Què és el motor pas a pas i com funciona

Des d’un simple reproductor de DVD o impressora de casa fins a una màquina CNC molt sofisticada o un robot braç, els motors Stepper es troben gairebé a tot arreu. La seva capacitat per fer moviments precisos controlats electrònicament han fet que aquests motors puguin aplicar-se a molts fèlids com càmeres de vigilància, disc dur, màquines CNC, impressores 3D, robòtica, robots de muntatge, talladors làser i molt més. En aquest article, aprenem què fa que aquests motors siguin especials i la teoria que hi ha al darrere. Aprendrem a utilitzar una aplicació per a vosaltres.

Introducció als motors pas a pas

Com tots els motors, els motors pas a pas també tenen un estator i un rotor, però a diferència d’un motor de corrent continu normal, l’estator consta de conjunts individuals de bobines. El nombre de bobines variarà en funció del tipus de motor pas a pas, però per ara només heu d’entendre que en un motor pas a pas el rotor consta de pols metàl·lics i cada pol serà atret per un conjunt de bobines a l’estator. El diagrama següent mostra un motor pas a pas amb 8 pols d’estator i 6 pols de rotor.

Si doneu un cop d'ull a les bobines de l'estator, es disposen en termes de parells de bobines, com A i A 'forma un parell B i B' forma un parell, etc. Per tant, cadascun d’aquests parells de bobines forma un electroimant i es pot energitzar individualment mitjançant un circuit de controladors. Quan una bobina s’energia, actua com un imant i el pol del rotor s’alinea amb ella, quan el rotor gira per ajustar-se per alinear-se amb l’estator, s’anomena un pas. De la mateixa manera, energitzant les bobines en una seqüència, podem girar el motor en petits passos per fer una rotació completa.

Tipus de motors pas a pas

Hi ha principalment tres tipus de motors pas a pas basats en la construcció, que són:

Motor pas a pas de reluctància variable: tenen un rotor de nucli de ferro que s’atrau cap als pols de l’estator i proporciona moviment mitjançant una mínima reticència entre l’estator i el rotor.
Motor pas a pas d’imant permanent: tenen rotor d’imant permanent i són repel·lits o atrets cap a l’estator segons els impulsos aplicats.
Motor pas a pas síncron híbrid: són una combinació de reluctància variable i motor pas a pas d’imant permanent.

A part d'això, també podem classificar els motors pas a pas com a unipolars i bipolars en funció del tipus de bobinatge de l'estator.

Motor pas a pas bipolar: les bobines de l’estator d’aquest tipus de motors no tindran un cable comú. La conducció d’aquest tipus de motor pas a pas és diferent i complexa i, a més, el circuit de conducció no es pot dissenyar fàcilment sense un microcontrolador.
Motor pas a pas unipolar: en aquest tipus de motor pas a pas podem agafar el toc central dels dos bobinats de fase per obtenir un terreny comú o per obtenir una potència comuna, tal com es mostra a continuació. Això facilita la conducció dels motors, també hi ha molts tipus de motors pas a pas unipolars

D’acord, doncs, a diferència d’un motor de corrent continu normal, aquest té cinc cables de tots els colors elegants que en surten i per què és així? Per entendre-ho, primer hem de saber com es fa un pas a pas que ja hem comentat. Primer de tot, els motors pas a pas no giren, passen i, per tant, també es coneixen com a motors pas a pas. És a dir, només es mouran un pas a la vegada. Aquests motors tenen una seqüència de bobines presents i aquestes bobines s’han d’energitzar d’una manera particular per fer girar el motor. Quan cada bobina s’energia, el motor fa un pas i una seqüència d’energització farà que el motor faci passos continus, fent que giri. Fem una ullada a les bobines presents a l'interior del motor per saber exactament d'on provenen aquests cables.

Com podeu veure, el motor té una disposició de bobina unipolar de 5 derivacions. Hi ha quatre bobines que s’han d’energitzar en una seqüència particular. Els cables vermells es subministraran amb + 5 V i els quatre cables restants es tiraran a terra per activar la bobina respectiva. Utilitzem qualsevol microcontrolador per dinamitzar aquestes bobines en una seqüència particular i fer que el motor realitzi el nombre de passos requerit. De nou hi ha moltes seqüències que podeu utilitzar, normalment s'utilitza un pas de 4 i per a un control més precís també es pot utilitzar un control de 8 passos . A continuació es mostra la taula de seqüències per al control en 4 passos.

