Как управлять шаговым двигателем через arduino

Режимы работы шаговых двигателей:

Для работы шагового двигателя (вне зависимости от его вида) можно выбрать один из трех режимов работы:
Полношаговый режим — ротор поворачивается на 1 шаг за 1 такт.
Полушаговый режим — ротор поворачивается на ½ шага за 1 такт.
Микрошаговый режим — ротор поворачивается на ¼, ⅛ и т.д. шагов за 1 такт.

Ниже рассмотрены режимы работы, на примере биполярного двигателя с постоянным магнитом и полным шагом 90°.

Полношаговый режим (одна фаза на полный шаг). Номинальные значения шагового двигателя указываются именно для этого режима.

Полношаговый режим (две фазы на полный шаг). Этот режим позволяет увеличить крутящий момент почти в половину от номинального.

Полушаговый режим. Этот режим позволяет увеличить количество шагов в полном обороте в два раза, при незначительном уменьшении крутящего момента.

Микрошаговый режим. Этот режим является наиболее распространённым, он позволяет увеличить количество шагов в полном обороте в четыре раза, благодаря неравномерному распределению токов в обмотках. Снижение токов можно достичь снижением напряжения (как показано на картинке) или подавать полное напряжение через подключаемую внешнюю нагрузку.

Если подавать уровни не «0» — «½» — «1» (как на картинке), а «0» — «¼» — «½» — «¾» — «1», то количество шагов в полном обороте увеличится не в 4 раза, а в 8 раз. Можно увеличить количество шагов в 16, 32, 64 раза и т.д., а если заменить дискретные уровни сигналов на синусоиды, то мотор будет вращаться плавно (без шагов).

Режимы пониженного энергопотребления — доступны только для 8-выводных двигателей. Эти режимы отличаются от обычных тем, что используют только половину фазы (половину электромагнитов). Данные режимы используются редко, так как они значительно снижают крутящий момент двигателя.

Пример использования

В качестве примера использования рассмотрим управление дроблением шага и направлением вращения шагового двигателя с платы Arduino. Нам потребуются следующие компоненты:

Плата Arduino Uno -1;
Драйвер A4988 — 1;
Шаговый двигатель NEMA17 — 1;
Потенциометр 10 кОм — 1;
Кнопка — 1;
Переключатель 2-х позиционный — 1;
Резистор 10 кОм – 3;
Провода MF — 20
Соединение деталей по схеме соединений на рис. 4.

Рисунок 4. Схема подключения для управления скоростью и направлением движения

Приступим к написанию скетча. Нажатие на кнопку включает/выключает двигатель, подавая сигнал LOW/HIGH на вход ENABLE драйвера A4988. С помощью переключателя выбираем направление вращения двигателя (сигнал с переключателя подается напрямую на вход DIR драйвера A4988). C помощью потенциометра мы выбираем один из режимов микрошага. Содержимое скетча представлено в листинге 2. двигателя с постоянной скоростью на один оборот в одну сторону, затем в другую, и далее в цикле.

Листинг 2

// пины для подключения контактов STEP, DIR const int STEP 3 int DIR 2 // для регулировки скорости — пин потенциометра #define POT A0 // для кнопки #define BUTTON 9 // для включения/выключения #define EN 8 // количество шагов на 1 оборот #define ROUND 200 // скорость двигателя #define SPEED 10 // массив пинов для MS1,MS2,MS3 int pins_steps[]={7,6,5}; int steps={ {0,0,0}, // 1 {1,0,0}, // 1/2 {0,1,0}, // 1/4 {1,1,0}, // 1/8 {1,1,1} // 1/16 }; // для кнопки int prevB=0; int tekB=0; boolean movement=false; void setup() { // режим для выводов STEP и DIR как pinModeSTEP, OUTPUT); pinMode(DIR, OUTPUT); // начальные значения digitalWrite(STEP, 1); digitalWrite(DIR, 0); // режим для enable pinMode(EN, OUTPUT); // не разрешать digitalWrite(EN, 1); // для MS1,MS2,MS3 for(int i=0;i<3;i++) { pinMode(pins_steps, OUTPUT); } } void loop() { // получить режим микрошага digitalWrite(DIR, 1); int mode=map(analogRead(POT),0,1024,0,5); // установить for(int i=0;i<3;i++) { digitalWrite(pins_steps, steps); } // сделать 1 оборот if(movement==true) { digitalWrite(STEP, 1); delay(SPEED); digitalWrite(STEP, 0); delay(SPEED); } // проверка нажатия кнопки tekB = debounce(prevB, BUTTON); if (prevB == 0 && tekB == 1) { movement=!movement; digitalWrite(EN,!movement); } prevB = tekB; } // проверка на дребезг int debounce(int prev,int pin) { int tek = digitalRead(pin); if (prev != tek) { delay(5); tek = digitalRead(pin); return tek; } }

Описание библиотеки AccelStepper

Давайте мы перейдём к интересной части нашей статьи

Это описание двух библиотек для работы с двигателями
myStepper

и
AccelStepper.

