สเต็ปเปอร์มอเตอร์คืออะไรและทำงานอย่างไร

ตั้งแต่เครื่องเล่นดีวีดีหรือเครื่องพิมพ์แบบธรรมดาในบ้านของคุณไปจนถึงเครื่อง CNC หรือ Robotic Arm ที่มีความซับซ้อนสูงมอเตอร์ Stepper มีให้พบได้เกือบทุกที่ ความสามารถในการควบคุมการเคลื่อนไหวที่แม่นยำด้วยระบบอิเล็กทรอนิกส์ทำให้มอเตอร์เหล่านี้พบการใช้งานในหลาย ๆ อย่างเช่นกล้องวงจรปิด, ฮาร์ดดิสก์, เครื่อง CNC, เครื่องพิมพ์ 3 มิติ, หุ่นยนต์, หุ่นยนต์ประกอบ, เครื่องตัดเลเซอร์และอื่น ๆ อีกมากมาย ในบทความนี้ให้เราเรียนรู้ว่าอะไรทำให้มอเตอร์เหล่านี้มีความพิเศษและทฤษฎีเบื้องหลัง เราจะเรียนรู้วิธีใช้แอปพลิเคชันสำหรับคุณ

ข้อมูลเบื้องต้นเกี่ยวกับ Stepper Motors

เช่นเดียวกับมอเตอร์ทุกตัวสเต็ปเปอร์มอเตอร์ยังมีสเตเตอร์และโรเตอร์แต่แตกต่างจากมอเตอร์กระแสตรงทั่วไปสเตเตอร์ประกอบด้วยขดลวดแต่ละชุด จำนวนขดลวดจะแตกต่างกันไปตามประเภทของสเต็ปเปอร์มอเตอร์แต่ตอนนี้เพียงแค่เข้าใจว่าในสเต็ปเปอร์มอเตอร์โรเตอร์ประกอบด้วยเสาโลหะและแต่ละขั้วจะถูกดึงดูดโดยชุดขดลวดในสเตเตอร์ แผนภาพด้านล่างแสดงสเต็ปมอเตอร์ที่มีเสาสเตเตอร์ 8 เสาและเสาโรเตอร์ 6 เสา

หากคุณดูที่ขดลวดบนสเตเตอร์พวกมันจะถูกจัดเรียงในรูปของคู่ขดลวดเช่น A และ A 'สร้างคู่ B และ B' เป็นคู่และอื่น ๆ ดังนั้นขดลวดแต่ละคู่จึงสร้างแม่เหล็กไฟฟ้าและสามารถรวมพลังแยกกันได้โดยใช้วงจรขับ เมื่อขดลวดได้รับพลังงานจะทำหน้าที่เป็นแม่เหล็กและขั้วของโรเตอร์จะอยู่ในแนวเดียวกันเมื่อโรเตอร์หมุนเพื่อปรับตัวเองให้สอดคล้องกับสเตเตอร์จะเรียกว่าเป็นขั้นตอนเดียว ในทำนองเดียวกันการเพิ่มพลังให้กับขดลวดตามลำดับเราสามารถหมุนมอเตอร์ในขั้นตอนเล็ก ๆ เพื่อให้การหมุนสมบูรณ์

ประเภทของสเต็ปเปอร์มอเตอร์

ส่วนใหญ่มีสเต็ปเปอร์มอเตอร์สามประเภทตามโครงสร้างซึ่ง ได้แก่:

• มอเตอร์สเต็ปแบบไม่เต็มใจแบบปรับเปลี่ยนได้: มีโรเตอร์แกนเหล็กซึ่งดึงดูดเข้าหาเสาสเตเตอร์และให้การเคลื่อนไหวโดยไม่เต็มใจขั้นต่ำระหว่างสเตเตอร์และโรเตอร์
• มอเตอร์แม่เหล็กถาวร: มีโรเตอร์แม่เหล็กถาวรและถูกขับไล่หรือดึงดูดเข้าหาสเตเตอร์ตามพัลส์ที่ใช้
• มอเตอร์สเต็ปเปอร์แบบซิงโครนัสแบบไฮบริด: เป็นการรวมกันของมอเตอร์สเต็ปเปอร์แม่เหล็กถาวร

นอกจากนี้เรายังสามารถแบ่งประเภทของสเต็ปเปอร์มอเตอร์เป็นUnipolar และ Bipolarตามประเภทของขดลวดสเตเตอร์

• Bipolar Stepper Motor: ขดลวดสเตเตอร์ของมอเตอร์ประเภทนี้จะไม่มีลวดทั่วไป การขับเคลื่อนของมอเตอร์สเต็ปเปอร์ประเภทนี้มีความแตกต่างและซับซ้อนและไม่สามารถออกแบบวงจรการขับขี่ได้อย่างง่ายดายหากไม่มีไมโครคอนโทรลเลอร์
• Unipolar Stepper Motor: ในสเต็ปเปอร์มอเตอร์ประเภทนี้เราสามารถแตะตรงกลางของขดลวดเฟสทั้งสองสำหรับกราวด์ทั่วไปหรือสำหรับกำลังไฟฟ้าทั่วไปดังที่แสดงด้านล่าง ทำให้ง่ายต่อการขับมอเตอร์มีหลายประเภทใน Unipolar stepper motor เช่นกัน

