Ардуино: шаговый двигатель 28BYJ-48 и драйвер ULN2003

Шаговые двигатели — основа точной робототехники. В отличие от двигателей постоянного вращения, один оборот «шаговика» состоит из множества микроперемещений, которые и называют шагами. Другими словами, мы можем повернуть вал двигателя ровно на 90 градусов, и зафиксировать его в этом положении. Грубым аналогом шагового двигателя является серводвигатель.

Шаговики применяют там, где требуется очень точно дозировать перемещение актуатора. Самый очевидный пример — робот манипулятор. Чтоб механическая рука коснулась рабочим инструментом нужной точки, необходимо чтобы каждый из узлов повернулся на строго заданный угол. Погрешность в доли градуса в основании руки, приведет к огромной погрешности на эффекторе.

Робот-манипулятор и 3D-печать

Другим известным примером может служить ЧПУ станок. Взять тот же 3D-принтер. Для точного перемещения печатающей головки применяют именно шаговые двигатели. В старых дисководах шаговики использовались для перемещения магнитной головки. А в современных фотоаппаратах микро-миниатюрные шаговые двигатели перемещают линзы в объективе.

В этом уроке мы с помощью контроллера Ардуино Уно запустим популярный в среде начинающих робототехников шаговый двигатель 28BYj-48. Этот миниатюрный шаговик имеет встроенный редуктор, который позволяет совершать очень точные перемещения выходного вала.

Шаговый двигатель 28BYJ48

1. Униполярный шаговый двигатель 28BYj-48

Волновой режим

Шаговые двигатели бывают униполярные и биполярные. В первом случае электромагнитные катушки двигателя соединены таким образом, что мы можем генерировать на них поле только одного направления. Схема работы униполярного двигателя выглядит следующим образом.

Волновой режим униполярного шагового двигателяНа схеме изображен так называемый волновой режим работы. На каждом шаге работы двигателя мы подаем напряжение только на одну катушку, в которой возникает магнитное поле. Часть сердечника, ближайшая к ротору начинает действовать как южный полюс магнита, вследствие чего ротор поворачивается к ней своим северным полюсом!

Полношаговый режим

Очевидно, что если мы будем подключать одновременно сразу две соседние катушки, то магнитное поле, действующее на ротор будет сильнее, тем самым повысится и крутящий момент двигателя. Такой режим работы униполярного двигателя называется полношаговым.

Полношаговый режим униполярного шагового двигателя

Полушаговый режим

Наконец, мы можем комбинировать волновой и полношаговый режим, получив полушаговый режим работы. В таком режиме за один оборот ротора двигатель делает в два раза больше шагов, тем самым увеличивая точность позиционирования. Однако, в таком режиме двигатель каждый второй шаг имеет сниженный крутящий момент, о чём не стоит забывать!

Полушаговый режим униполярного шагового двигателя

Надо заметить, что в реальном шаговом двигателе ротор как правило имеет больше 2-х полюсов, а катушки могут иметь различную конфигурацию. Например, в нашем моторе 28byj-48 электромагниты расположены не перпендикулярно оси ротора, а вдоль него.

Обмотки шагового двигателя 28byj-48

В зависимости от конструктивных особенностей, разные шаговые двигатели могут иметь разное количество шагов. Так, наш мотор 28byj-48 делает 32 шага за один оборот ротора. Кроме того у этого мотора есть встроенный шестеренный редуктор с весьма странным передаточным отношением 63.68395:1. С таким редуктором мотор в полношаговом режиме выдаёт около 2048 шагов!

2. Драйвер униполярного шагового двигателя ULN2003

Мы не можем подключить этот двигатель напрямую к контроллеру, так как ток на его обмотках может достигать 160 мА, что очень много для выводов Ардуино. Для управления 28byj-48 мы используем специализированную микросхему ULN2003.

Плата драйвера с ULN2003 может выглядеть так:

Драйвер шагового двигателя ULN2003

На плате есть 7 контактов для микроконтроллера: IN1..IN7, из которых нам понадобятся только первые четыре. Пять контактов для двигателя, и два контакта питания. Также есть перемычка, разрывающая цепь питания двигателя.

