Шаговые двигатели и моторы Ардуино

В этой статье мы поговорим о шаговых двигателях в проектах ардуино. Так же как и сервоприводы, шаговые моторы являются крайне важным элементом автоматизированных систем и робототехники. Их можно найти во многих устройствах рядом: от CD-привода до 3D-принтера или робота-манипулятора. Схема работы шаговых двигетелй, способ подключения к Arduino и примеры скетчей — все это вы найдете в этой статье.

Шаговый двигатель в Ардуино

Шаговый двигатель – это мотор, перемещающий свой вал в зависимости от заданных в программе микроконтроллера шагов и направления. Подобные устройства чаще всего используются в робототехнике, принтерах, манипуляторах, различных станках и прочих электронных приборах. Большим преимуществом шаговых двигателей над двигателями постоянного вращения является обеспечение точного углового позиционирования ротора. Также в шаговых двигателях имеется возможность быстрого старта, остановки, реверса.

Шаговый двигатель обеспечивает вращения ротора на заданный угол при соответствующем управляющем сигнале. Благодаря этому можно контролировать положение узлов механизмов и выходить в заданную позицию. Работа двигателя осуществляется следующим образом – в центральном вале имеется ряд магнитов и несколько катушек. При подаче питания создается магнитное поле, которое воздействует на магниты и заставляет вал вращаться. Такие параметры как угол поворота (шаги), направление движения задаются в программе для микроконтроллера.

Основные виды шаговых моторов:

  • Двигатели с переменными магнитами (применяются довольно редко);
  • Двигатели с постоянными магнитами;
  • Гибридные двигатели (более сложные в изготовлении, стоят дороже, но являются самым распространенным видом шаговых двигателей).

Драйвер для управления шаговым двигателем

Драйвер – это устройство, которое связывает контроллер и шаговый двигатель. Для управления биполярным шаговым двигателем чаще всего используется драйвер L298N. Работа двигателя в биполярном режиме имеет несколько преимуществ:

  • Увеличение крутящего момента на 40% по сравнению с униполярными двигателями;
  • Возможность применения двигателей с любой конфигурацией фазной обмотки.

Но существенным минусов в биполярном режиме является сложность самого драйвера. Драйвер униполярного привода требует всего 4 транзисторных ключа, для обеспечения работы драйвера биполярного привода требуется более сложная схема. С каждой обмоткой отдельно нужно проводить различные действия – подключение к источнику питания, отключение. Для такой коммутации используется схема-мост с четырьмя ключами. Самым распространенным драйвером является микросхема L298N. Этот мостовой драйвер управляет двигателем с током до 2 А и питанием до 46В. Модуль на основе драйвера L298N состоит из микросхемы L298N, системы охлаждения, клеммных колодок, разъемов для подключения сигналов, стабилизатора напряжения и защитных диодов.

Существует другой вид драйверов —  STEP/DIR драйверы. Это аппаратные модули, которые работают по протоколу STEP/DIR для связи с микроконтроллером. STEP/DIR драйверы расширяют возможности:

  • Они позволяют стабилизировать фазные токи;
  • Возможность установки микрошагового режима;
  • Обеспечение защиты ключа от замыкания;
  • Защита от перегрева;
  • Оптоизоляция сигнала управления, высокая защищенность от помех.

В STEP/DIR драйверах используется 3 сигнала:

  • STEP – импульс, который инициирует поворот на шаг/часть шага в зависимости от режима. От частоты следования импульсов будет определяться скорость вращения двигателя.
  • DIR – сигнал, который задает направление вращения. Обычно при подаче высокого сигнала производится вращение по часовой стрелке. Этот тип сигнала формируется перед импульсом STEP.
  • ENABLE – разрешение/запрет работы драйвера. С помощью этого сигнала можно остановить работу двигателя в режиме без тока удержания.

Одним из самых недорогих STEP/DIR драйверов является модуль TB6560-V2. Этот драйвер обеспечивает все необходимые функции и режимы.

Подключение шагового двигателя к Ардуино

Подключение будет рассмотрено на примере униполярного двигателя 28BYj-48 и драйвера ULN2003. В качестве платы будет использоваться Arduino Uno.