โอเคแตกต่างจากมอเตอร์กระแสตรงธรรมดาตัวนี้มีสายไฟห้าสีที่มีสีแฟนซีทั้งหมดออกมาและทำไมถึงเป็นเช่นนั้น? เพื่อให้เข้าใจสิ่งนี้ก่อนอื่นเราควรรู้ว่าสเต็ปเปอร์ที่เราพูดถึงไปแล้วเป็นอย่างไร แรกของทุก steppers มอเตอร์ไม่หมุน, พวกเขาก้าวและเพื่อให้พวกเขายังเป็นที่รู้จัก มอเตอร์ขั้นตอนความหมายพวกเขาจะก้าวไปทีละก้าวเท่านั้น มอเตอร์เหล่านี้มีลำดับของขดลวดอยู่ในตัวและขดลวดเหล่านี้จะต้องได้รับการกระตุ้นในลักษณะเฉพาะเพื่อให้มอเตอร์หมุน เมื่อขดลวดแต่ละตัวกำลังขับเคลื่อนมอเตอร์จะก้าวไปอีกขั้นและลำดับของการเพิ่มพลังจะทำให้มอเตอร์ทำตามขั้นตอนต่อเนื่องจึงทำให้หมุนได้ ให้เราดูที่ขดลวดที่อยู่ภายในมอเตอร์เพื่อให้ทราบว่าสายไฟเหล่านี้มาจากไหน

ที่คุณสามารถดูมอเตอร์มีunipolar จัดขดลวด มีสี่ขดลวดที่ต้องได้รับการกระตุ้นในลำดับเฉพาะ สายไฟสีแดงจะมาพร้อมกับ + 5V และอีกสี่สายที่เหลือจะถูกดึงลงกราวด์เพื่อเรียกขดลวดตามลำดับ เราใช้ไมโครคอนโทรลเลอร์เพื่อเพิ่มพลังให้กับขดลวดเหล่านี้ตามลำดับที่เฉพาะเจาะจงและทำให้มอเตอร์ทำงานได้ตามจำนวนขั้นตอนที่ต้องการ มีลำดับมากมายที่คุณสามารถใช้ได้โดยปกติจะใช้ 4 ขั้นตอน และเพื่อการควบคุมที่แม่นยำยิ่งขึ้นสามารถใช้การควบคุม 8 ขั้นตอน ได้ ตารางลำดับสำหรับการควบคุม 4 ขั้นตอนแสดงอยู่ด้านล่าง

ขั้นตอน	คอยล์เติมพลัง
ขั้นตอนที่ 1	A และ B
ขั้นตอนที่ 2	B และ C
ขั้นตอนที่ 3	C และ D
ขั้นตอนที่ 4	D และ A

แล้วทำไมมอเตอร์นี้ถึงเรียกว่า 28-BYJ48 ? อย่างจริงจัง!!! ฉันไม่รู้ ไม่มีเหตุผลทางเทคนิคสำหรับการตั้งชื่อมอเตอร์นี้ บางทีเราไม่ควรดำน้ำลึกลงไปมากนัก ให้เราดูข้อมูลทางเทคนิคที่สำคัญบางส่วนที่ได้รับจากแผ่นข้อมูลของมอเตอร์นี้ในภาพด้านล่าง

นั่นคือส่วนหัวที่เต็มไปด้วยข้อมูล แต่เราต้องดูข้อมูลสำคัญบางอย่างเพื่อให้ทราบว่าเราใช้สเต็ปเปอร์ประเภทใดเพื่อให้เราสามารถตั้งโปรแกรมได้อย่างมีประสิทธิภาพ ก่อนอื่นเรารู้ว่ามันเป็นมอเตอร์ 5V Stepper เนื่องจากเรารวมพลังสายสีแดงด้วย 5V จากนั้นเราก็รู้ว่ามันเป็นมอเตอร์สเต็ปสี่เฟสเนื่องจากมีขดลวดสี่ขดอยู่ในนั้น ตอนนี้อัตราทดเกียร์จะเป็น 1:64 ซึ่งหมายความว่าเพลาที่คุณเห็นภายนอกจะทำให้การหมุนสมบูรณ์เพียงครั้งเดียวก็ต่อเมื่อมอเตอร์ภายในหมุนได้ 64 ครั้ง เนื่องจากเกียร์ที่เชื่อมต่อระหว่างมอเตอร์และเพลาส่งออกเกียร์เหล่านี้ช่วยในการเพิ่มแรงบิด