3. Подключение

Как правило, кабель двигателя 28BYj-48 уже имеет разъем с ключом, который вставляется в плату только в правильном положении. В противном случае, при подключении необходимо следовать цветовой схеме (см. рисунок). Контакты IN1..IN4 можно подключить к любым цифровым выходам Ардуино Уно.

Принципиальная схема

Схема подключения шагового двигателя 28byj-48 к Arduino Uno

Внешний вид макета

Схема подключения шагового двигателя 28byj-48 к Arduino Uno

4. Программа полношагового режима для 28byj-48

Что нужно сделать, чтобы шаговый двигатель сделал один оборот? Нужно подавать напряжение на его обмотки в строго определенной последовательности. Для начала мы реализуем полношаговый режим работы. Для этого нам потребуется подавать питание на катушки в следующем порядке:

Полношаговый режим (full-step mode)
ШАГ синий (A) розовый (B) жёлтый (A’) оранжевый (B’)
1 1 1 0 0
2 0 1 1 0
3 0 0 1 1
4 1 0 0 1

Получается такая вот незамысловатая программа. Переменная dl в ней — это время, между шагами.

int in1 = 2;
int in2 = 3;
int in3 = 4;
int in4 = 5;
const int dl = 5;

void setup() {
    pinMode(in1, OUTPUT);
    pinMode(in2, OUTPUT);
    pinMode(in3, OUTPUT);
    pinMode(in4, OUTPUT);
}

void loop() {
    digitalWrite( in1, HIGH ); 
    digitalWrite( in2, HIGH ); 
    digitalWrite( in3, LOW ); 
    digitalWrite( in4, LOW );
    delay(dl);

    digitalWrite( in1, LOW ); 
    digitalWrite( in2, HIGH ); 
    digitalWrite( in3, HIGH ); 
    digitalWrite( in4, LOW );
    delay(dl);

    digitalWrite( in1, LOW ); 
    digitalWrite( in2, LOW ); 
    digitalWrite( in3, HIGH ); 
    digitalWrite( in4, HIGH );
    delay(dl);

    digitalWrite( in1, HIGH ); 
    digitalWrite( in2, LOW ); 
    digitalWrite( in3, LOW ); 
    digitalWrite( in4, HIGH );
    delay(dl);
}

Чтобы заставить двигатель двигаться быстрее или медленнее, необходимо будет изменить переменную dl. Увеличиваем паузу между коммутациями — двигатель вращается медленнее. Уменьшаем паузу — крутится быстрее.

5. Программа полушагового режима для 28byj-48

Теперь реализуем полушаговый режим. Последовательность включений катушек для такого режима представлена ниже.

Полушаговый режим (half-step mode)
ШАГ синий (A) розовый (B) жёлтый (A’) оранжевый (B’)
1 1 0 0 0
2 1 1 0 0
3 0 1 0 0
4 0 1 1 0
5 0 0 1 0
6 0 0 1 1
7 0 0 0 1
8 1 0 0 1

Программа для полушагового режима не сильно отличается от предыдущей.

int in1 = 2;
int in2 = 3;
int in3 = 4;
int in4 = 5;
const int dl = 5;

void setup() {
  pinMode(in1, OUTPUT);
  pinMode(in2, OUTPUT);
  pinMode(in3, OUTPUT);
  pinMode(in4, OUTPUT);
}

void loop() {
  digitalWrite( in1, HIGH ); 
  digitalWrite( in2, LOW ); 
  digitalWrite( in3, LOW ); 
  digitalWrite( in4, LOW );
  delay(dl);

  digitalWrite( in1, HIGH ); 
  digitalWrite( in2, HIGH ); 
  digitalWrite( in3, LOW ); 
  digitalWrite( in4, LOW );
  delay(dl);

  digitalWrite( in1, LOW ); 
  digitalWrite( in2, HIGH ); 
  digitalWrite( in3, LOW ); 
  digitalWrite( in4, LOW );
  delay(dl);

  digitalWrite( in1, LOW ); 
  digitalWrite( in2, HIGH ); 
  digitalWrite( in3, HIGH ); 
  digitalWrite( in4, LOW );
  delay(dl);

  digitalWrite( in1, LOW ); 
  digitalWrite( in2, LOW ); 
  digitalWrite( in3, HIGH ); 
  digitalWrite( in4, LOW );
  delay(dl);

  digitalWrite( in1, LOW ); 
  digitalWrite( in2, LOW ); 
  digitalWrite( in3, HIGH ); 
  digitalWrite( in4, HIGH );
  delay(dl);

  digitalWrite( in1, LOW ); 
  digitalWrite( in2, LOW ); 
  digitalWrite( in3, LOW ); 
  digitalWrite( in4, HIGH );
  delay(dl);

  digitalWrite( in1, HIGH ); 
  digitalWrite( in2, LOW ); 
  digitalWrite( in3, LOW ); 
  digitalWrite( in4, HIGH );
  delay(dl);
}

Загружаем программу на Ардуино и наблюдаем за более плавным вращением мотора. Также можно легко заметить, что крутящий момент в таком режиме заметно ниже.

6. Стандартная библиотека Stepper

Для управления шаговыми двигателями в Arduino IDE есть стандартная библиотека, которая осуществляет только полношаговый режим коммутации.

#include <Stepper.h>

const int IN1 = 2;
const int IN2 = 3;
const int IN3 = 4;
const int IN4 = 5;

const int stepsPerRevolution = 32; // шагов за один оборот

Stepper myStepper(stepsPerRevolution, IN1, IN2, IN3, IN4); 

void setup() {
  myStepper.setSpeed(5); // скорость 5 об/минуту
}

void loop() {
  myStepper.step(stepsPerRevolution); // шаг в одном направлении
  delay(500);
 
  Serial.println("counterclockwise");
  myStepper.step(-stepsPerRevolution); // шаг в обратную сторону
  delay(500); 
}

Наконец, когда все подключено, и программа загружена на Ардуино Уно, наблюдаем результат проделанной работы!

Заключение

Итак, мы познакомились с принципом работы униполярного шагового двигателя на примере популярной модели 28byj-48. Такие моторы часто применяются в любительской робототехнике, прежде всего из-за своей низкой цены.

В паре с драйвером ULN2003 мотор даёт небольшой крутящий момент, которого достаточно разве что для создания системы наведения небольшой видеокамеры или для создания стрелочного указателя. Однако, есть методы, которые позволяют увеличить характеристики этого мотора, что позволит его применять в качестве привода на колесных роботах и для создания разного рода схватов. О том как это сделать мы поговорим на следующих уроках!

0

Изменено:

Ардуино: шаговый двигатель 28BYJ-48 и драйвер ULN2003: 25 комментариев

  1. Добрый день! Подскажите:
    1. Программа сохраняется на драйвер?
    2. Программа может отрабатывать без контроллера, а только с драйвером?

    0
    • Программа для контроллера. Драйвер — это ULN2003 весьма простое устройство, неспособное выполнять сложные действия. Есть более умные драйверы, например A4988. Ему достаточно передавать направление и такты. По сути, можно обойтись без контроллера: поставить 555 таймер на тактовый вход. Также на A4988 можно выставить кратность шага, вплоть до 1/16.

      0
  2. Спасибо большое за статью. Правда данный мотор + контроллер на стандартной библиотеке работал довольно плохо и «заднего хода не было». Нашёл бесплатную библиотеку, специально написанную под данный моторчик (28BYJ-48): http://www.codeproject.com/Articles/699986/An-Arduino-Library-to-Control-the-BYJ-Stepper

    0
    • >бесплатную
      LGPL тащемто
      увидишь платную библиотеку для пердуиноИДЕ можешь в суд подавать

      0
  3. Для правильной работы этого драйвера (который является простой сборкой Дарлингтона) нужно изменить порядок подключения в примере. Там они идут по порядку 8,9,10,11; а нужно 8,10,9,11.

    0
  4. Спасибо за статью! Помогла разобраться и на основе приведенного кода создать свой.

    0
  5. Как надежно закрепить что-либо (шестерню, рычаг и т.п.) на валу 28BYJ-48?
    Или просто удлинить вал?
    Есть какие-то муфты, или предполагается, что каждый выкручивается чем Бог послал?

    0
    • Китайцы продают муфты разных диаметров. Ближе к февралю на shop.robotclass.ru появится подобная механика.

      0
  6. Здравствуйте, я скопировал ваш последний код и залил в ардуинку уно, поставил кол-во оборотов 2048 и всё, больше ничего не поменял. Шаговик должен по логике вращаться в одну сторону, а потом в другую, но он у меня вращается только в одну сторону, почему?

    0
    • const int IN2 = 3;
      const int IN3 = 4;

      надо поменять на

      const int IN2 = 4;
      const int IN3 = 3;

      Тогда будет крутиться правильно

      0
  7. Вот так можно отнаследоваться от AccelStepper и получить нормальную поддержку 4096 шагов на один оборот:

    class MyStepper : public AccelStepper {
    public:
    MyStepper(uint8_t interface = AccelStepper::FULL4WIRE, uint8_t pin1 = 2, uint8_t pin2 = 3, uint8_t pin3 = 4, uint8_t pin4 = 5, bool enable = true) : AccelStepper(interface, pin1, pin2, pin3, pin4) {

    }
    void step8(long step) {
    switch (step & 0x7)
    {
    case 0: // 1000
    setOutputPins(0b0001);
    break;

    case 1: // 1100
    setOutputPins(0b0011);
    break;

    case 2: // 0100
    setOutputPins(0b0010);
    break;

    case 3: // 0110
    setOutputPins(0b0110);
    break;

    case 4: // 0010
    setOutputPins(0b0100);
    break;

    case 5: // 0011
    setOutputPins(0b1100);
    break;

    case 6: // 0001
    setOutputPins(0b1000);
    break;

    case 7: // 1001
    setOutputPins(0b1001);
    break;
    }
    };
    };

    MyStepper stepper(AccelStepper::HALF4WIRE, 2, 3, 4, 5);

    stepper.moveTo (4096); //Будет ровно один оборот

    0
  8. Добрый день!
    А как проверить, что шаговый двигатель исправный? У меня при подключении ардуино через usb и заливки скетча шаговый двигатель вообще не крутится!!! Может сломалось что?

    0
  9. Уведомление: Рабочие скечи для управления шаговым двигателем в Arduino IDE – На слуху

  10. Я сделал по библиотеке cheap stepper. Крутится! На лсд вывел по i2c витки. В сериал пишешь количество а движок намотает не больше ни меньше. Серводвигателем подаю проволоку. Догадались? Намоточный станок! Но шаговик медленно крутится. Командой setrpm ставится скорость не выше 20. Выше прошивается но отказывается мотор крутится. Может надо 1 2 ампер а не юсб порт ноута?

    0
    • я думаю намотчик лучше делать на обычном двигателе который будет вращать катушку вместе с инкрементным энкодером. и со степпером заморачиваться не нужно

      0
  11. Какой вес сможет вращать такой двигатель на горизонтальной платформе?

    0
    • Зависит от конструкции поворотного стола. Точнее от передаточного отношения между шестерней (или шкивом) на валу двигателя и шестерней на столе. Можно заставить этот мотор вращать человека, но ооочень медленно.

      0
  12. через вот этот драйвер
    https://ru.aliexpress.com/item/L293D-Mini-4-Channel-CH-Motor-Drive-Shield-Expansion-Board-Module-High-Voltage-Current-Module-For/1859086104.html
    запустил движок флопа, который крутит дискету.
    1. На малых оборотах драйвер греется сильно. Так должно быть ? или с этим можно и нужно бороться?
    2. почему то работает только при запитке цепи двигателя через VIN ардуины, при подключении внешнего питания ардуинка перезагружается в момент запуска двигателя. Это можно победить? Как?

    0
  13. Ребят, а подскажите, как заставить его вращаться против часовой стрелки?

    0
  14. Для управления двумя такими двигателями нужно две платы?
    Если — да, то второй вопрос: получится ли подключить к одной плате, с реле, которое будет переключать контакты между двигателями?

    0

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте как обрабатываются ваши данные комментариев.