Si alguna vez ha tenido el placer de desmontar una impresora vieja para ahorrar electronica componentes, puede encontrar muchos motores misteriosos cilíndricos con 4 o más cables que sobresalen de los lados. ¿Escuchó el zumbido típico de una impresora 3D de escritorio o la sinfonía electromecánica defectuosa de discos en una unidad de CD? Si es así, ¡te enfrentas a un motor paso a paso!
Los motores paso a paso hacen girar el mundo electromecánico (¡con un par más alto!), Pero a diferencia de un motor de CC convencional, controlar un motor paso a paso requiere un poco más que la corriente a través de dos cables. Este artículo hablará sobre la teoría del diseño y operación de un motor paso a paso. Tan pronto como consideremos los conceptos básicos, el autor de esta guía mostrará cómo construir circuitos simples para controlar motores paso a paso, y luego cómo usar microcircuitos de controlador especiales.
Paso 1: ¿Qué hace que un motor sea un motor paso a paso?
¿Quién puede necesitar más de dos cables y un puente H? Por qué Bueno, a diferencia de los motores de escobillas de CC convencionales construidos para RPM máximas (o kV para RC), los motores paso a paso son motores sin escobillas diseñados para un alto par (posteriormente menor velocidad) y un movimiento de rotación más preciso. Si bien un motor de CC típico es ideal para rotar la hélice a alta velocidad para lograr la máxima tracción, un motor paso a paso es mejor para enrollar una hoja de papel en sincronía con el mecanismo de inyección de tinta dentro de la impresora o para rotar cuidadosamente el eje del riel lineal en una fresadora CNC.
En el interior, los motores paso a paso son más complejos que un motor de CC simple, con varias bobinas alrededor del núcleo con imanes permanentes, pero con esta complejidad adicional se proporciona más control. Debido a la disposición cuidadosa de las bobinas integradas en el estator, el rotor del motor paso a paso puede girar con un paso dado, cambiando la polaridad entre las bobinas y cambiando su polaridad de acuerdo con el esquema de encendido establecido. No todos los motores paso a paso son iguales, y para su ejecución interna se requieren esquemas únicos (pero básicos). Discutiremos los tipos más comunes de motores paso a paso en el siguiente paso.
Paso 2: Tipos de motores paso a paso
Hay varios diseños diferentes de motores paso a paso. Estos incluyen resistencia unipolar, bipolar, universal y variable. Discutiremos el diseño y la operación de motores bipolares y unipolares, ya que este es el tipo de motor más común.
Motor unipolar
Los motores unipolares generalmente tienen cinco, seis u ocho cables que provienen de la base y una bobina por fase. En el caso de un motor de cinco cables, el quinto cable es una rama central conectada de los pares de bobinas. En un motor de seis cables, cada par de bobinas tiene su propio grifo central. En un motor de ocho cables, cada par de bobinas está completamente separado de los demás, lo que le permite conectarse en varias configuraciones. Estos cables adicionales le permiten conducir motores unipolares directamente desde un controlador externo con transistores simples para controlar cada bobina por separado. Un circuito de encendido en el que se impulsa cada bobina determina la dirección de rotación del eje del motor. Desafortunadamente, dado que solo se suministra una bobina a la vez, el par de retención de un motor unipolar siempre será menor que el de un motor bipolar del mismo tamaño. Sin pasar por las tomas centrales de un motor unipolar, ahora puede funcionar como motor bipolar, pero esto requerirá un esquema de control más complejo. En el cuarto paso de este artículo, manejaremos un motor unipolar, que debería aclarar algunos de los conceptos presentados anteriormente.
Motor bipolar
Los motores bipolares generalmente tienen cuatro cables y son más duraderos que un motor unipolar de tamaño comparativo, pero dado que solo tenemos una bobina por fase, necesitamos girar la corriente a través de las bobinas para avanzar un paso. Nuestra necesidad de cambiar la corriente significa que ya no podremos controlar las bobinas directamente con un solo transistor, sino un circuito de puente h completo. Construir el puente h correcto es tedioso (¡sin mencionar dos!), Por lo que utilizaremos un controlador de motor bipolar dedicado (consulte el Paso 5).
Paso 3: Comprender las especificaciones del motor paso a paso
Hablemos sobre cómo determinar las especificaciones del motor. Si ha encontrado un motor cuadrado con un conjunto específico de tres piezas (consulte la Figura tres), lo más probable es que sea un motor NEMA. La Asociación Nacional de Fabricantes Eléctricos tiene un estándar específico para las especificaciones del motor que utiliza un código de letra simple para determinar el diámetro de la placa frontal del motor, tipo de montaje, longitud, corriente de fase, temperatura de operación, voltaje de fase, pasos por revolución y cableado.
Leer pasaporte del motor
Para el siguiente paso, se utilizará este motor unipolar. Arriba hay una tabla de datos. Y aunque es conciso, nos proporciona todo lo que necesitamos para un funcionamiento adecuado. Veamos qué hay en la lista:
Fase: Este es un motor unipolar de cuatro fases. El motor interno puede tener cualquier cantidad de bobinas reales, pero en este caso se agrupan en cuatro fases, que se pueden controlar de forma independiente.
Paso angular: con una resolución aproximada de 1.8 grados por paso, obtenemos 200 pasos por revolución. Aunque esta es una resolución mecánica, con la ayuda de la microunión podemos aumentar esta resolución sin ningún cambio en el motor (más sobre esto en el paso 5).
