Шаговый двигатель

Состав системы
Как работает
Кнопки управления
Индикация LCD
Подключение
Что нужно для проекта
Возможные проблемы
Скетч

На этой странице представлена система управления шаговым двигателем 28BYJ-48 на драйвере ULN2003. С помощью нее вы сможете протестировать этот мотор-редуктор прежде, чем использовать в своих проектах.

Мы постоянно видим работу шаговых двигателей, даже не задумываясь об этом : стрелки электромеханических часов, приводы принтеров и сканеров. Они применяются там, где требуется точное позиционирование и заданная скорость, управлять которыми можно цифровым способом.

Шаговый двигатель 28BYJ-48 с драйвером ULN2003

В обычных электродвигателях крутящий момент на валу возникает в результате воздействия на проводник с током магнитного поля, не важно, чем оно создано : постоянным магнитом или обмотками под напряжением. Естественно, ни про какое точное управление здесь речи не идет. В шаговых моторах также есть обмотки в статоре, создающие магнитное поле и воздействующие на ротор, а вот в нем вместо проводников установлены постоянные магниты. Наверняка вы когда-нибудь пытались соединить два магнита : одной стороной они притягиваются, а другой отталкиваются. На этом и основан принцип действия шагового двигателя : подавая напряжение на обмотки статора в разных сочетаниях, вы заставляете ротор занимать то или иное положение (где-то магниты притягиваются к обмоткам, где-то отталкиваются). Да, ротор вращаться не будет, он зафиксируется в какой-то одной позиции, но если из импульсов тока к обмоткам сформировать "круговую" последовательность, вал мотора начнет крутиться. Как нельзя лучше для генерации таких импульсов подходит контроллер.

Цифровое управление имеет еще один важный плюс : меняя частоту подачи сигналов к обмоткам статора, можно регулировать скорость вращения ротора, при чем с очень большой точностью.

Есть и еще одно не очевидное преимущество шаговых двигателей. Один оборот вала мотора состоит из дискретных перемещений (шагов), число которых определяется количеством обмоток статора и магнитов ротора, и это число постоянное для конкретной модели двигателя, а значит угол шага тоже величина постоянная и меняться не может. Это свойство шаговых моторов позволяет отказаться от обратной связи по углу, так как вы всегда знаете (по количеству импульсов с микроконтроллера) на какой угол повернулся вал двигателя.

Система управления шаговым двигателем

И это еще не все. Что происходит с ротором обычного электродвигателя после снятия питания (остановки)? Он будет находиться в свободном состоянии - вы можете спокойно провернуть рукой вал привода, например, центробежного насоса мощностью 20-30 кВт, что уж говорить про микродвигатели. Это не страшно, если мы говорим про электромотор пожарного или балластного насоса. А если это привод грузоподъемного механизма или колес какого-нибудь робота - после остановки груз на гаке просто уйдет вниз, а робот-вездеход по инерции укатится в неизвестном направлении. То есть нужны тормоза, что сильно усложняет конструкцию. Но при использовании шагового двигателя эта проблема решается сама собой - после того, как ротор мотора повернется в нужное нам положение, питание с обмоток статора можно не снимать, и они своим магнитным полем зафиксируют положение вала - чем не тормоз?

СОСТАВ СИСТЕМЫ

PLC Arduino UNO с шилдом Sensor Shield v 5.0 (питание 7-12 В постоянного тока), LCD-дисплей с шиной I2C, DC-DC конвертер для питания дисплея и мотора, шаговый двигатель 28BYJ-48 и драйвер ULN2003 для его управления, кнопочный пост с 5-ю кнопками.

Немного подробней о шаговом двигателе 28BYJ-48. Фактически это мотор-редуктор. Сам двигатель в полушаговом режиме (в скетче применен именно такой) может совершать 64 шага за оборот. Плюс имеется редуктор с передаточным коэффициентом 1/63,68395 (в интернете часто округляют до 64). Соответственно, на выходе мы имеем приблизительно 4075 шагов выходного вала на оборот или один шаг равен 0,0883°. Как видите, можно очень точно позиционировать вал.

