Silniki krokowe

#13 Silniki krokowe - dobór, podłączenie i przykład użycia (Marzec 2019).

Anonim

Silniki krokowe

Obwody cyfrowe


Pytanie 1

Nie siedź tam! Zbuduj coś !!

Nauka analizy obwodów cyfrowych wymaga wielu badań i praktyki. Zazwyczaj uczniowie ćwiczą poprzez pracę z wieloma problemami i sprawdzanie swoich odpowiedzi w porównaniu z tymi dostarczonymi przez podręcznik lub instruktora. Chociaż jest to dobre, istnieje o wiele lepszy sposób.

Dowiesz się o wiele więcej, budując i analizując rzeczywiste obwody, pozwalając swojemu sprzętowi testowemu dostarczać "odpowiedzi" zamiast książki lub innej osoby. Aby odnieść sukces w budowaniu obwodów, wykonaj następujące kroki:

  1. Narysuj schemat obwodu cyfrowego, który ma być analizowany.
  2. Ostrożnie zbuduj ten obwód na płytce protezowej lub innym dogodnym podłożu.
  3. Sprawdź dokładność konstrukcji obwodu, po każdym przewodzie do każdego punktu połączenia i sprawdzaj te elementy jeden po drugim na schemacie.
  4. Przeanalizuj obwód, określając wszystkie wyjściowe stany logiczne dla danych warunków wejściowych.
  5. Dokładnie zmierz te stany logiczne, aby zweryfikować dokładność analizy.
  6. W przypadku wystąpienia błędów, dokładnie sprawdź konstrukcję obwodu względem schematu, a następnie dokładnie przeanalizuj obwód i zmień ponownie.

Zawsze upewnij się, że poziomy napięcia zasilania są zgodne ze specyfikacją obwodów logicznych, których zamierzasz używać. Jeśli TTL, zasilacz musi być 5 woltowym regulowanym zasilaniem, dostosowanym do wartości możliwie zbliżonej do 5, 0 woltów prądu stałego.

Jednym ze sposobów zaoszczędzenia czasu i zmniejszenia prawdopodobieństwa błędu jest rozpoczęcie od bardzo prostego obwodu i stopniowe dodawanie składników w celu zwiększenia jego złożoności po każdej analizie, zamiast budowania zupełnie nowego obwodu dla każdego problemu praktycznego. Inną techniką oszczędzającą czas jest ponowne użycie tych samych komponentów w różnych konfiguracjach obwodów. W ten sposób nie będziesz musiał zmierzyć wartości żadnego składnika więcej niż jeden raz.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Pozwól, by elektrony same udzieliły odpowiedzi na twoje własne "problemy praktyczne"!

Uwagi:

Z mojego doświadczenia wynika, że ​​studenci potrzebują wielu ćwiczeń z analizą obwodów, aby stać się biegły. W tym celu instruktorzy zwykle zapewniają swoim uczniom wiele problemów związanych z praktyką i udzielają odpowiedzi uczniom, którzy mogą sprawdzić swoją pracę. Takie podejście sprawia, że ​​uczniowie biegle posługują się teorią obwodów, ale nie potrafią ich w pełni wykształcić.

Uczniowie nie potrzebują jedynie praktyki matematycznej. Potrzebują także prawdziwych, praktycznych ćwiczeń w budowaniu obwodów i korzystaniu z urządzeń testowych. Sugeruję następujące alternatywne podejście: uczniowie powinni budować własne "problemy praktyczne" z rzeczywistymi komponentami i próbować przewidzieć różne stany logiczne. W ten sposób teoria cyfrowa "ożywa", a uczniowie zyskują praktyczną biegłość, której nie zdobędą jedynie przez rozwiązywanie równań Boole'a lub upraszczanie map Karnaugha.

Innym powodem zastosowania tej metody jest nauczenie studentów metody naukowej : proces testowania hipotezy (w tym przypadku prognozy stanu logicznego) poprzez przeprowadzenie prawdziwego eksperymentu. Uczniowie będą również rozwijać prawdziwe umiejętności rozwiązywania problemów, ponieważ czasami popełniają błędy konstrukcyjne obwodu.

