Перейти к содержимому

IPB Style © Fisana

Просто о подключении шаговых двигателей к ардуино

Опубликовано: 27.08.2018

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.

Принципиальная схема подключения.

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

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.

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.

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.


rss