Как подключить шаговый двигатель от dvd к arduino
Подключение шагового двигателя к Ардуино
Шаговый двигатель 28byj-48 Arduino ► предназначен для перемещения объекта на заданное количество шагов вала. Рассмотрим управление шаговым двигателем от Ардуино
Шаговый двигатель (stepper motor) предназначен для точного позиционирования или перемещения объекта на заданное количество шагов вала. Плата Arduino может управлять шаговым двигателем с помощью драйвера и библиотеки stepper.h или accelstepper.h. Рассмотрим принцип работы и схему подключения шагового двигателя к Arduino Uno / Nano, а также разберем скетч для управления шаговым мотором.
Принцип работы шагового двигателя
В зависимости от конструкции, сегодня применяются три вида шаговых двигателей: с постоянным магнитом, с переменным магнитным сопротивлением и гибридные двигатели. У двигателей с постоянным магнитом число шагов на один оборот вала доходит до 48, то есть один шаг соответствует повороту вала на 7,5°. Гибридные двигатели обеспечивают не меньше 400 шагов на один оборот (угол шага 0,9°).
Фото. Устройство шагового мотора в разрезе
Подсчитав количество сделанных шагов, можно определить точный угол поворота ротора. Таким образом, шаговый двигатель является сегодня идеальным приводом в 3D принтерах, станках с ЧПУ и в другом промышленном оборудовании. Это лишь краткий обзор устройства и принципа работы stepper motor, нас больше интересует, как осуществляется управление шаговым двигателем с помощью Ардуино.
Драйвер шагового двигателя Ардуино
Шаговый двигатель — это бесколлекторный синхронный двигатель, как и все двигатели, он преобразует электрическую энергию в механическую. В отличие от двигателя постоянного тока в которых происходит вращение вала, вал шаговых двигателей совершает дискретные перемещения, то есть вращается не постоянно, а шагами. Каждый шаг вала (ротора) представляет собой часть полного оборота.
Фото. Виды драйверов для управления шаговым двигателем
Вращение вала двигателя осуществляется с помощью сигнала, который управляет магнитным полем катушек в статоре драйвера. Сигнал генерирует драйвер шагового двигателя. Магнитное поле, возникающее при прохождении электрического тока в обмотках статора, заставляет вращаться вал, на котором установлены магниты. Количество шагов задаются в программе с помощью библиотеки Arduino IDE.
Схема подключения шагового двигателя 28BYJ-48 к Arduino Uno через драйвер ULN2003 изображена на рисунке ниже. Основные характеристики мотора 28BYJ-48: питание от 5 или 12 Вольт, 4-х фазный двигатель, угол шага 5,625°. Порты драйвера IN1 — IN4 подключаются к любым цифровым выводам платы Arduino Mega или Nano. Светодиоды на модуле служат для индикации включения катушек двигателя.
Как подключить шаговый двигатель к Ардуино
Для этого занятия нам потребуется:
БИБЛИОТЕКА ДЛЯ ШАГОВОГО ДВИГАТЕЛЯ ARDUINO
Для подключения шаговых моторов к Arduino нужно использовать драйверы. Очень дешёвые и популярные моторы 28byj-48-5v часто продаются вместе со своим драйвером (транзисторная сборка ULN2003), подключить можно к любым 4-м пинам Ардуино и использовать.
Для работы с большими шаговиками (типа Nema 17) нужно использовать специализированные драйверы, ниже вы найдёте описания и схемы подключения для A4988, DRV8825 и TMC2208, драйверы такого формата подключаются и работают практически одинаково, т.к. разработаны для CNC шилдов и взаимозаменяемы. У этих драйверов нужно настроить ток при помощи крутилки на плате. Это можно сделать “на глаз”, заставив мотор вращаться и регулируя крутилку. Мотор должен вращаться, но не вибрировать как перфоратор и сильно не нагреваться. Лучше настроить ток по опорному напряжению Vref, у каждого драйвера оно считается по своей формуле (см. картинки ниже). Берём ток своего мотора из описания, подставляем в формулу вместо current, считаем, и накручиваем полученное напряжение крутилкой. Для измерения опорного напряжения нужно подключить щупы вольтметра к самой крутилке и пину GND.
