Подключить шаговые двигатели 28BYJ-48 к ардуино на ULN2003

Шаговый двигатель – принцип работы

Схема шагового двигателя
Шаговый двигатель — это двигатель, который перемещает свой вал в зависимости от шагов и направления, заданных в программе микроконтроллера. Такие устройства чаще всего используются в робототехнике, принтерах, манипуляторах, различных станках и других электронных устройствах. Основное преимущество шаговых двигателей перед двигателями постоянного вращения заключается в обеспечении точного углового позиционирования ротора. Также в шаговых двигателях есть возможность быстрого пуска, остановки, реверса.

Шаговый двигатель обеспечивает поворот ротора на заданный угол соответствующим управляющим сигналом. Благодаря этому есть возможность контролировать положение узлов механизмов и выходить в заданное положение. Работа двигателя осуществляется следующим образом — в центральном валу находится ряд магнитов и несколько катушек. При подаче тока создается магнитное поле, которое воздействует на магниты и заставляет вал вращаться. Такие параметры, как угол поворота (шаг), направление движения задаются в программе для микроконтроллера.

Упрощенные анимированные схемы шагового двигателя

Наиболее важные типы шаговых двигателей:

• Двигатели с переменным магнитом (используются редко);
• Двигатели с постоянными магнитами;
• Гибридные двигатели (сложнее в производстве, дороже, но являются наиболее распространенным типом шаговых двигателей).

Где купить шаговый двигатель

Самые простые варианты двигателей на сайте AliExpress:

Шаговый двигатель Nema17 42BYGH 1.7A (17HS4401-S) для 3D-принтера	Набор из 5 шаговых двигателей ULN2003 28BYJ-48 с платой драйвера для Arduino	Шаговый двигатель с модулем драйвера 5В Шаговый двигатель 28BYJ-48+ULN2003
Еще один вариант шагового двигателя для Arduino 28BYJ-48, 5 В, 4-фазный двигатель постоянного тока + плата для тестирования привода ULN2003	Набор из трех шаговых двигателей Nema17 Stepper Motor 42BYGH 1.7A (17HS4401) для 3D-принтера	AliExpress.com Продукт — Запчасти для 3D-принтеров Драйвер шагового двигателя StepStick A4988 DRV8825 с держателем радиатора Reprap RAMPS 1.4 1.5 1.6 MKS GEN V1.4 Board

Подключение драйвера шагового двигателя A4988 к Arduino UNO

Соединения довольно простые. Начните с подключения VDD и GND (рядом с VDD) к 5V и отрицательным контактам на Arduino. Подключите входные контакты DIR и STEP к цифровым контактам № 2 и № 3 соответственно на Arduino. Подключите шаговый двигатель к контактам 2B, 2A, 1A и 1B.

подключение или отключение шагового двигателя при включенном драйвере может привести к его повреждению.

Затем подключите контакт RST к соседнему контакту SLP/SLEEP, чтобы драйвер оставался включенным. Также оставьте контакты переключателя микрошага отключенными, чтобы двигатель работал на полном шаге.

Наконец, подключите источник питания двигателя к контактам VMOT и GND. Не забудьте поставить большой электролитический развязывающий конденсатор емкостью 100 мкФ на контакты питания двигателя рядом с платой.

Основные выводы

1. Никогда не подключайте/отсоединяйте двигатель при подключенном контроллере.
2. При выборе источника питания обращайте внимание не только на напряжение, но и на мощность адаптера.
3. Не расстраивайтесь, если контроллер A4988 выйдет из строя. Просто закажи новый 😉
4. Используйте библиотеку AcclStepper вместо кода Arduino. Шаговый двигатель, использующий эту библиотеку, будет работать без лишних вибраций.

Драйвер для управления шаговым двигателем

Драйвер — это устройство, которое соединяет контроллер и шаговый двигатель. Для управления биполярным шаговым двигателем чаще всего используются драйверы L298N и ULN2003.

работа двигателя в биполярном режиме имеет несколько преимуществ:

• крутящий момент на 40 % выше, чем у униполярных двигателей;
• Возможность использования двигателей с любой конфигурацией фазной обмотки.

Но существенным недостатком биполярного режима является сложность самого драйвера. Для драйвера однополярного привода требуется всего 4 транзисторных ключа, для работы драйвера биполярного привода требуется более сложная схема. С каждой обмоткой нужно производить разные действия отдельно — подключить к источнику питания, отключить. Для такого соединения используется мостовая схема с четырьмя ключами.

Драйвер шагового двигателя на базе L298N

Этот драйвер моста управляет двигателем до 2 А и до 46 В. Модуль на базе драйвера L298N состоит из микросхемы L298N, системы охлаждения, клеммных колодок, сигнальных контактов, стабилизатора напряжения и защитных диодов.

Драйвер двигателя L298N

Драйвер шагового двигателя ULN2003

Описание драйвера шагового двигателя UNL2003
Шаговые двигатели с модулями драйверов на базе ULN2003 — частые гости в мастерских Arduino из-за их дешевизны и доступности. Как правило, за это приходится расплачиваться не очень высокой надежностью и точностью.

Другие драйвера

Есть еще один тип драйверов — драйверы STEP/DIR. Это аппаратные модули, которые используют протокол STEP/DIR для связи с микроконтроллером. Драйверы STEP/DIR расширяют возможности:

• Они позволяют стабилизировать фазные токи;
• Возможность установки микрошагового режима;
• Обеспечить защиту ключа от короткого замыкания;
• Защита от перегрева;
• Оптоизоляция управляющего сигнала, высокая помехоустойчивость.

Драйверы STEP/DIR используют 3 сигнала:

• ШАГ – импульс, запускающий поворот с шагом/частью шага в зависимости от режима. От частоты повторения импульсов будет определяться скорость вращения двигателя.
• DIR — это сигнал, указывающий направление вращения. Обычно, когда используется высокий сигнал, вращение происходит по часовой стрелке. Этот тип сигнала генерируется перед импульсом STEP.
• ENABLE — включить/отключить драйвер. С помощью этого сигнала можно остановить двигатель без удержания тока.

Одним из самых доступных драйверов STEP/DIR является модуль TB6560-V2. Этот драйвер обеспечивает все необходимые функции и режимы.

Настройка тока двигателя на A4988

На плате драйвера есть потенциометр для регулировки тока. Для регулировки нужен мультиметр, для измерения напряжения на потенциометре.

Размещение токоограничивающих резисторов и потенциометра Vref

Формула Vref для A4988 зависит от значения соответствующих резисторов датчика (обведены кружком на изображении выше). Обычно подписано R050 или R100.

Vref = Imax * 8 * (RS)

Imax — максимальный ток двигателя;

RS — сопротивление резистора. В моем случае RS = 0,100.
Для 17HS4401 Vref = 1,7 * 8 * 0,100 = 1,36 В.

Рабочий ток двигателя составляет 70% тока удержания. Перемножаем полученные значения, чтобы двигатель не нагревался на холостом ходу.

Для 17ХС4401 источник Vref = 1,36 * 0,7 = 0,952 В.

Подключаем драйвер к микроконтроллеру, включаем его и измеряем напряжение Vref на драйвере. Если оно не соответствует нужному нам значению, а оно, скорее всего, не будет, крутим потенциометр в ту или иную сторону и смотрим, что изменилось. Доводим до нужного нам значения и радуемся, ведь ток на драйвере теперь настроен!

Работа шагового двигателя и описание драйвера

Как работает шаговик?

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

Мы будем рассматривать конкретный двигатель 28BYj-48 с драйвером управления ULN2003. Это довольно дешево, легко собирается и легко пишется программа.

В 4-шаговом режиме это может быть 2048 шагов, в 8-шаговом режиме 4096 шагов. Питание 5 В, ток потребления 160 мА. Передаточное число 1:64, то есть одну ступень он будет делать на 5,625 градуса. Крутящий момент составляет 34 мН.м. Средняя скорость 15 об/мин, с помощью программного кода ее можно разогнать до 35 об/мин, но вы должны понимать, что мы теряем в этом случае мощность и точность.

Размеры двигателя даны из первоисточника — техпаспорта производителя Kiatronics.

А вот так это выглядит изнутри:

Для небольших технических проектов идеально подходит 28BYj-48. Основное его преимущество – дешевизна и простота. Прилагаю спецификацию:

Тип двигателя	Униполярный шаговый двигатель
Количество фаз	четыре
Рабочий стресс	5-12 вольт
Частота	100 Гц
Частота под нагрузкой	> 600 Гц
Крутящий момент	> 34,3 мН*м (120 Гц)
Пошаговый режим	рекомендуется полушаговый режим (8-шаговая последовательность сигналов управления)
Угол шага	8-ступенчатая последовательность сигналов управления — 5,625º/шаг 4-ступенчатая последовательность сигналов управления — 11,25º/шаг
Обмен передач	Производитель заявляет 64:1
Вес	30 г

Шаговый двигатель имеет четыре обмотки, которые включаются последовательно:

Чтобы заставить двигатель двигаться по часовой стрелке, необходимо поочередно подать напряжение на обмотки. Мотор работает в двух режимах, шаговом и полушаговом, чем они отличаются, мы сейчас разберем.

1. Пошаговый режим — это когда две из четырех обмоток активируются на каждом шаге. См карту включения обмотки: Для этого метода используется моя библиотека
Степпер.ч.

Управление	Фазы для степпинга
один	2	3	четыре
4 апельсина
3 желтых
2 розовых
1 синий

2. Полушаговый режим —

это когда первая обмотка находится под напряжением, потом вторая и третья вместе, потом четвертая и т.д. В техпаспорте разработчика указано, что полушаговый режим для двигателя предпочтителен. Подробно показано на карте подключения:

Управление	Фазы полушага
один	2	3	четыре	5	6	7	восемь
4 апельсина
3 желтых
2 розовых
1 синий

Читайте также: Домофон включен или выключен, как определить?

Описание драйвера ULN2003

Плата представляет собой силовой модуль, содержащий семь независимых транзисторов Дарлингтона. Каждая пара представляет собой каскад из двух биполярных транзисторов. УЛН2003

представляет собой своеобразный усилитель с током нагрузки 500 мА и напряжением 50 В. На картинке изображена сама плата и описание ее выводов.

Входы управления IN1,IN2,IN3,IN4

подключите любые дискретные контакты на Arduino Uno. Если кому интересно, то статью можно прочитать здесь. Светодиоды показывают, какой шаг сделал двигатель. Клеммы для подключения внешнего источника питания. Рекомендую работать с отдельным аккумулятором, так как нагрузка может увеличиться до 1 А. Только не забудьте переставить перемычку на внешнее питание на двигатель.

Настройка микрошага A4988

Для настройки микрошага на этом модуле необходимо подать напряжение на определенные контакты.

Таблица разделов A4988

На плате Ramps 1.4 для изменения микрошага предусмотрены специальные перемычки, расположенные под блоком самого драйвера, подписанные как M0, M1, M2 или MS0, MS1, MS2.

A4988 Current Limiting

Прежде чем подключить двигатель, мы должны настроить ограничение тока драйвера, чтобы мы были уверены, что ток находится в пределах тока двигателя. Мы можем сделать это, отрегулировав опорное напряжение с помощью потенциометра на плате и учитывая это уравнение:

Однако это уравнение не всегда верно, так как существуют разные производители платы драйвера A4988. Вот демонстрация моего случая: я отрегулировал потенциометр и измерил опорное напряжение 0,6 В. Таким образом, предел тока должен быть равен 0,6*2, что равно 1,2 А.

Теперь, поскольку я использую драйвер в полношаговом режиме, и, согласно техническому описанию A4988, в этом режиме ток обмотки может достигать только 70% от предельного тока, 1,2 А * 0,7 будет равно 0,84 А. Чтобы проверить это, я загрузил простой код, который посылает непрерывный логический высокий уровень на вывод Step (чтобы мы могли лучше заметить ток), соединил свой счетчик последовательно с обмоткой двигателя и включил его. То, что я получил, было 0,5 А, что означает, что уравнение не было правильным для моего случая.

Программа для Arduino

Оказывается, есть отличная библиотека шаговых двигателей, написанная ребятами из Adafruit. Используем библиотеку AcclStepper и шаговый двигатель начинает работать плавно, без чрезмерных вибраций.

Характеристики A4988

• Напряжение питания: 8-35В
• Микрошаговый режим: 1, 1/2, 1/4, 1/8, 1/16
• Логическое напряжение: 3-5,5 В
• Максимальный ток на фазу: — 1 А без радиатора; — 2 А с радиатором
• Защита от перегрева и короткого замыкания
• Размер: 20 х 15 мм

Подключение Nema 17 через A4988

Соединение было выполнено на основе этой ветки на форуме Arduino.

На самом деле, эта схема присутствует практически на каждом блог-сайте, посвященном Arduino. Плата питалась от блока питания на 12 вольт. Но двигатель не запускался. Проверил все соединения, проверил снова и снова…

Первая проблема

Наш 12-вольтовый адаптер не выдавал достаточного тока. В итоге адаптер заменили на 8 батареек АА. И двигатель закрутился! Ну а потом захотелось перейти от макетной платы к прямому подключению. И так возник

Вторая проблема

Когда все было спаяно, двигатель снова перестал двигаться. Почему? Это все еще не ясно. Пришлось вернуться к макетной плате. И тут возникла вторая проблема. Стоило сначала посидеть на форуме или внимательно прочитать даташит. Вы не можете отключить двигатель, когда контроллер подключен! В итоге контроллер А4988 благополучно сгорел.

Проблема решилась покупкой нового драйвера на eBay. Сейчас, уже с учетом накопленного печального опыта, Nema 17 подключили к А4988 и запустили, но…

Подключение шагового двигателя к Ардуино

Подключение рассмотрим на примере униполярного двигателя 28BYj-48 и драйверов L298 и ULN2003. В качестве контроллера будет использоваться Arduino Uno.

Подключите шаговый двигатель к Arduino

Другой вариант схемы с использованием L298:

Подключить шаговый двигатель к Ардуино на базе L298

Схема подключения на базе ULN2003 показана на рисунке ниже. Управляющие выходы драйвера IN1-IN4 подключены ко всем цифровым контактам Arduino. В этом случае используются цифровые контакты 8-11. Питание подключено к 5В. Также рекомендуется использовать отдельный источник питания для двигателя, чтобы плата Arduino не перегревалась.

Подключите шаговый двигатель к Arduino

Схема основного подключения.

Принципиальная схема подключения шагового двигателя

Еще одна схема подключения биполярного шагового двигателя Nema17 через драйвер L298 выглядит следующим образом.

БИБЛИОТЕКА ДЛЯ ШАГОВОГО ДВИГАТЕЛЯ ARDUINO

Для подключения шаговых двигателей к Ардуино необходимо использовать драйверы. Очень дешевые и популярные моторы 28бый-48-5в часто продаются с их драйвером (транзисторным устройством ULN2003), можно подключить любые 4 контакта Ардуино и пользоваться.

Для работы с большими степперами (такими как Nema 17) нужно использовать специализированные драйвера, ниже вы найдете описания и схемы подключения для A4988, DRV8825 и TMC2208, драйвера этого формата подключаются и работают практически одинаково, так как конструкция для Щит с ЧПУ и сменный. Для этих драйверов нужно регулировать ток с помощью крутилки на плате.

Это можно сделать «на глаз», поворачивая мотор и регулируя ручку. Мотор должен вращаться, но не вибрировать как перфоратор и не сильно нагреваться. Подстраивать ток лучше по опорному напряжению Vref, для каждого драйвера он рассчитывается по своей формуле (см картинки ниже). Берем из описания ток нашего мотора, подставляем его в формулу вместо тока, считаем и накручиваем получившееся напряжение скруткой. Для измерения опорного напряжения нужно подключить щупы вольтметра к самой скрутке и выводу GND.

Основное преимущество дорогих TMC-драйверов — отсутствие шума/свиста/вибрации при работе, так как драйвер самостоятельно интерполирует сигнал с микрошагом 1/256.

Обзор основных моделей шаговых двигателей для ардуино

Nema 17 — это биполярный шаговый двигатель, который чаще всего используется в 3D-принтерах и станках с ЧПУ. Серия двигателей 170xHSxxxA универсальна.

Основные характеристики двигателя:

• Угловой шаг равен 1,8°, то есть на 1 оборот приходится 200 шагов;
• Мотор — двухфазный;
• Рабочие температуры от -20С до 85С;
• Номинальный ток 1,7А;
• Удерживающий момент 2,8 кг х см;
• Оснащен фланцем 42 мм для удобного и качественного монтажа;
• Высокий крутящий момент — 5,5 кг х см.

28BYJ-48 — униполярный шаговый двигатель. Используется в небольших проектах роботов, сервоблоков, радиоуправляемых блоков.

Характеристики двигателя:

• Номинальная мощность — 5В;
• 4-х фазный двигатель, 5 проводов;
• Количество ступеней: 64;
• Угол тангажа 5,625°;
• Скорость вращения: 15 оборотов в секунду
• Крутящий момент 450 г/см;
• Сопротивление постоянному току 50 Ом ± 7% (25 ℃).

Как подключить модуль A4988 к Arduino

Подключить драйвер A4988 к Arduino очень просто. Нам нужно подключить блок питания к логической части, к которому мы можем подключить 5В от Arduino. Также нам нужен блок питания, напряжение которого соответствует потребностям двигателя, но оно должно быть больше 8В.

К выходам драйвера подключаем шаговый двигатель, а к пинам STEP и DIR подключаем цифровые пины Arduino, которыми мы хотим управлять мотором. Схема подключения показана ниже, где Arduino используется для питания логики, а адаптер 12 В используется для привода двигателя.

A4988 Stepper Driver Pinout

Теперь давайте подробнее рассмотрим распиновку драйвера и подключим его к шаговому двигателю и контроллеру. Итак, мы начинаем с 2 контактов на кнопке с правой стороны для питания драйвера, VDD и контактов заземления, которые нам нужны для подключения их к источнику питания от 3 до 5,5 В, и в нашем случае это будет наш контроллер, Arduino. Плата, обеспечивающая 5 В.

Следующие 4 контакта предназначены для подключения двигателя. Контакты 1A и 1B подключаются к одной катушке двигателя, а контакты 2A и 2B — к другой катушке двигателя. Для управления двигателем мы используем следующие 2 вывода, заземление и VMOT, которые нам нужны для подключения к источнику питания от 8 до 35 В, а также нам необходимо использовать развязывающий конденсатор емкостью не менее 47 мкФ для защиты платы драйвера от скачков напряжения.

Следующие два вывода, Шаг и Направление — это выводы, которые мы фактически используем для управления движениями двигателя. Контакт направления управляет направлением вращения двигателя, и нам нужно подключить его к одному из цифровых контактов на нашем микроконтроллере или, в нашем случае, я подключу его к контакту номер 4 на плате Arduino.

С помощью вывода Step мы управляем микрошагами двигателя, и с каждым импульсом, отправленным на этот вывод, двигатель перемещается на один шаг. Это означает, что нам не нужно никакого сложного программирования, таблиц чередования фаз, линий управления частотой и так далее, потому что обо всем позаботится встроенный транслятор драйвера A4988. Здесь мы также должны упомянуть, что эти 2 вывода не подключены к какому-либо внутреннему напряжению, поэтому мы не должны позволять им плавать в нашей программе.

Далее идет контакт SLEEP, и низкий логический уровень переводит плату в спящий режим, чтобы минимизировать энергопотребление, когда двигатель не используется.

Затем контакт RESET устанавливает транслятор в предопределенное исходное состояние. Это исходное состояние или исходное положение микрошага можно увидеть на этих рисунках из таблицы данных A4988. Итак, это начальные положения, в которых запускается двигатель, и они различаются в зависимости от разрешения микрошага. Если входное состояние этого вывода равно низкому логическому уровню, все входы STEP будут игнорироваться.

Контакт Reset является плавающим контактом, поэтому, если мы не собираемся управлять им с помощью нашей программы, нам нужно подключить его к контакту SLEEP, чтобы перевести его в высокий уровень и активировать плату.

Следующие 3 контакта (MS1, MS2 и MS3) предназначены для выбора одного из пяти разрешений каскада в соответствии с приведенной выше таблицей истинности. Эти контакты имеют внутренние подтягивающие резисторы, поэтому, если мы оставим их отключенными, плата будет работать в полношаговом режиме.

Последний вывод ENABLE используется для включения или выключения выходов FET. Таким образом, высокий логический уровень будет держать выходы отключенными.

Описание библиотеки для работы с шаговым двигателем

В среде разработки Arduino IDE есть стандартная библиотека Strepper.h для написания программ для шаговых двигателей. Основные возможности этой библиотеки:

• Степпер (количество шагов, номер вывода). Эта функция создает объект Stepper, который соответствует двигателю, подключенному к плате Arduino. Аргументом служат контакты на плате, к которым подключен мотор, и количество шагов, совершаемых для полного оборота вокруг оси. Информацию о количестве ступеней можно найти в документации на двигатель. Вместо количества шагов можно указать угол, который равен одному шагу. Чтобы определить количество шагов, разделите 360 градусов на это число.
• Set Speed​​(long rpm) — это функция, которая задает скорость вращения. Аргумент представляет собой положительное целое число, определяющее количество оборотов в минуту. Устанавливается после функции Step().
• Step(Steps) – повернуть на заданное количество шагов. Аргумент может быть как положительным числом — вращение двигателя по часовой стрелке, так и отрицательным числом — против часовой стрелки.

Circuit Schematics

Вот полная схема. Я хочу использовать привод в режиме полного шага, поэтому я оставляю 3 контакта MS отключенными и просто подключаю выводы направления и шага привода к контактам № 3 и 4 на плате Arduino, а также к контактам заземления и 5 В для запуска доски. Я также буду использовать конденсатор 100 мкФ для развязки и адаптер 12 В, 1,5 А для привода двигателя. Я хочу использовать биполярный шаговый двигатель NEMA 17, а провода A и C подключаются к контактам 1A и 1B, а провода B и D — к контактам 2A и 2B.

Код Arduino — простой пример

Следующий скетч даст вам полное представление о том, как управлять скоростью и направлением вращения биполярного шагового двигателя с помощью драйвера шагового двигателя A4988, и может послужить основой для более практических экспериментов и проектов.

Пояснение к скетчу:

Скетч начинается с определения контактов Arduino, к которым подключены контакты STEP и DIR A4988. Мы также определяем stepsPerRevolution. Установите его в соответствии со спецификациями шагового двигателя.

В разделе setup() кода все контакты управления двигателем объявлены как цифровые выходы.

В цикле loop() мы медленно вращаем двигатель по часовой стрелке, а затем быстро вращаем его против часовой стрелки с интервалом в одну секунду.

Управление направлением вращения: для управления направлением вращения двигателя мы устанавливаем вывод DIR на высокий или низкий уровень. Высокий уровень сигнала вращает двигатель по часовой стрелке, а низкий сигнал — против часовой стрелки.

Скорость двигателя определяется частотой импульсов, которые мы отправляем на вывод STEP. Чем чаще импульсы, тем быстрее вращается двигатель. Импульсы — это не что иное, как установка высокого уровня, некоторое ожидание, затем установка низкого уровня и снова ожидание. Изменяя задержку между двумя импульсами, вы изменяете частоту этих импульсов и, следовательно, скорость двигателя.

Распиновка модуля A4988

Паяльник YIHUA 8858 Модернизированная версия, мощность: 600 Вт, расход воздуха: 240 л/ч…Подробнее

Подключение к плате RAMPS 1.4

Правильное размещение драйверов DRV8825 и A4988 на плате рампы

Помните о том, как разместить драйвер, неправильное размещение может и, скорее всего, приведет к отключению вашего драйвера. В остальном подключение не должно вызвать никаких проблем. Для разделения шага на плате предусмотрены перемычки чуть ниже драйверного блока.

Шаговый двигатель сильно вибрирует

При вращении ротора двигатель сильно вибрировал. Ни о каком плавном движении речи не шло. Google снова приходит на помощь. Первая мысль — неправильное подключение обмоток. Ознакомление с паспортом шагового двигателя и несколькими форумами убедило меня, что проблема не в этом. При неправильном подключении обмоток двигатель просто не заработает. Решение проблемы было в эскизе.