Si vous avez déjà eu le plaisir de démonter une vieille imprimante pour économiser électronique composants, vous pouvez rencontrer de nombreux moteurs cylindriques mystérieux avec 4 fils ou plus dépassant des côtés. Avez-vous entendu le bourdonnement typique d'une imprimante 3D de bureau ou la symphonie électromécanique buggy de disques dans un lecteur de CD? Si oui, alors vous êtes confronté à un moteur pas à pas!
Les moteurs pas à pas font tourner le monde électromécanique (avec un couple plus élevé!), Mais contrairement à un moteur à courant continu conventionnel, la commande d'un moteur pas à pas nécessite un peu plus que le courant à travers deux fils. Cet article parlera de la théorie de la conception et du fonctionnement d'un moteur pas à pas. Dès que nous considérerons les bases, l'auteur de ce guide montrera comment construire des circuits simples pour contrôler les moteurs pas à pas, puis comment utiliser des microcircuits de pilotes spéciaux.
Étape 1: Qu'est-ce qui fait d'un moteur un moteur pas à pas?
Qui peut avoir besoin de plus de deux fils et d'un pont en H? Pourquoi? Eh bien, contrairement aux moteurs à balais CC conventionnels conçus pour un régime maximal (ou kV pour RC), les moteurs pas à pas sont des moteurs sans balais conçus pour un couple élevé (puis une vitesse plus faible) et un mouvement de rotation plus précis. Alors qu'un moteur à courant continu typique est idéal pour faire tourner l'hélice à grande vitesse pour obtenir une traction maximale, un moteur pas à pas est préférable pour rouler une feuille de papier en synchronisation avec le mécanisme à jet d'encre à l'intérieur de l'imprimante ou pour faire tourner soigneusement l'arbre de rail linéaire dans une fraiseuse CNC.
À l'intérieur, les moteurs pas à pas sont plus complexes qu'un simple moteur à courant continu, avec plusieurs bobines autour du noyau avec des aimants permanents, mais avec cette complexité supplémentaire, plus de contrôle est fourni. En raison de la disposition soigneuse des bobines intégrées dans le stator, le rotor du moteur pas à pas peut tourner avec une étape donnée, changeant la polarité entre les bobines et commutant leur polarité conformément au schéma d'allumage établi. Les moteurs pas à pas ne sont pas tous identiques, et pour leur exécution interne, des schémas uniques (mais basiques) sont nécessaires. Nous discuterons des types de moteurs pas à pas les plus courants dans la prochaine étape.
Étape 2: Types de moteurs pas à pas
Il existe plusieurs modèles de moteurs pas à pas. Il s'agit notamment de la résistance unipolaire, bipolaire, universelle et variable. Nous discuterons de la conception et du fonctionnement des moteurs bipolaires et unipolaires, car il s'agit du type de moteur le plus courant.
Moteur unipolaire
Les moteurs unipolaires ont généralement cinq, six ou huit conducteurs provenant de la base et une bobine par phase. Dans le cas d'un moteur à cinq fils, le cinquième fil correspond aux prises centrales connectées des paires de bobines. Dans un moteur à six fils, chaque paire de bobines a son propre robinet central. Dans un moteur à huit fils, chaque paire de bobines est complètement séparée des autres, ce qui permet de la connecter dans différentes configurations. Ces fils supplémentaires vous permettent de piloter des moteurs unipolaires directement à partir d'un contrôleur externe avec de simples transistors pour contrôler chaque bobine séparément. Un circuit d'allumage dans lequel chaque bobine est entraînée détermine le sens de rotation de l'arbre du moteur. Malheureusement, étant donné qu'une seule bobine est fournie à la fois, le couple de maintien d'un moteur unipolaire sera toujours inférieur à celui d'un moteur bipolaire de même taille. Contournant les prises centrales d'un moteur unipolaire, il peut désormais fonctionner comme un moteur bipolaire, mais cela nécessitera un schéma de commande plus complexe. Dans la quatrième étape de cet article, nous allons piloter un moteur unipolaire, ce qui devrait clarifier certains des concepts présentés ci-dessus.