Главное преимущество дорогущих драйверов TMC – отсутствие шума/свиста/вибраций при работе, так как драйвер своими силами интерполирует сигнал до микрошага 1/256.
БИБЛИОТЕКА GYVERSTEPPER
GyverStepper v1.8
GyverStepper – производительная библиотека для управления шаговыми моторами
Поддерживаемые платформы: все Arduino (используются стандартные Wiring-функции)
Версия 1.1: добавлена возможность плавно менять скорость в режиме KEEP_SPEED. Добавлены примеры multiStepper и accelDeccelButton
v1.2 – добавлена поддержка ESP8266
v1.3 – изменена логика работы setTarget(, RELATIVE)
v1.4 – добавлена задержка для STEP, настроить можно дефайном DRIVER_STEP_TIME
v1.5 – пофикшен баг для плат есп
v1.6 – Исправлена остановка для STEPPER4WIRE_HALF, скорость можно задавать во float (для медленных скоростей)
ДОКУМЕНТАЦИЯ
Документация
Инициализация
Библиотека поддерживает два типа драйверов:
При инициализации указывается тип драйвера, количество шагов на оборот и пины:
Количество шагов на оборот нужно для работы функций, которые устанавливают или читают параметр в градусах. Если они не нужны – количество шагов можно поставить любое (единичку). Если нужно – количество шагов нужно указывать с учётом редукторов и микрошагов:
Время шага [NEW!]
Для драйверов STEP-DIR сделана задержка между переключением состояния пина STEP, эта задержка является минимальной, т.е. она может быть больше, чем нужно, но если будет меньше – возможна нестабильная работа драйвера. По умолчанию она составляет 4 микросекунды, но разным драйверам она нужна разная (для других драйверов см. даташит):
Также увеличение задержки может повысить стабильность работы при использовании длинных неэкранированных проводов от микроконтроллера к драйверу (к пину STEP).
Для изменения величины задержки сделай дефайн DRIVER_STEP_TIME перед подключением библиотеки:
Медленные скорости (new!)
Тик и тайминги
Смена направления
Режимы работы
Режим FOLLOW_POS
В этом режиме мотор следует на указанную позицию в шагах или градусах. Для её установки есть следующие методы:
Примечание: абсолютная позиция – говоришь мотору повернуться на 300 шагов, он повернётся на позицию 300. При повторном вызове ничего не произойдёт. Относительная – говоришь повернуться на 300 – он повернётся на 300 относительно текущей позиции. Если вызвать ещё раз через некоторое время – цель сместится относительно текущей позиции вала.
Установленную целевую позицию можно прочитать:
Дополнительно можно настроить максимальную скорость и ускорение при движении к целевой позиции:
Также можно вручную установить текущую позицию мотора в шагах и градусах при помощи:
Режим KEEP_SPEED
В этом режиме мотор просто крутится с заданной скоростью. Скорость задаётся при помощи
(New!) Вторым аргументом можно передать включение плавного изменения скорости, по умолчанию стоит false ( NO_SMOOTH ). Смотри пример accelDeccelButton
Установленную скорость можно прочитать:
Алгоритм планировщика скорости
В библиотеке реализовано два алгоритма планирования скорости для режима плавного движения к позиции с ненулевым ускорением:
Остановка и сброс
Управление питанием
#21. Подключаем к Arduino Шаговый двигатель 28BYJ-48 на драйвере ULN2003
Сегодня в уроке подключим шаговый двигатель 28BYJ-48 к Arduino и научимся вращать вал двигателя в разные стороны и изменять скорость вращения с помощью потенциометра и энкодера KY-040.
Характеристики шагового двигателя 28BYJ-48:
Размера шагового двигателя 28BYJ-48. Необходимы при проектировании деталей для 3D печати.
Вот так выглядит схема шагового двигателя 28BYJ-48
Подавая сигналы в определённом порядке на выводы двигателя, двигатель можно вращать по часовой стрелке.