Voltaje: El voltaje nominal de este motor es de 3 voltios. Esta es una función de la corriente y la resistencia nominal del motor (Ley de Ohm V = IR, por lo tanto 3V = 2A * 1.5Ω)
Corriente: ¿cuánta corriente necesita este motor? ¡Dos amperios por fase! Esta cifra será importante al elegir nuestros transistores de potencia para el circuito de control básico.
Resistencia: 1.5 ohmios por fase limitará la corriente que podemos suministrar a cada fase.
Inductancia: 2.5 mH. La naturaleza inductiva de las bobinas del motor limita la velocidad de carga de las bobinas.
Momento de retención: esta es la cantidad de fuerza real que podemos crear cuando se aplica voltaje al motor paso a paso.
Momento de retención: este es el momento de retención que podemos esperar del motor cuando no está energizado.
Clase de aislamiento: la clase B es parte del estándar NEMA y nos da una calificación de 130 grados centígrados. Los motores paso a paso no son muy eficientes, y el consumo constante de corriente máxima significa que se calientan mucho durante el funcionamiento normal.
Indicadores de bobinado: diámetro del cable 0.644 mm., Número de vueltas de diámetro 15.5, sección transversal 0.326 mm2
Detección de par de bobinas
Aunque la resistencia de los devanados de la bobina puede variar de un motor a otro, si tiene un multímetro, puede medir la resistencia en cualquiera de los dos cables, si la resistencia es <10 ohmios, ¡probablemente haya encontrado un par! Esto es básicamente un proceso de error de prueba, pero debería funcionar para la mayoría de los motores a menos que tenga un número de pieza / especificación.
Paso 4: control directo de motores paso a paso
Debido a la ubicación de los cables en un motor unipolar, podemos encender las bobinas secuencialmente usando solo MOSFET de potencia simples. La figura anterior muestra un circuito simple con un transistor MOS. Esta disposición le permite controlar simplemente el nivel lógico utilizando un microcontrolador externo. En este caso, la forma más fácil es usar una placa base Intel Edison con un estilo de placa de circuito Arduinopara acceder fácilmente al GPIO (sin embargo, cualquier micro con cuatro GPIO funcionará). El MOSFET de alta potencia de canal N IRF510 se utiliza para este circuito. El IRF510, capaz de consumir hasta 5.6 amperios, tendrá suficiente potencia libre para satisfacer las necesidades del motor a 2 amperios. Los LED no son necesarios, pero le darán una buena confirmación visual de la secuencia de trabajo. Es importante tener en cuenta que el IRF510 debe tener un nivel lógico de al menos 5 V para que pueda consumir suficiente corriente para el motor. La potencia del motor en este circuito será de 3 V.
Secuencia de trabajo
El control total de un motor unipolar con esta configuración es muy simple. Para rotar el motor, necesitamos activar las fases en el modo dado para que gire correctamente. Para rotar el motor en sentido horario, controlaremos las fases de la siguiente manera: A1, B1, A2, B2. Para rotar en sentido antihorario, simplemente cambiamos la dirección de la secuencia a B2, A2, B1, A1. Esto es bueno para el control básico, pero ¿qué pasa si desea más precisión y menos trabajo? ¡Hablemos sobre el uso de un controlador dedicado para hacer las cosas mucho más fáciles!
Paso 5: tableros de controlador de motor paso a paso
Si desea comenzar a controlar motores bipolares (o motores unipolares en una configuración bipolar), debe llevar una placa de control de controlador especial. La foto de arriba muestra el Big Easy Driver y la placa de soporte para el controlador de motor paso a paso A4988. Ambas placas son placas de circuito impreso para el controlador de motor paso a paso Allegro A4988 de dos polos, que es, con mucho, uno de los chips más comunes para conducir motores paso a paso pequeños. Además de tener los puentes d dobles necesarios para controlar un motor bipolar, estas placas ofrecen muchas opciones para un embalaje pequeño y económico.
Instalación
Estas placas universales tienen una conexión sorprendentemente baja. Puede comenzar a controlar el motor usando solo tres conexiones (solo dos GPIO) con su controlador principal: terreno común, inclinación y dirección. El paso y su dirección permanecen flotantes, por lo que debe vincularlos al voltaje de referencia con una resistencia de carga. El pulso enviado al pin STEP moverá el motor un paso a una resolución de acuerdo con los pines de referencia de micropaso. El nivel lógico en el pin DIR determina si el motor girará en sentido horario o antihorario.
Motor microstep
Dependiendo de cómo estén instalados los pines M1, M2 y M3, puede lograr una mayor resolución del motor por microsteping. El microstep incluye el envío de una variedad de pulsos para tirar del motor entre la resolución electromagnética de los imanes físicos en el rotor, proporcionando un control muy preciso. A4988 puede pasar del paso completo a la resolución del decimosexto paso. Con nuestro motor de 1.8 grados, esto proporcionará hasta 3200 pasos por revolución. ¡Habla sobre los pequeños detalles!
Códigos / Bibliotecas
Conectar motores puede ser fácil, pero ¿qué hay de controlarlos? Eche un vistazo a estas bibliotecas de códigos ya preparadas para el control del motor paso a paso:
Paso a paso - El clásico integrado en el Arduino IDE le permite realizar un paso básico y controlar la velocidad de rotación.
Acelerar paso a paso - Una biblioteca mucho más completa que le permite controlar mejor varios motores y proporciona la correcta aceleración y desaceleración del motor.
Intel C ++ MRAA Stepper - Una biblioteca de nivel inferior para aquellos que quieran profundizar en la gestión del motor paso a paso C ++ sin procesar con Intel Edison.
Este conocimiento debería ser suficiente para que entiendas cómo trabajar con motores paso a paso en el mundo electromecánico, pero esto es solo el comienzo.
