Se você já teve o prazer de desmontar uma impressora antiga para economizar eletrônico componentes, você pode encontrar muitos motores misteriosos cilíndricos com 4 ou mais fios saindo dos lados. Você ouviu o zumbido típico de uma impressora 3D de mesa ou a sinfonia eletromecânica de discos em uma unidade de CD? Nesse caso, você se depara com um motor de passo!
Os motores de passo fazem o mundo eletromecânico girar (com torque mais alto!). Mas, diferentemente de um motor DC convencional, o controle de um motor de passo requer um pouco mais do que a corrente através de dois fios. Este artigo abordará a teoria do design e operação de um motor de passo. Assim que considerarmos o básico, o autor deste guia mostrará como criar circuitos simples para controlar motores de passo e, em seguida, como usar microcircuitos de driver especiais.
Etapa 1: O que faz de um motor um motor de passo?
Quem pode precisar de mais de dois fios e uma ponte H? Porque Bem, diferentemente dos motores de escova CC convencionais construídos para RPM máximo (ou kV para RC), os motores de passo são motores sem escova projetados para alto torque (posteriormente velocidade mais baixa) e movimento rotacional mais preciso. Enquanto um motor DC típico é ótimo para girar a hélice em alta velocidade para obter tração máxima, um motor de passo é melhor para enrolar uma folha de papel em sincronia com o mecanismo de jato de tinta dentro da impressora ou para girar cuidadosamente um eixo de trilho linear em uma fábrica de CNC.
No interior, os motores de passo são mais complexos do que um simples motor DC, com várias bobinas ao redor do núcleo com ímãs permanentes, mas com essa complexidade adicional, é fornecido mais controle. Devido ao arranjo cuidadoso das bobinas embutidas no estator, o rotor do motor de passo pode girar com uma determinada etapa, alterando a polaridade entre as bobinas e mudando sua polaridade de acordo com o esquema de ignição estabelecido. Os motores de passo não são todos iguais e, para sua execução interna, são necessários esquemas únicos (mas básicos). Discutiremos os tipos mais comuns de motores de passo na próxima etapa.
Etapa 2: Tipos de motores de passo
Existem vários modelos diferentes de motores de passo. Estes incluem resistência unipolar, bipolar, universal e variável. Discutiremos o projeto e a operação de motores bipolares e unipolares, pois esse é o tipo mais comum de motor.
Motor unipolar
Os motores unipolares geralmente têm cinco, seis ou oito fios vindos da base e uma bobina por fase. No caso de um motor de cinco fios, o quinto fio são as derivações centrais conectadas dos pares de bobinas. Em um motor de seis fios, cada par de bobinas tem sua própria torneira central. Em um motor de oito fios, cada par de bobinas é completamente separado dos outros, o que permite que ele seja conectado em várias configurações. Esses fios adicionais permitem acionar motores unipolares diretamente de um controlador externo com transistores simples para controlar cada bobina separadamente. Um circuito de ignição no qual cada bobina é acionada determina a direção de rotação do eixo do motor. Infelizmente, dado que apenas uma bobina é fornecida por vez, o torque de retenção de um motor unipolar será sempre menor que um motor bipolar do mesmo tamanho. Ignorando as derivações centrais de um motor unipolar, ele agora pode funcionar como um motor bipolar, mas isso exigirá um esquema de controle mais complexo. Na quarta etapa deste artigo, dirigiremos um motor unipolar, que deve esclarecer alguns dos conceitos apresentados acima.
Motor bipolar
Os motores bipolares normalmente têm quatro fios e são mais duráveis do que um motor unipolar de tamanho comparativo, mas como temos apenas uma bobina por fase, precisamos girar a corrente pelas bobinas para dar um passo. Nossa necessidade de alterar a corrente significa que não poderemos mais controlar as bobinas diretamente com um único transistor, em vez de um circuito h-bridge completo. Construir a ponte h certa é entediante (sem mencionar duas!). Portanto, usaremos um driver de motor bipolar dedicado (consulte a Etapa 5).
Etapa 3: Entendendo as especificações do motor de passo
Vamos falar sobre como determinar as especificações do motor. Se você se deparar com um motor quadrado com um conjunto específico de três peças (veja a Figura três), é mais provável que seja um mecanismo NEMA. A Associação Nacional de Fabricantes Elétricos possui um padrão específico para especificações de motores que usa um código de letra simples para determinar o diâmetro da placa do motor, tipo de montagem, comprimento, corrente de fase, temperatura de operação, temperatura de operação, tensão de fase, etapas por rotação e fiação.
Leia o passaporte do mecanismo
Para o próximo passo, este motor unipolar será usado. Acima está uma tabela de dados. E, embora seja conciso, fornece-nos tudo o que precisamos para uma operação adequada. Vejamos o que está na lista:
Fase: Este é um motor unipolar de quatro fases. O mecanismo interno pode ter qualquer número de bobinas reais, mas neste caso elas são agrupadas em quatro fases, que podem ser controladas independentemente.
Angle pitch: Com uma resolução aproximada de 1,8 graus por etapa, obtemos 200 etapas por rotação. Embora essa seja uma resolução mecânica, com a ajuda da microconjunção, podemos aumentá-la sem nenhuma alteração no mecanismo (mais sobre isso na etapa 5).