Больше буду обращать внимание на библиотеку
AccelStepper,

так как у нее больше функции, а именно:

есть возможность управлять скоростью,
поддержка различных шаговиков
поддержка одновременно работающих двигателей

Определение конфигурации моторов

Для управления шаговым двигателем.

Биполярный ШД, управляемый Н-мостом.

Униполярный мотор, управляемый четырмя транзисторами.

Максимальная скорость двигателя. Скорость заведомо низкая. Сначала моторчик ускоряется до этой скорости, затем снижает её

Ускорение шаговика, в шагах в секунду.

Управление положением

Переместиться в абсолютно указанное положение. Само движение запускается функцией run ().

Переместиться в относительно указанное положение. Само движение запускается функцией run (). Значение distance может быть больше или меньше нуля.

Вернуть текущее абсолютное положение.

Вернуть расстояние до указанного положения. Может использоваться для проверки, достиг ли моторчик указанной конечной точки.

Начать движение и подождать когда двигатель достигнет указанной точки. Функция не осуществляет возврата пока он не остановится.

Управление скоростью

Установить скорость в шагах за секунду. Сам процесс запускается функцией runSpeed ().

Начать движение. Для продолжения движения двигателя следует вызывать функцию повторно.

Что такое шаговый двигатель? Название говорит само за себя: двигатель, который может не просто “крутиться”, а крутиться размеренно, управляемо… шагами! То есть, мы сами в программе “говорим” ему, на какой угол нужно повернуться. Для чего это может понадобиться? Например, вы хотите собрать свой станок с ЧПУ, 3d принтер… или любое другое устройство, которое нуждается в точном позиционировании движущихся частей. Подробнее о шаговых двигателях можно почитать в википедии .

Существует огромное разнообразие шаговых двигателей различных размеров и характеристик. Чтобы управлять ими нужно специальное устройство – драйвер.

В этой статье мы будем использовать:

Итак, задача: подключить к arduino uno шаговый двигатель и покрутить им.

Казалось бы, количество проводов, идущих к двигателю, может ввести в ступор, зачем так много и куда все это втыкать? На самом деле, ничего сложного ни в подключении, ни в коде. И сейчас мы с вами в этом убедимся!

Подключаем двигатель к драйверу, а драйвер, в свою очередь к плате arduino к цифровым пинам 2, 3, 4, 5 и к питанию (5В) как показано на фото.

Настоятельно рекомендую в своих проектах использовать отдельное питание для двигателя
(от другого блока питания, а не от arduino), потому как если дать серьезную нагрузку на двигатель – на плате arduino может перегреться микросхема, отвечающая за питание – что не есть хорошо!

Чтобы управлять двигателем, воспользуемся библиотекой Stepper, которую не нужно ни от куда качать – она входит в поставку Arduino IDE
– среду разработки, в которой мы пишем код для arduino. В качестве параметров передаем количество шагов полного оборота и пины, к которым подключаем двигатель.

Stepper myStepper(2048,2,3,4,5);

Методом setSpeed()
можно управлять скоростью, а step()
отвечает за перемещение вала на заданное количество шагов (если значение отрицательное – вал крутится в обратную сторону).

Полный код программы:

#include
Stepper myStepper(2048,2,3,4,5);
void setup() {
myStepper.setSpeed(10);
}
void loop() {
myStepper.step(2048);
delay(1000);
myStepper.step(-2048);
delay(1000);
}

Небольшое замечание по драйверу.
Плата согласования Arduino и шагового двигателя на основе UNL2003A имеет всего одну перемычку, которая замыкает 3 и 4 выводы. Данная перемычка подаёт питание на светодиоды. Если на шаговый двигатель подаётся питание +5 В (как в нашем случае), то данная перемычка позволяет наблюдать за переключением выводов управления шаговым двигателем. Если для кого-то важен потребляемый ток (например, для увеличения времени работы от батареи) и не нужна индикация, то перемычку можно смело снимать.

Вот и видео того, что получилось.

Удачных экспериментов!

Возможно, вам потребуются файлы:

на 28BYJ-48.

Работа шагового двигателя и описание драйвера

Как работает шаговик?

Для практических задач с точным перемещением объекта обязательно требуется ШД. Это мотор, который перемещает свой вал в зависимости от заданных шагов в программе контроллера. Чаще всего их применяют в станках ЧПУ, робототехнике, манипуляторах, 3D-принтерах.

Мы же с вами рассмотрим конкретный двигатель 28BYj-48 с драйвером управления ULN2003 . Он достаточно дешёвый, прост в сборке и легко писать программу.