Spędź kilka chwil ze swoją klasą, aby zapoznać się z niektórymi "zasadami" budowania obwodów przed ich rozpoczęciem. Porozmawiaj o tych problemach ze swoimi uczniami w taki sam sposób, w jaki zwykle omawiasz pytania z arkusza roboczego, zamiast po prostu mówić im, czego powinni i czego nie powinni robić. Nigdy nie przestaje mnie dziwić, jak słabo studenci chwytają instrukcje, gdy są prezentowane w typowym wykładzie (monolog instruktorski)!

Bardzo polecam układy logiczne CMOS do eksperymentów domowych, w których uczniowie mogą nie mieć dostępu do regulowanego zasilacza 5-woltowego. Współczesne obwody CMOS są dużo bardziej odporne na wyładowania elektrostatyczne niż pierwsze obwody CMOS, więc obawy studentów, że szkodzą tym urządzeniom przez brak "właściwego" laboratorium w domu, są w dużej mierze bezpodstawne.

Uwaga dla instruktorów, którzy mogą narzekać na "zmarnowany" czas wymagany do tego, aby uczniowie zbudowali rzeczywiste obwody zamiast tylko matematycznej analizy obwodów teoretycznych:

Jaki jest cel studentów, którzy biorą udział w kursie "itemsheetpanel panel-default" itemscope>

pytanie 2

W tym obwodzie mikrokontroler steruje obrotem specjalnego silnika znanego jako silnik krokowy poprzez sekwencyjne aktywowanie jednego tranzystora na raz (w ten sposób zasilając jedną cewkę silnika jednocześnie). Przy każdym kroku sekwencji silnik obraca się o stałą liczbę stopni, zwykle o 1, 8 stopnia na krok:

Każda cewka silnika wytwarza stosunkowo duży prąd po zasileniu, co wymaga tranzystorów do "wstawiania" pomiędzy wyjściami mikrokontrolera a cewkami silnika.

Określ, jaki rodzaj sygnału logicznego ("high" lub "low") z portów wyjściowych mikrokontrolera jest potrzebny do zasilania każdego tranzystora. Pokaż również, w jaki sposób można zmniejszyć straty mocy i liczbę części, zastępując każdy tranzystor z dwubiegunowym złączem odpowiednim tranzystorem MOSFET na poniższym schemacie:

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Każda cewka silnika krokowego staje się pod napięciem, gdy odpowiednie wyjście mikrokontrolera przechodzi w stan "niski" (potencjał masy).

Pytanie uzupełniające: czy rezystory musiałyby pozostać na miejscu, czy zmodyfikowany obwód (MOSFET zamiast BJT) nadal działa poprawnie "notatki ukryte"> Uwagi:

Celem tego rozwlekłego pytania jest nie tylko po to, aby uczniowie wymyślili, jak zamienić BJT na MOSFET, ale także aby wprowadzić je do koncepcji mikrokontrolera, który jest urządzeniem o rosnącym znaczeniu w nowoczesnych systemach elektronicznych.

W tym obwodzie nie pokazano żadnych diod przełączających, ze względu na prostotę. Jeśli którykolwiek uczeń zapyta o to, pochwal go za uwagę!

pytanie 3

Cewki silników krokowych zwykle pobierają dużo prądu, co wymaga użycia tranzystorów mocy do "buforowania" obwodu sterującego do silnika. Typowy układ napędu końcowego silnika krokowego wygląda mniej więcej tak (pokazano tylko jeden z czterech tranzystorów wyjściowych, dla zwięzłości):

Dioda jest zainstalowana, oczywiście, aby zapobiec przepięciom wysokiego napięcia przed zniszczeniem tranzystora wyjściowego przy każdym wyłączeniu. Powoduje to jednak inny problem: z obecnymi diodami wolnobieżnymi pole magnetyczne utworzone w każdej cewce trwa dłużej, aby "zepsuć się", gdy jej odpowiedni tranzystor się wyłączy. To opóźnienie w czasie narzuca maksymalną prędkość obrotową na silniku krokowym, ponieważ silnik nie przejdzie do następnego etapu, dopóki pola magnetyczne z poprzedniego etapu nie rozproszą się.

