Какво е стъпков двигател и как работи

От обикновен DVD плейър или принтер във вашия дом до високо усъвършенствана CNC машина или роботизирана ръка, стъпковите двигатели могат да бъдат намерени почти навсякъде. Способността му да извършва електронно контролирани прецизни движения са накарали тези двигатели да намерят приложение в много видове, като камери за наблюдение, твърд диск, CNC машини, 3D принтери, роботика, монтажни роботи, лазерни фрези и много други. В тази статия нека научим какво прави тези двигатели специални и теорията зад тях. Ще научим как да използваме едно за вас приложение.

Въведение в Stepper Motors

Както всички двигатели, стъпковите двигатели също имат статор и ротор, но за разлика от нормалния двигател с постоянен ток, статорът се състои от отделни комплекти намотки. Броят на намотките ще се различава в зависимост от типа стъпков двигател, но засега просто разберете, че при стъпков двигател роторът се състои от метални стълбове и всеки полюс ще бъде привлечен от набор от намотки в статора. Диаграмата по-долу показва стъпков двигател с 8 статорни стълба и 6 роторни стълба.

Ако погледнете намотките на статора, те са подредени по двойки намотки, като А и А 'образуват двойка В и В' образуват двойка и така нататък. Така че всяка от тази двойка намотки образува електромагнит и те могат да се захранват поотделно с помощта на схема на драйвер. Когато бобината се захранва, тя действа като магнит и полюсът на ротора се подравнява към нея, когато роторът се върти, за да се приспособи, за да се приведе в съответствие със статора, той се нарича като една стъпка. По същия начин, като захранваме намотките последователно, можем да въртим двигателя на малки стъпки, за да направим пълно завъртане.

Видове стъпкови двигатели

Има основно три вида стъпкови двигатели, базирани на конструкцията, които са:

• Стъпков двигател с променливо съпротивление: Те имат ротор с желязна сърцевина, който се привлича към полюсите на статора и осигурява движение чрез минимално отклонение между статора и ротора.
• Стъпков двигател с постоянен магнит : Те имат ротор с постоянен магнит и те се отблъскват или привличат към статора според приложените импулси.
• Хибриден синхронен стъпков двигател: Те са комбинация от променливо нежелано съпротивление и стъпков двигател с постоянен магнит.

Отделно от това, ние също така можем да класифицираме стъпковите двигатели като еднополюсни и биполярни въз основа на типа намотка на статора.

• Биполярен стъпков двигател: Намотките на статора на този тип двигатели няма да имат обща жица. Задвижването на този тип стъпков двигател е различно и сложно и също така задвижващата верига не може лесно да бъде проектирана без микроконтролер.
• Униполярен стъпков двигател : При този тип стъпков двигател можем да вземем централното почукване на двете фазови намотки за обща маса или за обща мощност, както е показано по-долу. Това улеснява задвижването на двигателите, има много видове и в еднополюсния стъпков двигател

Добре, така че за разлика от нормалния двигател с постоянен ток, този има пет проводника с всички изискани цветове и защо е така? За да разберем това, първо трябва да знаем как степер, който вече обсъдихме. На първо място, степерните двигатели не се въртят, те стъпват и така са известни още като стъпкови двигатели. Значи те ще се движат само една стъпка наведнъж. Тези двигатели имат последователност от бобини, които се намират в тях и тези бобини трябва да се захранват по определен начин, за да накарат двигателя да се върти. Когато всяка намотка се захранва, двигателят прави стъпка и последователността на захранването ще накара двигателя да прави непрекъснати стъпки, като по този начин го кара да се върти. Нека да разгледаме бобините, намиращи се вътре в двигателя, за да знаем точно откъде идват тези проводници.

Както можете да видите, двигателят има еднополюсно разположение на 5-отводни бобини. Има четири намотки, които трябва да се захранват в определена последователност. Червените проводници ще бъдат снабдени с + 5V, а останалите четири проводника ще бъдат изтеглени на земята за задействане на съответната намотка. Използваме всеки микроконтролер, за да активираме тези намотки в определена последователност и да накараме двигателя да изпълни необходимия брой стъпки. Отново има много последователности, които можете да използвате, обикновено се използва 4-стъпка, а за по-прецизно управление може да се използва и 8-стъпка . Таблицата на последователността за 4-стъпково управление е показана по-долу.