Moteur bipolaire
Les moteurs bipolaires ont généralement quatre fils et sont plus durables qu'un moteur unipolaire de taille comparable, mais comme nous n'avons qu'une seule bobine par phase, nous devons faire passer le courant à travers les bobines pour faire un pas. Notre besoin de changer le courant signifie que nous ne serons plus en mesure de contrôler les bobines directement avec un seul transistor, au lieu d'un circuit en pont en H complet. La construction du pont en H droit est fastidieuse (pour ne pas en mentionner deux!), Nous allons donc utiliser un pilote de moteur bipolaire dédié (voir étape 5).
Étape 3: Comprendre les spécifications du moteur pas à pas
Parlons de la façon de déterminer les spécifications du moteur. Si vous avez rencontré un moteur carré avec un ensemble spécifique en trois pièces (voir la figure trois), il s'agit très probablement d'un moteur NEMA. La National Association of Electrical Manufacturers a une norme spécifique pour les spécifications des moteurs qui utilise un code alphabétique simple pour déterminer le diamètre de la plaque avant du moteur, le type de montage, la longueur, le courant de phase, la température de fonctionnement, la tension de phase, les pas par tour et le câblage.
Lire le passeport du moteur
Pour l'étape suivante, ce moteur unipolaire sera utilisé. Ci-dessus, un tableau de données. Et bien qu'il soit concis, il nous fournit tout ce dont nous avons besoin pour un bon fonctionnement. Regardons ce qui est dans la liste:
Phase: Il s'agit d'un moteur unipolaire à quatre phases. Le moteur interne peut avoir un certain nombre de bobines réelles, mais dans ce cas, elles sont regroupées en quatre phases, qui peuvent être contrôlées indépendamment.
Inclinaison angulaire: Avec une résolution approximative de 1,8 degrés par pas, nous obtenons 200 pas par tour. Bien qu'il s'agisse d'une résolution mécanique, avec l'aide de la micro-jonction, nous pouvons augmenter cette résolution sans aucune modification du moteur (plus à ce sujet à l'étape 5).
Tension: La tension nominale de ce moteur est de 3 volts. Ceci est fonction du courant et de la résistance nominale du moteur (loi d'Ohm V = IR, donc 3V = 2A * 1,5Ω)
Courant: combien de courant ce moteur a-t-il besoin? Deux ampères par phase! Ce chiffre sera important lors du choix de nos transistors de puissance pour le circuit de commande de base.
Résistance: 1,5 ohms par phase limitera le courant que nous pouvons fournir à chaque phase.
Inductance: 2,5 mH. La nature inductive des bobines du moteur limite la vitesse de charge des bobines.
Moment de maintien: c'est la force réelle que nous pouvons créer lorsque la tension est appliquée au moteur pas à pas.
Moment de maintien: c'est ce moment de maintien que l'on peut attendre du moteur lorsqu'il n'est pas alimenté.
Classe d'isolation: la classe B fait partie de la norme NEMA et nous donne une cote de 130 degrés Celsius. Les moteurs pas à pas ne sont pas très efficaces et la consommation constante de courant maximum signifie qu'ils deviendront très chauds en fonctionnement normal.
Indicateurs d'enroulement: diamètre de fil 0,644 mm., Nombre de tours de diamètre 15,5, section 0,326 mm2
Détection de paire de bobines
Bien que la résistance des enroulements des bobines puisse varier d'un moteur à l'autre, si vous avez un multimètre, vous pouvez mesurer la résistance sur deux fils quelconques, si la résistance est <10 Ohms, vous en avez probablement trouvé une paire! Il s'agit essentiellement d'un processus d'erreur d'essai, mais il devrait fonctionner pour la plupart des moteurs, sauf si vous avez un numéro de pièce / spécification.