Схема подключения изображена на рисунке ниже. Управляющие выходы с драйвера IN1-IN4 подключаются к любым цифровым контактам на Ардуино. В данном случае используются цифровые контакты 8-11. Питание подключается к 5В. Также для двигателя желательно использовать отдельный источник питания, чтобы не перегрелась плата Ардуино.

Подключение шагового двигателя

Принципиальная схема подключения.

Шаговые двигатели и моторы Ардуино

Подключение биполярного двигателя через драйвер L298 выглядит похожим образом. В качестве шагового двигателя используется Nema 17.

Подключение биполярного двигателя

Для работы в программе Arduino IDE используется встроенная библиотека Stepper.

Обзор основных моделей шаговых двигателей для ардуино

Nema 17 – биполярный шаговый двигатель, который чаще всего используется в 3D принтерах и ЧПУ станках. Серия 170хHSхххА мотора является универсальной.

Nema-17

Основные  характеристики двигателя:

  • Угловой шаг 1,8°, то есть на 1 оборот приходится 200 шагов;
  • Двигатель — двухфазный;
  • Рабочие температуры от -20С до 85С;
  • Номинальный ток 1,7А;
  • Момент удержания 2,8 кг х см;
  • Оснащен фланцем 42 мм для легкого и качественного монтажа;
  • Высокий крутящий момент – 5,5 кг х см.

28BYJ-48 – униполярный шаговый двигатель. Используется в небольших проектах роботов, сервоприводных устройствах, радиоуправляемых приборах.

28BYJ-48

Характеристики двигателя:

  • Номинальное питание – 5В;
  • Основан на микросхеме ULN2003;
  • 4-хфазный двигатель, 5 проводов;
  • Угол шага 5,625°;
  • Крутящий момент 120 Гц;
  • Сопротивление постоянного тока 50Ω ± 7% (25 ℃).

Описание библиотеки для работы с шаговым двигателем

В среде разработки Ардуино IDE существует стандартная библиотека Strepper.h для написания программ шаговых двигателей. Основные функции в этой библиотеке:

  • Stepper(количество шагов, номера контактов). Эта функция создает объект Stepper, которая соответствует подключенному к плате Ардуино двигателю. Аргумент — контакты на плате, к которым подключается двигатель, и количество шагов, которые совершаются для полного оборота вокруг своей оси. Информацию о количестве шагов можно посмотреть в документации к мотору. Вместо количества шагов  может быть указан угол, который составляет один шаг. Для определения числа шагов, нужно разделить 360 градусов на это число.
  • Set Speed(long rpms) – функция, в которой указывается скорость вращения. Аргументом является положительное целое число, в котором указано количество оборотов в минуту. Задается после функции Step().
  • Step(Steps) –поворот на указанное количество шагов. Аргументом может быть либо положительное число – поворот двигателя по часовой стрелке, либо отрицательное – против часовой стрелки.

Пример скетча для управления

В наборе примеров библиотеки Stepper.h существует программа stepper_oneRevolution, в которой задаются все параметры для шагового двигателя – количество шагов, скорость, поворот.

#include <Stepper.h>

const int stepsPerRevolution = 200;

Stepper myStepper(stepsPerRevolution, 8,9,10,11); //подключение к пинам 8…11 на Ардуино

void setup() {

myStepper.setSpeed(60); //установка скорости вращения ротора

Serial.begin(9600);

}

void loop() {

//Функция ожидает, пока поступит команда, преобразовывает текст и подает сигнал на двигатель для его вращения на указанное число шагов.

Serial.println("Move right"); //по часовой стрелке

myStepper.step(stepsPerRevolution);

delay(1000);

Serial.println("Move left"); //против часовой стрелки

myStepper.step(-stepsPerRevolution);

delay(1000);

}

Заключение

В этой статье мы с вами узнали, что такое шаговый двигатель, как можно его подключить к ардуино, что такое драйвер шагового двигателя. Мы также рассмотрели пример написания скетча, использующего встроенную библиотеку Stepper. Как видим, ничего особенно сложного в работе с шаговыми моторами нет и мы рекомендуем вам обязательно поэкспериментировать самостоятельно и попробовать включить его в свой проект Arduino.

ПОДЕЛИТЬСЯ

ОСТАВЬТЕ ОТВЕТ

Please enter your comment!
Please enter your name here