Так как двигатель 28BYJ-48 потребляет большой ток (больше 200 мА), подключать и питать его напрямую от Arduino нельзя. Для этих целей служит драйвер на базе микросхемы ULN2003. К электродвигателю он подключается с помощью специального штекера, перепутать положение которого невозможно. Входные пины драйвера (IN1 - IN4) подсоединяются к любым цифровым пинам контроллера. Питание к драйверу (пины + и -) подается от отдельного источника (не менее 1 А). Для этих целей подойдет Sensor Shield. Перемычка на драйвере одета. Зачем она нужна, непонятно - если ее убрать, мотор работать не будет.

Данная система управления позволяет проверить работу шагового двигателя. Вы можете задать необходимое перемещение мотора в удобных вам единицах, а также скорость и направление вращения и проверить, как он реагирует на это. Вся информация выводится на LCD-дисплей. Система позволяет настраивать все необходимые параметры и записывать их в память Arduino.

Управлять системой можно с помощью пяти кнопок : НАСТРОЙКИ, ВВЕРХ, ВНИЗ, EXIT и START. Рассмотрим их функции подробно :

Кнопка НАСТРОЙКИ

Нажав ее, вы попадете в меню настроек. Продолжая нажимать эту кнопку, вы будете циклично переходить по пунктам меню. Изменение параметров осуществляется кнопками ВВЕРХ и ВНИЗ. Выход из настроек - по кнопке EXIT. Изменение настроек сразу принимается контроллером, подтверждение не нужно. Во время работы двигателя в настройки войти нельзя, а вот запустить мотор из настроек можно.

Пройдемся по пунктам меню Настройки.

• Control Mode : здесь вы можете определить единицы, в которых будет задаваться перемещение выходного вала мотора. На выбор : шаги, угол в градусах, обороты, время в микросекундах и полностью ручной режим. В ручном режиме мотор будет вращаться, пока удерживаются кнопки ВВЕРХ или ВНИЗ.
• Direction : направление вращения выходного вала мотор-редуктора. CW - по часовой, CCW - против часовой.
• Brake Current : оставлять ли двигатель под током после прекращения движения. Эта функция может понадобиться при необходимости дополнительного тормозного момента на валу, чтобы исключить самопроизвольное проворачивание.
• Steps per Revol : количество шагов на оборот выходного вала (не электродвигателя). Получается путем перемножение числа шагов на оборот вала мотора на понижающий коэффициент редуктора. Для данной модели двигателя 28BYJ-48 это число равно 4075. Эта величина постоянная, задается один раз и больше не меняется.
• Step Time, mcs : продолжительность одного шага выходного вала в мкс. Фактически этим параметром мы задаем скорость вращения выходного вала.
• Speed (rev/min) : скорость вращения выходного вала в об/мин. Этот и последующие два параметра дублируют предыдущий. Вы можете выбрать удобную вам форму задачи скорости выходного вала мотор-редуктора.
• Speed (step/min) : скорость вращения выходного вала в шаг/мин.
• Speed (degr/min) : скорость вращения выходного вала в градус/мин.
• Synchronization : синхронизация параметров. Как вы могли заметить, угол перемещения вала и скорость его вращения можно задать разными способами (в разных единицах). В режиме синхронизации при изменении одного соответствующего параметра остальные будут пересчитываться автоматически.
• Read Settings : чтение настроек из энергонезависимой памяти Arduino. При нажатии кнопки ВВЕРХ настройки из памяти PLC перейдут в оперативную.
• Save Settings : запись настроек в энергонезависимую память Arduino. При нажатии кнопки ВВЕРХ текущие параметры запишутся в постоянную память PLC.
• Load Default : загрузка значений по умолчанию. При нажатии кнопки ВВЕРХ параметры, определенные в начале скетча, загрузятся в оперативную память PLC (в текущие настройки). Эта функция может быть полезна, когда вы запутались в регулировках и хотите все вернуть в исходное положение. Но есть и еще одна причина ее использования. Если вы на одну и ту же плату Arduino постоянно записываете скетчи разных проектов, возможна ситуация, когда параметры одного проекта запишутся в настройки другого. Конечно, это можно исправить, но представьте, что в параметре, где должно быть, например, число 10, стоит 32000. Вручную кнопками ВВЕРХ или ВНИЗ корректировать это очень долго, проще сбросить настройки к заводским, а уже затем их подправить.

