Complete Motor gids voor Robotics (10 / 12 stap)

Stap 10: Stappenmotor

Een stappenmotor is een elektromechanisch apparaat dat elektrische pulsen in discrete mechanische bewegingen zet. De schacht of de spil van een stappenmotor geroteerd in discrete stap stappen als elektrische opdracht pulsen worden toegepast op het in de juiste volgorde. De rotatie van de motoren heeft verschillende directe relaties op deze toegepaste input pulsen. De volgorde van de toegepaste pulsen is direct gerelateerd aan de draairichting van de motor assen. De snelheid van de rotatie van de motor assen is direct gerelateerd aan de frequentie van de input pulsen en de lengte van de rotatie is direct gerelateerd aan het aantal input pulsen toegepast.

Stappenmotoren zijn grote motoren voor positie controle. Zij kunnen worden gevonden in desktop printers, plotters, 3D-printers, CNC freesmachines, en iets anders vereisen nauwkeurige controle plaats. Steppers zijn een speciale segment van Borstelloze motoren. Ze zijn met opzet gebouwd voor hoge-bedrijf koppel. Deze hoge-bedrijf koppel geeft de gebruiker de mogelijkheid om stapsgewijs "stap" naar de volgende positie te verplaatsen. Dit resulteert in een eenvoudige positiebepalingssysteem die niet een encoder vereisen. Dit maakt de stepper motor controllers heel eenvoudig te bouwen en te gebruiken.

Een van de belangrijkste voordelen van een stappenmotor is de mogelijkheid om nauwkeurig worden gecontroleerd in een open-lussysteem. Open-loop controle betekent dat geen feedback informatie over positie moet komen. Dit type besturingselement elimineert de noodzaak voor dure sensing en feedback apparaten zoals optische codeerapparaten. Uw standpunt is bekend door het bijhouden van de input stap pulsen.

Wat zijn de stappenmotoren goed voor?

Een stappenmotor kunnen een goede keuze wanneer gecontroleerde beweging vereist is. Ze kunnen worden gebruikt om voordeel in toepassingen waar je moet controle rotatiehoek, snelheid, positie en gelijktijdigheid.

Positionering – daar stepper in precieze herhaalbare stappen circuleren, zij blinken uit in toepassingen waarbij precies positioneren zoals 3D printers, CNC, Camera platformen en X, Y Plotters. Stappenmotoren sommige schijven ook gebruiken bij het positioneren van de lees-/ schrijfkop.

Speed Control – precieze stappen van verkeer is ook voorzien van uitstekende controle van rotatiesnelheid voor automatisering en robotica.

Lage snelheid koppel - normaal gelijkstroommotoren hoeft niet heel veel koppel bij lage snelheden. Een stappenmotor heeft maximum koppel bij lage snelheden, zodat ze een goede keuze voor toepassingen waarbij lage snelheid met hoge precisie.

Bediening

Stappenmotoren gedragen precies hetzelfde als een borstelloze motor, alleen de stap-grootte veel kleiner is. Het enige bewegende deel is de de rotor, waarin de magneten. Waar dingen ingewikkeld geworden, is de volgorde van de energieke windingen orkestreren. De polariteit van elke winding wordt bepaald door de richting van de stroom. De animatie toont een eenvoudig patroon die domeincontrollers zou volgen. Wisselstroom verandert de polariteit, geven elke winding een "push/pull"-effect. Een opmerkelijke verschil is hoe de structuur van de magneet van een stepper is anders. Het is moeilijk om een matrix van magneten te gedragen mooi op kleine schaal. Het is ook erg duur. Om rond dit, gebruiken de meeste stappenmotoren een gestapelde plaat-methode om de magnetische Polen in "tanden".

Er zijn twee soorten stappenmotoren: unipolaire en bipolaire stappenmotoren. Op een fundamenteel niveau werken deze twee soorten op precies dezelfde manier; elektromagneten zijn ingeschakeld op een sequentiële wijze, inducerende de centrale motor as te draaien.