Для шагового режима.
Для полушагового режима.
Прямое подключение шагового двигателя 28BYJ-48 к Arduino.
В связи с тем, что двигатель 28BYJ-48 работает от 5в и при небольших токах, его можно подключить на прямую к Arduino.
Схема подключения к Arduino UNO будет следующая.
Для вращения ШД достаточно подавать сигналы по схеме, которую мы рассмотрели выше.
Для этого можно сделать массив подачи сигнала на пины микроконтроллера.
И в цикле выполнять каждую строчку массива. Но есть решение с более компактным кодом. Нашел я данный пример на канале Дмитрия Осипова. За что ему отельное спасибо!
Код для вращения в одну и в другую сторону будет вот таким.
ВНИМАНИЕ! Материалы для скачивания находятся внизу статьи!
Пример подключения шагового двигателя 28BYJ-48 (5V)с использованием драйвер ULN2003.
Также у Дмитрия Осипова есть код для изменения скорости вращения с помощью потенциометра. Я его немного доработал, сделал обработку нажатия кнопки без задержки в 500 мс. Сейчас двигатель стал вращаться в обратную сторону без видимой задержки.
Для подключения буду использовать модуль SBT0811 на драйвере ULN2003.
Драйвер устроен вот таким образом.
Соответственно, наш код будет работать и с данным драйвером.
Подключим все по схеме и загрузим код в Arduino NANO.
Схема подключения для Arduino UNO будет аналогичной.
ВНИМАНИЕ! Материалы для скачивания находятся внизу статьи!
Пример управления шаговым двигателем 28BYJ-48 с помощью Энкодера.
Для уменьшения количества элементов в схеме решил заменить потенциометр и тактовую кнопку на энкодер вращения KY-040. Как подключить энкодер вращения к Arduino рассказывал в предыдущем уроке.
Подключаем шаговый двигатель 28BYJ-48 и энкодер к Arduino по схеме.
Проводим небольшую доработку кода и получим вот такой результат.
ВНИМАНИЕ! Материалы для скачивания находятся внизу статьи!
Вы также можете без проблем воспользоваться примером из стандартной библиотеки Stepper, которая позволит сделать тоже самое и при меньшем объёме кода. Но библиотека не даст вам понять, как это все устроено.
А вот сам пример вращения в одну сторону, а затем в другую с использованием библиотеки Stepper.
На основе данного примера можно реализовать управление не только одним шаговым двигателем, а несколькими. Причем, каждый двигатель будет выполнять свои действия не зависимо от других. В планах сделать пару проектов с использованием данного шагового двигателя.
Пишите в комментариях, что бы вы хотели сделать на шаговых двигателях, и какие примеры вас интересуют. Чем больше будет откликов, тем чаше будут выходить проекты и уроки на сайте.
Не забывайте подписываться на канал Youtube и вступайте в группы в Вконтакте и Facebook.
Всем Пока-Пока.
И до встречи в следующем уроке
Понравилась статья? Поделитесь ею с друзьями:
Подключение шагового двигателя к Arduino через драйвер L298
На втором месте рейтинга двигателей для роботов после сервоприводов, которые мы уже рассматривали, стоят шаговые двигатели. Сегодня мы научимся управлять ими при помощи Arduino!
Кроме шагового двигателя (ШД) и Arduino нам потребуется ещё плата драйвера L298, которую можно приобрести у нас в магазине.
Немного теории
Шаговый двигатель позволяет точно спозиционировать вал, поворачивая его на небольшой угол. Один такой поворот зовётся шаг. Соответственно, одной из важных характеристик привода является количество шагов на оборот, то есть «разрешение» поворота.
ШД способен удерживать свою позицию даже в случае внешнего крутящего момента! Шаговые двигатели делятся на униполярные и биполярные. Мы будем использовать униполярный ШД, так как биполярный требует специальный драйвер для управления, тогда как униполярным можно легко управлять даже при помощи сборки транзисторов. Обратите внимание – биполярные ШД имеют 4 провода на выходе, униполярные – не 4 (5 или более).