ข้อมูลสำคัญอีกอย่างที่ต้องสังเกตคือ Stride Angle: 5.625 ° / 64 ซึ่งหมายความว่ามอเตอร์เมื่อทำงานในลำดับ 8 ขั้นตอนจะเคลื่อนที่ไป 5.625 องศาสำหรับแต่ละขั้นตอนและจะใช้เวลา 64 ขั้นตอน (5.625 * 64 = 360) เพื่อทำการหมุนเต็มหนึ่งครั้ง

การคำนวณขั้นตอนต่อการปฏิวัติสำหรับ Stepper Motor

สิ่งสำคัญคือต้องรู้วิธีคำนวณขั้นตอนต่อการปฏิวัติสำหรับมอเตอร์สเต็ปเปอร์ของคุณเพราะจากนั้นคุณจะสามารถตั้งโปรแกรม / ขับเคลื่อนได้อย่างมีประสิทธิภาพ

สมมติว่าเราจะใช้งานมอเตอร์ในลำดับ 4 ขั้นตอนดังนั้นมุมก้าวจะเป็น 11.25 °เนื่องจากเป็น 5.625 ° (ระบุในแผ่นข้อมูล) สำหรับลำดับ 8 ขั้นตอนจะเป็น 11.25 ° (5.625 * 2 = 11.25)

ขั้นตอนต่อการปฏิวัติ = มุม 360 / ขั้นตอนที่ นี่ 360/11.25 = 32 ขั้นต่อการปฏิวัติ

ทำไมเราถึงต้องการโมดูลไดรเวอร์สำหรับ Stepper Motors

มอเตอร์สเต็ปเปอร์ส่วนใหญ่ จะทำงานด้วยความช่วยเหลือของโมดูลไดรเวอร์เท่านั้น เนื่องจากโมดูลคอนโทรลเลอร์ (ไมโครคอนโทรลเลอร์ / วงจรดิจิตอล) ไม่สามารถจ่ายกระแสไฟฟ้าจากพิน I / O ได้เพียงพอเพื่อให้มอเตอร์ทำงาน ดังนั้นเราจะใช้โมดูลภายนอกเช่น ULN2003 โมดูลเป็น คนขับมอเตอร์โมดูลไดรเวอร์มีหลายประเภทและระดับของโมดูลจะเปลี่ยนไปตามประเภทของมอเตอร์ที่ใช้ หลักการหลักสำหรับโมดูลไดรเวอร์ทั้งหมดคือการจ่ายกระแสไฟฟ้าให้เพียงพอสำหรับมอเตอร์ที่จะทำงาน นอกจากนั้นยังมีโมดูลไดรเวอร์ซึ่งมีตรรกะที่ตั้งโปรแกรมไว้ล่วงหน้า แต่เราจะไม่พูดถึงในที่นี้

หากคุณอยากรู้วิธีหมุนมอเตอร์สเต็ปเปอร์โดยใช้ไมโครคอนโทรลเลอร์และ IC ไดรเวอร์เราได้กล่าวถึงบทความมากมายเกี่ยวกับการทำงานของไมโครคอนโทรลเลอร์ที่แตกต่างกัน:

• การเชื่อมต่อ Stepper Motor กับ Arduino Uno
• การเชื่อมต่อ Stepper Motor กับ STM32F103C8
• การเชื่อมต่อ Stepper Motor กับไมโครคอนโทรลเลอร์ PIC
• การเชื่อมต่อ Stepper Motor กับ MSP430G2
• Stepper Motor เชื่อมต่อกับไมโครคอนโทรลเลอร์ 8051
• Stepper Motor Control พร้อม Raspberry Pi

ตอนนี้ฉันเชื่อว่าคุณมีข้อมูลเพียงพอที่จะควบคุมมอเตอร์สเต็ปเปอร์ที่คุณต้องการสำหรับโครงการของคุณ มาดูข้อดีและข้อเสียของ Stepper Motors กัน

ข้อดีของ Stepper มอเตอร์

ข้อได้เปรียบที่สำคัญอย่างหนึ่งของสเต็ปเปอร์มอเตอร์คือมีการควบคุมตำแหน่งที่ดีเยี่ยมและด้วยเหตุนี้จึงสามารถใช้สำหรับการควบคุมที่แม่นยำ นอกจากนี้ยังมีแรงบิดในการยึดเกาะที่ดีมากซึ่งทำให้เป็นตัวเลือกที่เหมาะสำหรับการใช้งานหุ่นยนต์ สเต็ปเปอร์มอเตอร์ยังถือว่ามีอายุการใช้งานสูงกว่า DC หรือเซอร์โวมอเตอร์ทั่วไป

ข้อเสียของ Stepper Motors

เช่นเดียวกับมอเตอร์ทั้งหมด Stepper Motors ก็มีข้อเสียของตัวเองเช่นกันเนื่องจากมันหมุนโดยทำตามขั้นตอนเล็ก ๆ จึงไม่สามารถทำความเร็วสูงได้ นอกจากนี้ยังใช้พลังงานในการยึดแรงบิดแม้ว่าจะเหมาะอย่างยิ่งซึ่งจะเพิ่มการใช้พลังงาน