Étape 4: Contrôle direct des moteurs pas à pas
En raison de l'emplacement des fils dans un moteur unipolaire, nous pouvons activer séquentiellement les bobines en utilisant uniquement des MOSFET de puissance simples. La figure ci-dessus montre un circuit simple avec un transistor MOS. Cette disposition vous permet de contrôler simplement le niveau logique à l'aide d'un microcontrôleur externe. Dans ce cas, le moyen le plus simple consiste à utiliser une carte Intel Edison avec une carte de brassage basée sur le style. Arduinopour accéder facilement au GPIO (cependant, tout micro avec quatre GPIO fera l'affaire). Le MOSFET haute puissance à canal N IRF510 est utilisé pour ce circuit. L'IRF510, capable de consommer jusqu'à 5,6 ampères, aura suffisamment de puissance libre pour répondre aux exigences du moteur de 2 ampères. Les LED ne sont pas nécessaires, mais elles vous donneront une bonne confirmation visuelle de la séquence de travail. Il est important de noter que l'IRF510 doit avoir un niveau logique d'au moins 5 V pour pouvoir consommer suffisamment de courant pour le moteur. La puissance du moteur dans ce circuit sera de 3 V.
Séquence de travail
Le contrôle total d'un moteur unipolaire avec ce réglage est très simple. Pour faire tourner le moteur, nous devons activer les phases dans le mode donné afin qu'il tourne correctement. Pour faire tourner le moteur dans le sens horaire, nous contrôlerons les phases comme suit: A1, B1, A2, B2. Pour tourner dans le sens antihoraire, nous changeons simplement la direction de la séquence en B2, A2, B1, A1. C'est bon pour le contrôle de base, mais que faire si vous voulez plus de précision et moins de travail? Parlons de l'utilisation d'un pilote dédié pour rendre les choses beaucoup plus faciles!
Étape 5: cartes de commande de moteur pas à pas
Si vous souhaitez commencer à contrôler les moteurs bipolaires (ou les moteurs unipolaires dans une configuration bipolaire), vous devez prendre une carte de commande de pilote spéciale. La photo ci-dessus montre le Big Easy Driver et la carte de support pour le pilote de moteur pas à pas A4988. Ces deux cartes sont des cartes de circuits imprimés pour le pilote de moteur pas à pas à deux pôles Allegro A4988, qui est de loin l'une des puces les plus courantes pour la commande de petits moteurs pas à pas. En plus d'avoir les doubles ponts en H nécessaires pour contrôler un moteur bipolaire, ces cartes offrent de nombreuses options pour un emballage minuscule et peu coûteux.
L'installation
Ces cartes universelles ont une connexion incroyablement faible. Vous pouvez commencer à contrôler le moteur en utilisant seulement trois connexions (seulement deux GPIO) avec votre contrôleur principal: masse commune, pas et direction. Le pas de pas et sa direction restent flottants, vous devez donc les lier à la tension de référence avec une résistance de charge. L'impulsion envoyée à la broche STEP déplace le moteur d'un pas à une résolution conforme aux broches de référence à micropas. Le niveau logique au niveau de la broche DIR détermine si le moteur tournera dans le sens horaire ou antihoraire.
Moteur Microstep
Selon la façon dont les broches M1, M2 et M3 sont installées, vous pouvez obtenir une résolution de moteur accrue par micropas. Le micropas comprend l'envoi d'une variété d'impulsions pour tirer le moteur entre la résolution électromagnétique des aimants physiques dans le rotor, offrant un contrôle très précis. A4988 peut passer de l'étape complète à la résolution de la seizième étape. Avec notre moteur de 1,8 degrés, cela fournira jusqu'à 3200 pas par révolution. Parlez des petits détails!
Codes / bibliothèques
La connexion des moteurs peut être facile, mais qu'en est-il de les contrôler? Découvrez ces bibliothèques de codes prêtes à l'emploi pour le contrôle des moteurs pas à pas:
Stepper - Le classique intégré à l'Arduino IDE vous permet d'effectuer une étape de base et de contrôler la vitesse de rotation.
Accel stepper - Une bibliothèque beaucoup plus complète qui vous permet de mieux contrôler plusieurs moteurs et fournit l'accélération et la décélération correctes du moteur.
Stepper Intel C ++ MRAA - Une bibliothèque de niveau inférieur pour ceux qui veulent se plonger dans la gestion du moteur pas à pas C ++ brut à l'aide d'Intel Edison.
Cette connaissance devrait vous suffire pour comprendre comment travailler avec des moteurs pas à pas dans le monde électromécanique, mais ce n'est qu'un début.