Количество выводов зависит от количества обмоток в двигателе, чаще всего их 4 –поэтому 5 проводов (4 обмотки и общий). Управление униполярным двигателем, в теории, сводится к перебору обмоток (подачи поочерёдно логической единицы). Задержка между переключением обмотки определяет скорость и ускорение двигателя.
Что такое драйвер шагового двигателя?
В отличие от приводов постоянного тока, на ШД нельзя вот так вот просто подать напряжение так, чтобы он крутился. Необходимо попеременно подавать напряжение на разные обмотки.
Но, так как ток двигателя явно больше, чем 20мА, которые может дать один пин микроконтроллера, то применяются различные драйверы, как и наш L298.
Для реализации проекта из этой статьи нам потребуются следующие компоненты:
Подключение к Arduino
Для управления шаговым двигателем сгодится любой контроллер Arduino, мы же используем Arduino UNO. От шаговика отходят две пары проводов и общий(GND). A, A+ подключаются к MA, MA+, также и B, B+ к MB, MB+.
Питание 12В подаётся на первый контакт разъёма питания, 5В – на второй, GND – на третий (см. фото ниже). Выводы IN1-IN4 подключаются по порядку к цифровым пинам с 8 по 11 – по ним передаются управляющие импульсы.
После подключения надо загрузить в контроллер программу-пример stepper_oneRevolution из библиотеки Stepper (включена в комплект поставки). Можете добавить ее либо с этой страницы, либо найти в Файл Примеры Stepper stepper_oneRevolution
Ардуино и шаговый двигатель: основы, схемы, подключение и управление
Шаговые двигатели используют для управления положением чего-либо, или для вращения рабочего узла с заданной скорости и на заданный угол. Такие особенности сделали возможным его применение в робототехнике, станках с числовым программным управлением (ЧПУ), и других системах автоматизации. В этой статье мы рассмотрим ряд вопросов связанных с устройством шаговых двигателей и способами их управления с помощью микроконтроллера Arduino.
Шаговый двигатель отличия от обычного
Все используемые на практике электродвигатели работают за счет электродинамических явлений и процессов происходящих в магнитных полях роторов и статоров. Как мы уже упомянули, любой двигатель состоит как минимум из двух частей – подвижной (ротор) и неподвижной (статор). Для его вращения нужно чтобы и магнитное поле тоже вращалось. Поле ротора вращается вслед за полем статора.
В принципе, таких базовых сведений достаточно для понимания общей картины работы электрических двигателей. Однако на самом деле промышленность производит различные варианты электродвигателя, среди которых:
1. Асинхронный двигатель с короткозамкнутым или с фазным ротором.
2. Синхронный двигатель с обмотками возбуждения или с постоянными магнитами.
3. Двигатель постоянного тока.
4. Универсальный коллекторный двигатель (работает и на постоянном токе и на переменном, ведь обмотки ротора сами подключаются и отключаются от контактов источника питания за счет конструкции ламелей и якоря).
5. Бесщеточные двигатели постоянного тока (BLDC).
7. Шаговые двигатели.
Последние два вида несут особую ценность, благодаря возможности их, в определенной степени, точного позиционирования в пространстве. Давайте подробнее рассмотрим конструкцию шагового двигателя.
Определение
Шаговым двигателем называется бесщеточный электродвигатель синхронного типа. На статоре расположено определенное число обмоток, подключение которых вызывает поворот ротора на определенный угол, зависящий от числа шагов. Другими словами ток в обмотке статора вызывает поворот вала на дискретный угол.
При равномерной и последовательной смене полярностей напряжения на обмотках и переключении запитанных обмоток происходит вращение шагового двигателя, подобно обычному электродвигателю, хотя на самом деле просто происходит регулярный поворот на фиксированный угол.
Шаговый двигатель иногда называют двигателем с конечным количеством положений ротора. Звучит не совсем понятно, давайте разберемся. Представим обычный двигатель – положение его ротора никак не фиксируется, то есть он просто вращается пока подключено питание, а когда оно отключается, то останавливается через какое-то время, зависящее от его инерции. Положений ротора может быть сколько угодно много, а отличаться они могут на мельчайшие доли градуса.