Jakie modyfikacje można wprowadzić w tym obwodzie, aby umożliwić szybsze przełączanie tranzystorów, napędzając silnik krokowy z większą prędkością obrotową "# 3"> Odsłoń odpowiedź Ukryj odpowiedź

Nie wyjaśniam dokładnie, dlaczego to rozwiązanie działa, ale pozwolę, aby Michael Faraday dał ci matematyczną "podpowiedź:"

v = N d φ


dt

Pytanie uzupełniające: jakie czynniki określają rezystancję nowego rezystora pokazaną na schemacie "uwagi ukryte"> Uwagi:

Poproś uczniów, aby opisali szybkość zmiany strumienia magnetycznego w każdej cewce po wyłączeniu tranzystora, bez diod komutujących (zakładając, że tranzystor może wytrzymać przejściowe napięcia wytwarzane przez cewkę indukcyjną). Powinno stać się jasne dla twoich uczniów, że włączenie diod, aby zapobiec wysokim skokom napięcia, dosłownie stwarza problem czasu zaniku pola magnetycznego.

Pytanie 4

Ten obwód rejestru przesuwnego napędza cztery cewki jednobiegunowego silnika krokowego, po jednym na raz, w układzie rotacyjnym, który porusza się w tempie zegara. Układ tranzystorowy napędu (Q 1, Q 2 i rezystory R 2 do R 6 ) pokazano tylko dla jednej z czterech cewek. Pozostałe trzy rejestry rejestru przesuwnego mają identyczne obwody napędowe podłączone do odpowiednich cewek silnika:

Załóżmy, że ten obwód silnika krokowego działał dobrze przez kilka lat, po czym nagle przestał działać. Wyjaśnij, gdzie wykonasz kilka pierwszych pomiarów, aby wyizolować problem i dlaczego chcesz go zmierzyć.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Pierwszym krokiem byłoby sprawdzenie obecności odpowiedniej mocy prądu stałego zarówno dla układu rejestru przesuwnego, jak i dla silnika (obwód napędu tranzystora). Następnie użyłbym woltomierza lub sondy logicznej do sprawdzenia pulsowania na dowolnym z wyjść Q rejestru przesuwnego. To by mi powiedziało, czy problem dotyczył rejestru przesuwnego, czy też obwodów mocy.

Uwagi:

To jest dobre pytanie do omówienia z uczniami, ponieważ pomaga im zrozumieć, jak "dzielić i rządzić" wadliwie działającym systemem.

Pytanie 5

Silniki krokowe są często używane w serwomechanizmach o małej mocy, takich jak te znajdujące się w małych robotach, drukarkach komputerowych i innych precyzyjnych maszynach elektromechanicznych. Wyjaśnij, dlaczego ten typ silnika elektrycznego jest bardziej popularny niż silniki prądu stałego z magnesami trwałymi lub inne typy silników. Wskazówka: odpowiedź jest ściśle związana z nazwą samego silnika ("stepper").

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

W przeciwieństwie do innych typów silników, silniki krokowe poruszają się w dyskretnych "krokach", bardzo dobrze nadając się do cyfrowych trybów sterowania położeniem.

Uwagi:

Upewnij się, że uczniowie mają szansę poczuć ruch silnika krokowego we własnych rękach, gdy omawiasz silniki krokowe w klasie. Jeśli nie masz dostępnych silników krokowych, można je łatwo uzyskać, odzyskując części ze zużytych drukarek komputerowych!

  • ← Poprzedni arkusz roboczy

  • Indeks arkusza roboczego

  • Następny arkusz roboczy →