В 4-шаговом режиме он может совершать 2048 шагов, в 8-шаговом 4096 шагов. Питание 5 В, ток потребления 160 мА. Передаточное число 1:64 , то есть один шаг он совершит на 5,625 градусов. Крутящий момент составляет 34 мН.м. Средняя скорость 15 об/мин, с помощью программного кода можно ускорить до 35 об/мин, но вы должны понимать, что мы при этом теряем мощность и точность.

Размеры двигателя указаны из первоисточника — даташита производителя Kiatronics.

А вот таким образом он выглядит изнутри:

Для небольших технических проектов — 28BYj-48 идеальный вариант. Его главным преимуществом является дешевизна и простота. Прилагаю спецификацию:

Тип мотора	Униполярный шаговый двигатель
Число фаз	4
Рабочее напряжение	5-12 вольт
Частота	100 Гц
Частота под нагрузкой	> 600 Гц
Крутящий момент	> 34.3 мН*м (120 Гц)
Режим шага	рекомендуется полушаговый режим (8-шаговая управляющая сигнальная последовательность)
Угол шага

8-шаговая управляющая сигнальная последовательность — 5.625º/шаг

4-шаговая управляющая сигнальная последовательность — 11.25º/шаг

Передаточное отношение редуктора Производителем заявлено 64:1

Вес 30 г

ШД имеет четыре обмотки, которые запитываются последовательно:

Для того, чтобы заставить мотор двигаться по часовой стрелке, нужно попеременно подавать на обмотки напряжение. Движок работает в двух режимах в шаговом и полушаговом, чем они отличаются, мы сейчас разберём.

1.Шаговый режим — это когда две из четырех обмоток запитываются на каждом шаге. Смотрите карту включения обмоток: Для этого способа используется библиотека my Stepper.h.

Провод	Фазы для шагового режима
1	2	3	4
4 оранжевый
3 желтый
2 розовый
1 синий

2.Полушаговый режим — это когда запитывается первая обмотка, потом вторая и третья вместе, потом четвёртая и т.д. В Даташите разработчика указано, что предпочтительнее режим полушага для мотора. Подробно изображено на карте подключений:

Провод	Фазы для полушагового режима
1	2	3	4	5	6	7	8
4 оранжевый
3 желтый
2 розовый
1 синий

Описание драйвера ULN2003

Плата представляет собой силовой модуль, который содержит в себе семь независимых транзисторов Дарлингтона. Каждая пара представляет собой каскад из двух биполярных транзисторов. ULN2003 является неким усилителем с током нагрузки 500 мА и напряжением 50 В. На изображении отображена сама плата и описание выводов к ней.

Работа проекта

Когда вы сделаете все необходимые соединения в аппаратной части нашего проекта у вас должна получиться примерно следующая конструкция:

Теперь загрузите код программы в плату Arduino UNO и откройте окно монитора последовательной связи (serial monitor). Как мы уже указывали, мы должны сделать 2048 шагов для совершения одного полного оборота, то есть если мы в окне монитора последовательной связи введем 2048, то вал шагового двигателя совершит один полный оборот по часовой стрелке, а сам двигатель в это время сделает 2048 шагов. Для вращения против часовой стрелки просто вводите нужное число шагов со знаком “–“. То есть если вы введете -1024, то вал мотора совершит пол-оборота против часовой стрелки. Чтобы протестировать работу проекта вы можете вводить любые числа.

Управление шаговым мотором – регулировка скорости [1]

Шаговые моторы могут управляться с высоким уровнем точности, не требуя при этом никаких механизмов обратной связи. Вал шагового мотора закреплен магнитами, а его управление («шаговое» движение вперед и назад) осуществляется несколькими электромагнитными пружинами, одни из которых имеют положительный заряд, а другие – отрицательный. С их помощью вал перемещается маленькими шажками вперед и назад.

Начиная работу, очень важно знать, с каким именно шаговым мотором вам предстоит иметь дело. Эти устройства бывают двух типов – униполярные и биполярные – и цепь для них строится по-разному

Впрочем, данный скетч-пример поддерживает оба типа шаговых моторов. О том, как построить цепь, смотрите здесь (для униполярных моторов) или здесь (для биполярных моторов).

Данный пример показывает, как регулировать скорость вращения шагового мотора. Это делается при помощи потенциометра (или другого устройства для ввода данных), подключенного к 0-ому контакту Arduino, и библиотеки Stepper. И униполярные, и биполярные моторы управляются цифровыми контактами 8, 9, 10 и 11.

При использовании униполярного мотора к Arduino/Genuino нужно подключить транзистор Дарлингтона U2004, а при использовании биполярного – Н-мост SN754410NE.

Более подробно о разнице между типами шаговых моторов читайте в этой статье Тома Иго.

Шаговый двигатель от CD-ROM — запуск на Arduino без драйвера

Добрый вечер ребята. У меня такой вопрос. Как правильно подключить и запустить на ардуино шаговый двигатель от дисковода без драйвера и как урправлять реверсом? Заранее всем откликнувшимся большое спасибо за помощь.