Кнопки ВВЕРХ-ВНИЗ

В основном экране кнопками ВВЕРХ и ВНИЗ задается величина перемещения выходного вала мотор-редуктора в тех единицах, которые указаны в настройках (Control Mode). В ручном режиме при удерживании кнопки ВВЕРХ вал будет вращаться по часовой стрелке, а кнопки ВНИЗ - против часовой. В режиме настроек этими кнопками меняются параметры.

Кнопка EXIT

В основном экране с помощью этой кнопки можно циклично менять единицы (режим) уставки перемещения выходного вала шагового двигателя. Фактически она дублирует пункт меню настроек Control Mode. Нажав на кнопку EXIT в настройках, вы выйдете из них.

Кнопка START

Эта кнопка запускает движение мотора. Если ее нажать в процессе вращения, двигатель остановится раньше заданного перемещения. В ручном режиме (Manual Mode) после окончания вращения в нижней строке выводится пройденный валом путь (угол). Нажимая кнопку START, вы можете просмотреть этот угол в разных единицах.

Основной экран :

верхняя строчка - режим (единицы) уставки перемещения выходного вала мотора. На выбор есть : шаги, угол в градусах, обороты, время в микросекундах и полностью ручной режим. Также здесь показано текущее значение параметра. Кроме этого, специальным символом указано направление вращения вала.

нижняя строчка - "Press START" - приглашение запустить мотор. Во время движения шагового двигателя вы увидите простейший индикатор процесса (Progress Bar). Если вы остановите мотор раньше времени, то на экране появится текущее значение перемещения вала и процент от заданного. В ручном режиме в нижней строке появится приглашение "Press UP/DOWN" для начала вращения двигателя. После окончания движения вы увидите пройденный валом путь. Единицы можно выбрать кнопкой START.

В режиме настроек :

верхняя строчка - параметр

нижняя строчка - значение параметра

Здесь приведено соединение всех элементов системы управления, Arduino (через шилд) и самого шагового двигателя. В виде схемы подключение представлено ниже.

• питание Arduino : от адаптера 7-12VDC (2A)
• питание шилда (перемычка убрана) : от адаптера 7-12VDC (2A) через понижающий DC-DC преобразователь типа LM2596 (не менее 2А)
• LCD-дисплей 1602 + модуль I2C : питание от шилда (подсоединяем GND и VCC к любым свободным пинам G и V цифровых входов), SDA (I2C) - A4 (шилд), SCL (I2C) - A5 (шилд)
• сигнал от кнопки НАСТРОЙКИ : вход в Arduino - цифровой пин 7. Линию сигнала и земли шунтируем резистором 10 кОм. Пины + и - кнопочного поста, общие для всех кнопок НАСТРОЙКИ, ВВЕРХ, ВНИЗ, EXIT, START, подсоединяем к любым свободным пинам V и G цифровых входов.
• сигнал от кнопки ВВЕРХ : вход в Arduino - цифровой пин 6. Линию сигнала и земли шунтируем резистором 10 кОм
• сигнал от кнопки ВНИЗ : вход в Arduino - цифровой пин 5. Линию сигнала и земли шунтируем резистором 10 кОм
• сигнал от кнопки EXIT : вход в Arduino - цифровой пин 4. Линию сигнала и земли шунтируем резистором 10 кОм
• сигнал от кнопки START : вход в Arduino - цифровой пин 3. Линию сигнала и земли шунтируем резистором 10 кОм
• Драйвер ULN2003 подсоединяем к контроллеру следующим образом : IN1 - пин 8, IN2 - пин 9, IN3 - пин 10, IN4 - пин 11. Питание драйвера (+ и -) подсоединяем к любым свободным пинам питания (V и G) цифровых пинов шилда.
• Шаговый двигатель подключается к драйверу с помощью специального разъема.