Tensão: A tensão nominal deste motor é de 3 volts. Esta é uma função da corrente e da resistência nominal do motor (lei de Ohm V = IR, portanto 3V = 2A * 1,5Ω)
Corrente: quanta corrente esse motor precisa? Dois amperes por fase! Esta figura será importante ao escolher nossos transistores de potência para o circuito de controle básico.
Resistência: 1,5 ohms por fase limitarão a corrente que podemos fornecer para cada fase.
Indutância: 2,5 mH. A natureza indutiva das bobinas do motor limita a velocidade de carregamento das bobinas.
Momento de espera: é a quantidade de força real que podemos criar quando a tensão é aplicada ao motor de passo.
Momento de espera: é o momento de espera que podemos esperar do motor quando não está energizado.
Classe de isolamento: a classe B faz parte do padrão NEMA e fornece uma classificação de 130 graus Celsius. Os motores de passo não são muito eficientes e o consumo constante de corrente máxima significa que eles ficarão muito quentes durante a operação normal.
Indicadores de enrolamento: diâmetro do fio 0,644 mm., Número de voltas no diâmetro 15,5, seção transversal 0,326 mm2
Detecção de pares de bobinas
Embora a resistência dos enrolamentos da bobina possa variar de motor para motor, se você tiver um multímetro, poderá medir a resistência em dois fios, se a resistência for <10 Ohms, provavelmente encontrou um par! Esse é basicamente um processo de erro de tentativa, mas deve funcionar para a maioria dos mecanismos, a menos que você tenha um número de peça / especificação.
Etapa 4: Controle direto de motores de passo
Devido à localização dos fios em um motor unipolar, podemos ligar seqüencialmente as bobinas usando apenas MOSFETs de energia simples. A figura acima mostra um circuito simples com um transistor MOS. Esse arranjo permite que você controle simplesmente o nível lógico usando um microcontrolador externo. Nesse caso, a maneira mais fácil é usar uma placa Intel Edison com uma placa de patch baseada em estilo. Arduinopara obter acesso fácil ao GPIO (no entanto, qualquer micro com quatro GPIOs servirá). O MOSFET de alta potência e canal IRF510 é usado para este circuito. O IRF510, capaz de consumir até 5,6 amperes, terá energia livre suficiente para atender às necessidades do motor em 2 amperes. Os LEDs não são necessários, mas fornecerão uma boa confirmação visual da sequência do trabalho. É importante observar que o IRF510 deve ter um nível lógico de pelo menos 5 V para poder consumir corrente suficiente para o motor. A potência do motor neste circuito será de 3 V.
Sequência de trabalho
O controle total de um motor unipolar com essa configuração é muito simples. Para girar o motor, precisamos ativar as fases no modo especificado para que ele gire corretamente. Para girar o motor no sentido horário, controlaremos as fases da seguinte forma: A1, B1, A2, B2. Para girar no sentido anti-horário, simplesmente mudamos a direção da sequência para B2, A2, B1, A1. Isso é bom para o controle básico, mas e se você quiser mais precisão e menos trabalho? Vamos falar sobre o uso de um driver dedicado para facilitar as coisas!
Etapa 5: placas de driver de motor de passo
Se você deseja começar a controlar motores bipolares (ou motores unipolares em uma configuração bipolar), precisará de uma placa de controle de motorista especial. A foto acima mostra o Big Easy Driver e a placa de suporte do driver de motor de passo A4988. Ambas as placas são placas de circuito impresso para o driver de motor passo a passo Allegro A4988 de dois pólos da Microsoft, que é de longe um dos chips mais comuns para acionar pequenos motores de passo. Além de possuir as pontes duplas h necessárias para controlar um motor bipolar, essas placas oferecem muitas opções para embalagens pequenas e baratas.
Instalação
Essas placas universais têm uma conexão incrivelmente baixa. Você pode começar a controlar o motor usando apenas três conexões (apenas dois GPIOs) com o seu controlador principal: terra comum, inclinação e direção. O passo da etapa e sua direção permanecem flutuantes, portanto, é necessário ligá-los à tensão de referência com um resistor de carga. O pulso enviado ao pino STEP moverá o motor um passo em uma resolução de acordo com os pinos de referência de micro passo. O nível lógico no pino DIR determina se o motor irá girar no sentido horário ou anti-horário.
Mecanismo Microstep
Dependendo de como os pinos M1, M2 e M3 estiverem instalados, é possível obter uma maior resolução do motor através de micro-passos. O microstep inclui o envio de uma variedade de pulsos para puxar o motor entre a resolução eletromagnética dos ímãs físicos no rotor, fornecendo um controle muito preciso. A4988 pode ir da etapa completa para a resolução da décima sexta etapa. Com o nosso motor de 1,8 graus, isso fornecerá até 3200 etapas por rotação. Fale sobre os pequenos detalhes!
Códigos / Bibliotecas
A conexão de motores pode ser fácil, mas e quanto a controlá-los? Confira estas bibliotecas de códigos prontas para controle do motor de passo:
Stepper - O clássico embutido no IDE do Arduino permite executar uma etapa básica e controlar a velocidade de rotação.
Accel stepper - Uma biblioteca muito mais completa que permite controlar melhor vários mecanismos e fornece a aceleração e desaceleração correta do mecanismo.
Stepper Intel C ++ MRAA - Uma biblioteca de nível inferior para quem deseja se aprofundar no gerenciamento do motor de passo C ++ bruto usando o Intel Edison.
Esse conhecimento deve ser suficiente para você entender como trabalhar com motores de passo no mundo eletromecânico, mas este é apenas o começo.