В шаговом двигателе подключение обмотки или нескольких обмоток вызывает «примагничивание» ротора по отношению к этим обмоткам. Внешне это выглядит именно как поворот вала на определенный угол (шаг). Так как количество шагов является одной из важных характеристик этого типа электропривода, то и количество положений ротора равно количеству шагов. Новичкам сложно понять, как это может быть, и как он в таком случае вращается – на самом деле все достаточно просто, мы это покажем на иллюстрациях и описаниях ниже.
Конструкция
На статоре электродвигателя закреплены обмотки возбуждения. Его ротор выполняется из магнитомягких или магнитотвердых материалов. От материала ротора зависит крутящий момент и фиксация вала при обесточенных обмотках. Эти параметры могут быть критичными.
Поэтому выделяют магнитотвердые роторы (они же на постоянных магнитах) и магнитомягкие (реактивные) роторы, кроме них есть и гибридные роторы.
Гибридный ротор делают зубчатым, количество зубцов соответствует количеству шагов. Зубцы расположены вдоль оси ротора. При этом такой ротор разделен на две части поперек. Между ними установлен постоянный магнит, таким образом, каждая из половин ротора является полюсом магнита. Также следует сказать, о том, что половины ротора повернуты на половину шага зубцов друг относительно друга.
Как уже было сказано, такой двигатель является синхронным, так и процесс его вращения заключается в создании вращающего поля ротора, за которым стремится магнитный ротор, а это реализовывается за счет переключения контроллером обмоток поочередно.
Виды шаговых двигателей ШД по конструкции обмоток делят на три основных группы по схеме подключения обмоток:
3. С четырьмя обмотками.
Биполярные электродвигателя в большинстве своем имеют 4 контакта – это выводы с двух обмоток. Внутри двигателя они по большому счету никак не соединены между собой. Основной проблемой является то, что нужно обеспечить переключение полярности питания, это значит, что драйвер и сам процесс управления усложнится.
Униполярные напоминают соединение обмоток по схеме звезды. Другими словами, у вас есть 5 выводов – 4 из них это концы обмоток, а 1 – точка соединения всех обмоток.
Для управления таким двигателем нужно просто подавать поочередно питание на каждый из концов обмотки (или их пару, в зависимости от выбранного режима вращения), таким образом будет запитываться каждый раз половинка обмотки. Может работать в биполярном режиме, если запитывать полностью всю обмотку минуя отвод от её середины.
Двигатели с 4 обмотками имеют преимущество в том, что вы можете подключить обмотки любым удобным для вас образом и получить как биполярный, так и униполярный двигатель.
Режимы управления
Различают 4 основных режима управления шаговым двигателем:
1. Волновое управление.
Волновым управлением называют управление одной обмоткой. Т.е. одновременно ток течет через одну из обмоток, отсюда две отличительных черты – низкое энергопотребление (это хорошо) и низкий крутящий момент (это плохо).
В данном случае этот двигатель делает 4 шага за один оборот. Реальные же двигатели делают десятки шагов за один оборот, это достигается бОльшим количеством чередований магнитных полюсов.
Полношаговое управление является наиболее часто используемым. Здесь напряжение подается не на одну обмотку, а на две сразу. Если обмотки соединены параллельно – то ток удваивается, а если последовательно, то удваивается напряжение питания соответственно. С одной стороны в таком методе управления двигатель потребляет больше энергии, с другой – крутящий момент 100%, в отличие от предыдущего.
Полушаговое управление интересно тем, что становится возможным более точное позиционирование вала двигателя, благодаря к тому, что к целым шагам добавляются еще и половинки это достигается совмещение предыдущих двух режимов работы, а обмотки чередуются, то включаясь попарно, то по одной.
Стоит учесть, что момент на валу плавает от 50 до 100% в зависимости от того 1 или 2 две обмотки задействованы в данный момент.