Het verschil tussen de twee soorten is de spanningsniveaus. Een unipolaire stappenmotor werkt alleen met positieve spanning, dus de hoge en lage spanningen toegepast op de elektromagnetische spoelen zou iets als 5V 0V. Een bipolaire stappenmotoren heeft twee polariteiten, positieve en negatieve, zodat de hoge en lage spanningen zou iets als 2.5V en -2.5V. Deze elektrische verschillen rekening te nemen, is het fysieke verschil tussen deze twee stijlen dat de unipolaire configuratie een extra draad in het midden van elke spoel vereist om huidige te stromen via een aan één uiteinde van de spoel of anderzijds. Deze twee tegengestelde richtingen produceren de twee polariteiten van het magnetisch veld, effectief het nabootsen van de mogelijkheden van de positieve en negatieve spanning van de bipolaire stappenmotoren. Hoewel beide een totale spanningsbereik van 5V hebben, zal de bipolaire stappenmotoren eigenlijk meer koppel hebben omdat de stroom vloeit de hele spoel, produceren een sterker magnetisch veld om de schacht te draaien aan de juiste hoek. Aan de andere kant, unipolaire stappenmotoren alleen gebruik maken van de helft van de lengte van de spoel als gevolg van de extra draad in het midden van de spoel, zodat minder koppel beschikbaar is voor magnetisch de schacht op zijn plaats houden.

Een twee-fase bipolaire motor heeft 2 groepen van spoelen. Een 4 fase unipolaire motor heeft 4. Een 2-fase bipolaire motor krijgen 4 draden - 2 voor elke fase. Sommige motoren zijn voorzien van flexibele bedrading die u toelaat om het uitvoeren van de motor als unipolaire of bipolaire.

Een Stepper rijden

Het besturen van een stappenmotor is een beetje ingewikkelder dan DC motor rijden regelmatig geborsteld. Stappenmotoren vereisen een stepper domeincontroller voor het energetiseren van de fasen in een tijdige reeks om de motor beurt.

Er zijn verschillende manieren die stappenmotoren kunnen worden aangedreven, met inbegrip van volledige stap, half step en microstepping. Elk van deze rijstijl biedt verschillende hoeveelheden van koppel en stap grootte die de stappenmotor kunt gebruiken.
Een volledige stap station heeft altijd twee van de elektromagneten "ingeschakeld". Als u wilt roteren de centrale as, een van de elektromagneten wordt uitgeschakeld en de volgende elektromagneet is ingeschakeld, waardoor de schacht 1/4 van een tand draaien (ten minste voor hybride stappenmotoren). Deze stijl van het altijd hebben twee elektromagneten op heeft het meeste koppel uit alle stijlen, maar de grootste stap-grootte. Een halve stap station wisselt tussen twee elektromagneten en slechts een elektromagneet ingeschakeld. Om te draaien de centrale as, de eerste elektromagneet als de eerste stap is energiek, dan in het tweede voorbeeld is ook energiek terwijl het ene nog voor de tweede stap wordt aangedreven. De derde stap schakelt eerste elektromagneet en de vierde stap draait op de derde elektromagneet, allemaal terwijl de tweede elektromagneet wordt nog aangedreven. Dit patroon, weergegeven in een afbeelding hierboven, gebruikt tweemaal zoveel stappen als de volledige stap drive, rekening houdend met de helft van de stap-grootte, maar het heeft ook minder algemene koppel, want er zijn niet altijd twee elektromagneten die de centrale as op zijn plaats. Microstepping, niet verrassend, heeft de kleinst mogelijke stap uit deze stijlen. Een van de meest voorkomende manieren om peform microstepping is te doen "sinus-cosinus-microstepping". Dit betekent dat de stroom die door elke spoel wordt gemanipuleerd zodat een sinus/cosinus wave is gemaakt. De "overlapping" van de golven tussen twee spiralen resultaten in een groot aantal substeps. Het werkelijke aantal substeps is afhankelijk van hoeveel verschillende wijzigingen in huidige u de spoelen geven kunt, maar microstepping zal nog steeds de kleinste stap grootte, en dus de meest nauwkeurige beweging, uit alle stijlen. Het koppel deze stijl gekoppeld is afhankelijk van hoeveel stroom stroomt via de spoelen op een bepaald tijdstip, maar zal altijd minder dan de volledige stap rijden.