Pas

Bobina energitzada

Pas 1

A i B.

Pas 2

B i C.

Pas 3

C i D

Pas 4

D i A

Ara, per què aquest motor s’anomena 28-BYJ48 ? De debò !!! No ho sé. No hi ha cap motiu tècnic perquè aquest motor sigui anomenat així; potser no ens hi hauríem d’aprofundir molt més. Vegem algunes de les dades tècniques importants obtingudes de la fitxa tècnica d’aquest motor a la imatge següent.

Aquest és un cap ple d’informació, però hem de mirar-ne pocs importants per saber quin tipus de stepper estem utilitzant per poder-lo programar de manera eficient. Primer sabem que és un motor pas a pas de 5V ja que energitzem el fil vermell amb 5V. Després, també sabem que és un motor pas a pas de quatre fases, ja que tenia quatre bobines. Ara, la relació d’engranatges és de 1:64. Això significa que l'eix que veieu a l'exterior farà una rotació completa només si el motor a l'interior gira 64 vegades. Això es deu als engranatges connectats entre el motor i l’eix de sortida, que contribueixen a augmentar el parell.

Una altra dada important que cal notar és l’ angle de pas: 5,625 ° / 64. Això vol dir que el motor, quan funciona en seqüència de 8 passos, es mourà 5,625 graus per a cada pas i prendrà 64 passos (5,625 * 64 = 360) per completar una rotació completa.

Càlcul dels passos per revolució del motor pas a pas

És important saber calcular els passos per revolució del motor pas a pas perquè només llavors el podeu programar / conduir de manera efectiva.

Suposem que farem funcionar el motor en una seqüència de 4 passos, de manera que l’angle de pas serà de 11,25 °, ja que és de 5,625 ° (donat al full de dades) per a una seqüència de 8 passos, serà de 11,25 ° (5,625 * 2 = 11,25).

Passos per revolució = 360 / angle de pas Aquí, 360 / 11,25 = 32 passos per revolució.

Per què necessitem mòduls de controladors per a motors pas a pas?

La majoria dels motors pas a pas només funcionaran amb l'ajut d'un mòdul de controlador. Això es deu al fet que el mòdul de controlador (microcontrolador / circuit digital) no podrà proporcionar prou intensitat dels seus pins d'E / S perquè el motor funcioni. Per tant, utilitzarem un mòdul extern com el mòdul ULN2003 com a controlador de motor pas a pas. Hi ha molts tipus de mòduls de controlador i la classificació d’un canviarà en funció del tipus de motor utilitzat. El principi principal per a tots els mòduls del controlador serà generar / enfonsar prou corrent perquè el motor funcioni. A part, també hi ha mòduls de controladors que tenen la lògica preprogramada, però no en parlarem aquí.

Si teniu curiositat per saber com girar un motor pas a pas mitjançant un microcontrolador i un controlador IC, hem tractat molts articles sobre el seu funcionament amb diferents microcontroladors:

Interfície del motor pas a pas amb Arduino Uno
Interfície del motor pas a pas amb STM32F103C8
Interfase de motor pas a pas amb microcontrolador PIC
Interfície del motor pas a pas amb MSP430G2
Interfície del motor pas a pas amb el microcontrolador 8051
Control del motor pas a pas amb Raspberry Pi

Ara crec que teniu prou informació per controlar qualsevol motor pas a pas que necessiteu per al vostre projecte. Vegem l’avantatge i l’inconvenient dels motors Stepper.

Avantatges dels motors pas a pas

Un dels principals avantatges del motor pas a pas és que té un control de posició excel·lent i, per tant, es pot utilitzar per a una aplicació de control precisa. A més, té un parell de subjecció molt bo que el converteix en una opció ideal per a aplicacions robòtiques. També es considera que els motors pas a pas tenen un temps de vida elevat que el motor continu o el servo motor.

Inconvenients dels motors pas a pas

Com tots els motors, els motors pas a pas també tenen els seus propis desavantatges, ja que gira fent petits passos i no pot aconseguir velocitats elevades. També consumeix energia per mantenir el parell fins i tot quan és ideal, augmentant així el consum d'energia.