Схема подключения шагового двигателя

• PLC Arduino UNO (datasheet) - 1 шт
• Sensor Shield v 5.0 (datasheet) - 1 шт
• Шаговый двигатель 28BYJ-48 (datasheet) - 1 шт
• драйвер ULN2003 (datasheet) - 1 шт
• понижающий DC-DC преобразователь типа LM2596 (не менее 2А) (datasheet) - 1 шт
• LCD-дисплей 1602 (datasheet) + модуль I2C - 1 шт
• кнопка тактовая с колпачком (datasheet) - 5 шт
• резистор 10 кОм (0,25 Вт) - 5 шт
• макетная плата под пайку 30х85 - 1 шт (для монтажа кнопок)
• стойка мама-мама М3х15 - 4 шт (для монтажа LCD-дисплея)
• стойка мама-мама М3х10 - 4 шт (для монтажа драйвера ULN2003)
• стойка мама-мама М3х25 - 2 шт (для монтажа шагового двигателя)
• гайка М3 - 50 шт и более в зависимости от способа крепления вышеуказанных элементов
• болт М3х15, М3х10 - 20 шт и более
• провод Dupont мама-мама или папа-мама (20 см) - 30 шт и более в зависимости от типа пинов соединяемых элементов
• провод типа AWG - 50 см (соединение штекер - DC-DC преобразователь - Sensor Shield)
• штыревой соединитель 40pin - 1 шт
• штекер питания DC 2.1 мм с клеммной колодкой папа и мама - 1 пара (для подключения шилда)
• кусок оргстекла или т.п. - 20х30 см (для монтажа всех элементов)
• болт М6х15 и гайка - 4 шт (ножки оргстекла)

Проблема, возможно, надуманная, но все же расскажу про нее. Изначально при программировании скетча для этого проекта планировалось выводить в нижней строке экрана LCD текущее значение перемещения вала, так сказать в режиме реального времени (LCD у меня подключен по шине I2C). Учитывая, что время одного шага двигателя составляет десятки миллисекунд, обновление экрана LCD должно было быть довольно частым. Я в этом проблему не видел, но оказалось, что сам процесс вывода на экран занимает относительно много времени (у меня получилось 20 мс на обновление экрана). То есть, если у вас шаг - 10 мс, а количество шагов 1000, то вместо 10 секунд на разворот у вас уйдет 30 секунд. Пришлось от этой "фишки" отказаться и заменить ее простейшим индикатором процесса с градацией в 10% от заданного перемещения.

Важное замечание. В скетче я не стал ограничивать параметры по максимальной планке, поскольку не нашел данных ни в одной спецификации. Поэтому будьте осторожны с большими значениями скорости вращения вала - не известно, как поведет себя электродвигатель и сам контроллер.

Ниже представлен скетч системы управления. В этом окне он неудобочитаем, поэтому скачать его в формате ino вы можете по этой ссылке.

Для работы этого скетча вам понадобятся дополнительные библиотеки :

• EEPROM.h - библиотека работы с памятью (она нужна для чтения и записи наших настроек в энергонезависимую память Arduino). Это стандартная библиотека, она входит в комплект среды программирования Arduino IDE.
• Wire.h - библиотека для работы с протоколом I2C. Это тоже стандартная библиотека, ее устанавливать не нужно.
• LiquidCrystal_I2C.h - библиотека для работы с LCD по протоколу I2C. Скачать.

Если есть возможность, проверьте эти библиотеки на наличие обновлений.

Обратите внимание, для работы с шаговыми двигателями в Arduino IDE встроена библиотека "Stepper". Но у меня не получилось с помощью нее заставить вращаться двигатель против часовой стрелки, поэтому пришлось от нее отказаться. Кроме этой библиотеки, есть и другие, с расширенным функционалом. Можете попробовать их.