Стъпка	Енергизирана бобина
Етап 1	А и Б
Стъпка 2	Б и В.
Стъпка 3	C и D
Стъпка 4	D и A

И така, защо този двигател се нарича 28-BYJ48 ? Сериозно!!! Не знам. Няма техническа причина този двигател да бъде наречен така; може би не трябва да се гмурваме много по-дълбоко в него. Нека разгледаме някои от важните технически данни, получени от листа с данни на този двигател на снимката по-долу.

Това е глава, пълна с информация, но трябва да разгледаме няколко важни, за да знаем какъв тип степер използваме, за да можем да го програмираме ефективно. Първо знаем, че това е 5V стъпков двигател, тъй като захранваме червения проводник с 5V. Тогава също така знаем, че това е четирифазен стъпков двигател, тъй като в него има четири намотки. Сега предавателното число е дадено 1:64. Това означава, че шахтата, която виждате отвън, ще извърши едно пълно завъртане само ако двигателят вътре се завърти 64 пъти. Това се дължи на предавките, които са свързани между двигателя и изходния вал, тези зъбни колела помагат за увеличаване на въртящия момент.

Друга важна информация, която трябва да забележите, е Ъгълът на стъпка: 5.625 ° / 64. Това означава, че двигателят, когато работи в последователност от 8 стъпки, ще се движи с 5.625 градуса за всяка стъпка и ще отнеме 64 стъпки (5.625 * 64 = 360), за да завърши едно пълно завъртане.

Изчисляване на стъпките на оборот за стъпков двигател

Важно е да знаете как да изчислявате стъпките на оборот за вашия стъпков двигател, защото само тогава можете да го програмирате / управлявате ефективно.

Да предположим, че ще работим с двигателя в последователност от 4 стъпки, така че ъгълът на стъпка ще бъде 11,25 °, тъй като е 5,625 ° (даден в листа с данни) за 8 стъпки, ще бъде 11,25 ° (5,625 * 2 = 11,25)

Стъпки на оборот = 360 / ъгъл на стъпка Тук, 360 / 11.25 = 32 стъпки на оборот.

Защо се нуждаем от модули за драйвери за стъпкови двигатели?

Повечето стъпкови двигатели ще работят само с помощта на драйвер модул. Това е така, защото модулът на контролера (микроконтролер / цифрова верига) няма да може да осигури достатъчно ток от своите I / O щифтове за работа на двигателя. Така че ние ще използваме външен модул като ULN2003 модул като драйвер за стъпков двигател. Има много видове модули на водача и рейтингът на един ще се промени в зависимост от вида на използвания двигател. Основният принцип за всички модули на драйвера ще бъде източникът / потапянето на достатъчно ток за работа на двигателя. Освен това има и драйверни модули, които имат предварително програмирана логика, но тук няма да обсъждаме това.

Ако сте любопитни да знаете как да завъртите стъпков двигател с помощта на някакъв микроконтролер и драйвер IC, тогава сме разгледали много статии за неговата работа с различни микроконтролери:

• Свързване на стъпков двигател с Arduino Uno
• Свързване на стъпков двигател със STM32F103C8
• Свързване на стъпков двигател с микроконтролер PIC
• Свързване на стъпков двигател с MSP430G2
• Свързване на стъпков двигател с микроконтролер 8051
• Управление на стъпков двигател с Raspberry Pi

Сега вярвам, че имате достатъчно информация за управление на всеки стъпков двигател, който ви е необходим за вашия проект. Нека да разгледаме предимствата и недостатъците на стъпковите двигатели.

Предимства на стъпковите двигатели

Едно от основните предимства на стъпковия двигател е, че той има отличен контрол на позицията и следователно може да се използва за прецизно приложение на управлението. Освен това има много добър въртящ момент, което го прави идеален избор за роботизирани приложения. Стъпковите двигатели също се считат за по-дълготрайни от нормалните постояннотокови или серво мотори.

Недостатъци на стъпковите двигатели

Подобно на всички двигатели, Stepper Motors също имат своите недостатъци, тъй като се върти с малки стъпки и не може да постигне високи скорости. Освен това консумира енергия за задържане на въртящ момент, дори когато е идеален, като по този начин увеличава консумацията на енергия.