Еще более точным является микрошаговый. Он похож на предыдущий, но отличается тем, что питание на обмотки подаётся не полной величины, а постепенно изменяющейся. Таким образом, изменяется степень воздействия на ротор каждой из обмоток и плавно изменяется угол поворота вала в промежуточных шагам положениях.
Где взять шаговый двигатель
Купить шаговый двигатель вы успеете всегда, но настоящие радиолюбители, самодельщики и электронщики славятся тем, что могут из мусора сделать что-то полезное. Наверняка, у вас дома найдется хотя бы один шаговый двигатель. Давайте разберемся, где нужно искать, чтобы найти такой двигатель.
1. Принтера. Шаговые двигатели могут стоять на вращении вала подачи бумаги (но может быть и двигатель постоянного тока с датчиком перемещения).
2. Сканеры и МФУ. В сканерах часто устанавливают шаговый двигатель и механическую часть, направляющую вдоль которой ходит каретка, эти детали также могут стать полезны при разработке самодельного ЧПУ станка.
3. CD и DVD приводы. В них также можно достать и штанги и винтовые валы для самоделок и различных ЧПУ.
4. Floppy-дисководы. В дискетниках также есть шаговые двигатели, особо ценятся флопики формата 5.25”.
Драйвер для шагового двигателя
Для управления шаговыми двигателями используют специализированные микросхемы-драйвера. В большинстве своем это H-мост из транзисторов. Благодаря такому включению появляется возможность включать на обмотку напряжение нужной полярности. Эти микросхемы подходят и для управления двигателями постоянного тока с поддержкой изменения направления вращения.
В принципе очень маленькие двигателя можно запустить и прямо от пинов микроконтроллера, но обычно они выдают до 20-40 мА, чего в большинстве случае недостаточно. Поэтому приведем несколько примеров драйверов для шаговых двигателей:
1. Платы на базе L293D. Их множество, одна из таких продается под отечественной маркой «Амперка» под название Troyka Stepper, пример его использования в реальном проекте приведен на видео ниже. Преимущество конкретно этой платы в том, что на ней расположены микросхемы логики которые позволяют сократить количество используемых для управления пинов.
Сама по себе микросхема работает под напряжение 4.5-36В и выдает ток до 600мА-1А в зависимости от корпуса ИМС.
2. Драйвер на базе A4988. Питается напряжением до 35В, выдерживает ток до 1А без радиатора, а с радиатором до 2А. Может управлять двигателем, как целыми шагами, так и частями – от 1/16 шага до 1 шага, всего 5 вариантов. Содержит два H-моста. С помощью подстроечного резистора (видно на правом фото) можно задавать выходной ток.
Размер шага задается сигналами на входах MS1, MS2, MS3.
Вот схема его подключения, каждый импульс на входе STEP задает поворот двигателя на 1 шаг или на микрошаг.
3. Драйвер на базе ULN2003 работает с двигателями на 5 и на 12В и выдаёт ток до 500 мА. На большинстве плат расположены 4 светодиода индицирующих работу каждого из каналов.
Также на плате вы можете видеть клеммную колодку для подключения двигателей, кстати, многие из них продаются именно с таким разъёмом. Примером такого двигателя является 5В модель – 28BYJ-48.
И это не все варианты драйверов для шаговых двигателей, на самом деле их еще больше.
Подключение к Arduino драйвера и шагового двигателя
В большинстве случаев нужно использовать микроконтроллер в паре с драйвером для шагового двигателя. Давайте рассмотрим схему подключения и примеры программного кода. Рассмотрим подключение на базе последнего приведенного драйвера – ULN2003 к плате Arduino. И так у него есть 4 входа, они подписаны, как IN1, IN2 и т.д. Их нужно соединить с цифровыми пинам платы ардуино, а к драйверу подсоединить моторчик как показано на рисунке ниже.
Далее в зависимости от способа управления вы должны подавать на входы 1 или 0 с этих пинов включая 1 или 2 обмотки в нужно последовательности. Код программы полношагового управления выглядит примерно так: