли кожна котушка подається під напругу, двигун робить крок, і послідовність включення змусить двигун робити безперервні кроки, роблячи таким чином його обертання. Давайте подивимось на котушки, що знаходяться всередині двигуна, щоб точно знати, звідки беруться ці дроти.

Як бачите, двигун має однополярну 5-свинцеву котушку. Існує чотири котушки, які повинні отримувати напругу в певній послідовності. Червоні дроти будуть постачатися з напругою + 5 В, а решта чотири дроти будуть витягнуті на землю для спрацьовування відповідної котушки. Ми використовуємо будь-який мікроконтролер для підключення цих котушок до певної послідовності та змушуємо двигун виконувати необхідну кількість кроків. Знову ж таки, є багато послідовностей, які можна використовувати, як правило, використовується 4-ступінчастий , а для більш точного управління також може бути використаний 8-ступінчастий . Таблиця послідовностей для 4-етапного управління наведена нижче.

Крок	Котушка під напругою
Крок 1	А і В
Крок 2	B і C
Крок 3	C і D
Крок 4	D та A

Отже, чому цей двигун називається 28-BYJ48 ? Серйозно !!! Не знаю. Немає технічних причин для того, щоб цей двигун був названий так; можливо, нам не слід занурюватися набагато глибше в це. Давайте розглянемо деякі важливі технічні дані, отримані з технічного паспорта цього двигуна на малюнку нижче.

Це голова, повна інформації, але нам потрібно розглянути кілька важливих, щоб знати, який тип степпера ми використовуємо, щоб ми могли ефективно його запрограмувати. Спочатку ми знаємо, що це кроковий двигун на 5 В, оскільки ми подаємо напругу на Червоний провід на 5 В. Тоді ми також знаємо, що це чотирифазний кроковий двигун, оскільки в ньому було чотири котушки. Тепер передавальне число передається рівним 1:64. Це означає, що вал, який ви бачите зовні, здійснить одне повне обертання, лише якщо двигун всередині обертається 64 рази. Це пов’язано з передачами, які пов’язані між двигуном та вихідним валом, і ці шестерні допомагають збільшити крутний момент.

Іншими важливими даними, які слід помітити, є Кут кроку: 5,625 ° / 64. Це означає, що двигун, працюючи в 8-ступінчастій послідовності, рухатиметься на 5,625 градусів за кожен крок, і йому буде потрібно 64 кроки (5,625 * 64 = 360), щоб виконати один повний оберт.

Розрахунок кроків за оберт для крокового двигуна

Важливо знати, як розрахувати кроки на оберт для вашого крокового двигуна, оскільки лише тоді ви можете ефективно його запрограмувати / привести.

Припустимо, що ми будемо працювати з двигуном у 4-ступінчастій послідовності, тому кут кроку буде 11,25 °, оскільки для 8-ступінчастої послідовності він становить 5,625 ° (наведено в технічному паспорті), він буде 11,25 ° (5,625 * 2 = 11,25).

Кроки за оберт = 360 / кут кроку Тут 360 / 11.25 = 32 кроки за оберт.

Навіщо нам потрібні модулі драйверів для крокових двигунів?

Більшість крокових двигунів працюватимуть лише за допомогою драйвера. Це пов’язано з тим, що модуль контролера (мікроконтролер / цифрова схема) не зможе забезпечити достатню кількість струму від своїх контактів вводу-виводу для роботи двигуна. Отже, ми використовуватимемо зовнішній модуль, такий як ULN2003, як драйвер крокового двигуна. Існує безліч типів драйверів, і рейтинг модуля змінюватиметься залежно від типу використовуваного двигуна. Основним принципом для всіх модулів драйверів буде подача / поглинання достатнього струму для роботи двигуна. Окрім цього, є також модулі драйверів, в яких заздалегідь запрограмована логіка, але ми не будемо тут обговорювати це.

Якщо вам цікаво знати, як обертати кроковий двигун за допомогою мікросхеми мікроконтролера та драйвера, то ми розглянули багато статей про його роботу з різними мікроконтролерами:

• Зв'язок крокового двигуна з Arduino Uno
• Зв'язок крокового двигуна зі STM32F103C8
• Зв'язок крокового двигуна з мікроконтролером PIC
• Зв'язок крокового двигуна з MSP430G2
• Інтерфейс крокового двигуна з мікроконтролером 8051
• Управління кроковим двигуном з Raspberry Pi

Тепер я вважаю, що у вас є достатньо інформації для управління будь-яким кроковим двигуном, який вам потрібен для вашого проекту. Давайте подивимось на переваги та недоліки крокових двигунів.

Переваги крокових двигунів

Однією з головних переваг крокового двигуна є те, що він має чудовий контроль положення і, отже, може використовуватися для точного управління. Крім того, він має дуже хороший крутний момент, що робить його ідеальним вибором для роботизованих програм. Крокові двигуни також вважаються такими, що мають тривалий термін служби, ніж звичайний двигун постійного струму або сервомотор.

Недоліки крокових двигунів

Як і всі двигуни, крокові двигуни також мають свої недоліки, оскільки він обертається, роблячи невеликі кроки, не може досягти високих швидкостей. Крім того, він споживає енергію для утримання крутного моменту, навіть коли він ідеальний, таким чином збільшуючи енергоспоживання.