Het eenvoudigste type van bestuurder kan worden gebouwd met een handvol transistoren. Deze zijn gewoon ontstoken en in volgorde energize de fasen en het versterken van de motor. Unipolaire stuurprogramma's zijn relatief goedkoop om te bouwen, maar alleen werken met unipolaire motoren. Er is een uitstekende tutorial over hoe een te bouwen op de site van de Arduino.

Een bipolaire motor rijden vereist 2 volledige H-bruggen zodat het de huidige aan de fasen kunt omkeren. H-bruggen kunnen lastig te bouwen van nul. Maar er tal van H-brug chips beschikbaar zijn ter vereenvoudiging van de taak. De L293D is een van de meest populaire en zuinige chips. Deze kunnen worden gevonden in het hart van de meest eerste generatie motor schilden.

Volgende codefragment kan worden gebruikt om te bepalen met behulp van de arduino board stappenmotor.

 // Global variables int timeDelay = 3000; void setup(){ // declaring the four pins to be outputs pinMode(34, OUTPUT); pinMode(32, OUTPUT); pinMode(30, OUTPUT); pinMode(28, OUTPUT); // setting the inital state of the electromagnets digitalWrite(34, HIGH); digitalWrite(32, LOW); digitalWrite(30, LOW); digitalWrite(28, HIGH); delay(10); // a small time delay to allow the motor to move }// end of setup void loop(){ for(int i=0; i<202; i++){ // looping through this chunk of code for ~ a full rotation digitalWrite(30, LOW); digitalWrite(34, HIGH); delayMicroseconds(timeDelay); digitalWrite(28, LOW); digitalWrite(32, HIGH); delayMicroseconds(timeDelay); digitalWrite(34, LOW); digitalWrite(30, HIGH); delayMicroseconds(timeDelay); digitalWrite(32, LOW); digitalWrite(28, HIGH); delayMicroseconds(timeDelay); }// end of looping // preparing the electromagnets to go the other direction digitalWrite(32, HIGH); digitalWrite(28, LOW); delayMicroseconds(timeDelay*500); for(int j=0; j<204; j++){ // looping through this chunk of code for ~ a full rotation in the other direction digitalWrite(30, LOW); digitalWrite(34, HIGH); delayMicroseconds(timeDelay); digitalWrite(28, HIGH); digitalWrite(32, LOW); delayMicroseconds(timeDelay); digitalWrite(34, LOW); digitalWrite(30, HIGH); delayMicroseconds(timeDelay); digitalWrite(32, HIGH); digitalWrite(28, LOW); delayMicroseconds(timeDelay); }// end of looping // preparing the electromagnets to go the other direction digitalWrite(32, LOW); digitalWrite(28, HIGH); delayMicroseconds(timeDelay*500); }//end of loop 

Toepassingen:

• 3D Printers
• CNC-Machines
• Camera tuig Robotica
• Printers
• Precisie motorreductoren

Voordelen:

• Precieze herhaalbare positionering
• Exacte toerentalregeling
• Uitstekende lage snelheid koppel
• Uitstekend bedrijf koppel' positie te handhaven

Beperkingen:

• Lage efficiëntie
• Moet kan encoder of limiet schakelen om een referentiepunt
• Onverminderd gemist stappen als overbelast

Meer details voor stappenmotoren:

Voor goede kwaliteit stepper bezoek motors & stuurprogramma's Sparkfun.