2 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Arduino и двигатели

Перед тем как разбираться, как именно моторы работаю, давайте сосредоточимся на том, для чего они используются. Моторы используют электромагнитные силы для обеспечения движения, преобразования электроэнергии в механическую.

Магнитные поля создают силу, которая может перемещать объекты. Каждый магнит имеет магнитное поле с северным и южным полюсом. Если вы попробуете приблизить два северных полюса двух магнитов, они будут отталкиваться. То же самое произойдет, если вы попытаетесь приблизить два южных полюса. Если полюса одинаковые, они будут отталкиваться друг от друга. Если же вы приблизите северный полюс одного с южному полюсу другого магнита, они притянутся с определенным усилием. То есть, противоположные полюса притягиваются друг к другу.

Электродвигатель использует свойства магнитов отталкиваться и притягиваться для генерации движения. В обычном электродвигателе два магнита: постоянный и переменный. Переменный магнит называется электромагнитом. Электромагнит создается с помощью пропускания электрического тока через проводник. Постоянный магнит постоянно имеет магнитное поле (северный и южный полюса), а электромагнит генерирует магнитное поле только, когда через него пропускают электрический ток. Сила магнитного поля электромагнита может быть увеличена с помощью повышения тока, проходящего через проводник или методом формирования нескольких обмоток проводника.

В электродвигателе электромагнит устанавливается на ось таким образом, что он может свободно вращаться внутри магнитного поля постоянного магнита. В момент, когда через проводник проходит электрический ток, переменное магнитное поле взаимодействует со статическим магнитным полем магнита, возникают силы отталкивания и притяжения. Это заставляет электромагнит вращаться, возникает движение.

Основные узлы электродвигателя:

— Постоянный магнит (магниты), в случае, когда он установлен неподвижно, называется статором;

— внутри статора есть катушка, которая установлена на оси и вращается, называется ротором.

Драйвер двигателя L298N

Модуль используется для управления шаговыми двигателями с напряжением от 5 до 35 В. При помощи одной платы L298N можно управлять сразу двумя двигателями. Наибольшая нагрузка, которую обеспечивает микросхема, достигает 2 А на каждый двигатель. Если подключить двигатели параллельно, это значение можно увеличить до 4 А.

Плата выглядит следующим образом:

Распиновка микросхемы L298N:

  • Vcc – используется для подключения внешнего питания;
  • 5В;
  • Земля GND;
  • IN1, IN2, IN3, IN4 – используется для плавного управления скоростью вращения мотора;
  • OUT1, OUT2 – используется для выхода с первого двигателя;
  • OUT3, OUT4 – используется для выхода со второго двигателя;
  • S1 – переключает питание схемы: от внешнего источника или от внутреннего преобразователя;
  • ENABLE A, B – требуются для раздельного управления каналами. Используются в двух режимах – активный, при котором каналами управляет микроконтроллер и имеется возможность изменения скорости вращения, и пассивный, в котором невозможно управлять скоростью двигателей (установлено максимальное значение).

При подключении двух двигателей, нужно проверить, чтобы у них была одинаковая полярность. Если полярность разная, то при задании направления движения они будут вращаться в противоположные стороны.

Драйвер двигателя L293D

L293D – является самой простой микросхемой для работы с двигателями. L293D обладает двумя H-моста, которые позволяют управлять двумя двигателями. Рабочее напряжение микросхемы – 36 В, рабочий ток достигает 600 мА. На двигатель L293D может подавать максимальный ток в 1,2 А.

В схеме имеется 16 выходов. Распиновка:

  • +V – питание на 5 В;
  • +Vmotor – напряжение питания для мотором до 36 В;
  • 0V – земля;
  • En1, En2 –включают и выключают H-мосты;
  • In1, In2 – управляют первым H-мостом;
  • Out1, Out2 – подключение первого H-моста;
  • In3, In4 – управляют вторым H-мостом;
  • Out3, Out4 – подключение второго H-моста.

Для подключения к микроконтроллеру Arduino Uno нужно соединить выходы In1 на L293D и 7 пин на Ардуино, In2 – 8, In3 – 2, In4 – 3, En1 – 6, En2 – 5, V – 5V, Vmotor – 5 V, 0V – GND. Пример подключения одного двигателя к Ардуино показан на рисунке.

3 комментария . Оставить новый

Отличная статья. Небольшое дополнение.

Читать еще:  Стенд для изучения сдвиговых регистров на низком уровне

>>В некоторых случаях может получиться так, что при реверсе транзистор успеет открыться, но ему комплементарный ещё не закроется и возникнет короткое замыкание.

Лучше всего это смотреть на схеме моста. Из этой схемы видно, что первоначальная озвученная причина в статье не верна.
Предполагаю, что описанная компенсация нужна из-за наличия инертности тока в моторе (мотор по сути катушка индуктивности) и при резком изменении полярности подключенного тока мы заставляем ток, отдаваемый моторомкатушкой работать против ЭДСпитания. Из-за этого очень сильно просаживается питание и может привести к нестабильностиперезагрузке контроллера.

При этом рекомендация по исправлению дана верно:

>>Чтобы этого избежать, можно прижимать пины к одному напряжению на несколько миллисекунд и только потом выполнять реверс.

Открыв оба нижних или оба верхних транзистора одновременно мы, таким образом, замкнем моторкатушку на саму себя и если дать немного времени (обождать несколько мс.) то побочный ток в результате короткого замыкания исчезнет и просадки не будет.

Здравствуйте! Благодарим вас за добавление ценной информации!

Интерфейсы

Контроллер имеет три независимых аппаратных UART интерфейса:

Для программирования приема и передачи данных через эти порты обращайтесь к ним как Serial1 и Sertial2, например:

Разъемы шины I2C расположены в верхнем левом углу платы:

Для удобства выведено два разъема с питанием, оба разъема подключены параллельно. При необходимости к шине можно подключить намного больше двух устройств, если использовать самодельные разветвители или макетную плату.

Помимо двух разъемов с питанием линии SCL и SDA выведены на разъем Arduino в соответствии со стандартом R3.

В наборах Роботрек к разъему I2C Подключается Датчик положения (гироскоп/акселерометр)

Bluetooth

Bluetooth-модуль HC-06 располагается посередине платы и общается с основным микроконтроллером через интерфейс UART0. Помимо этого модуль может управлять сбросом микроконтроллра, поэтому через Bluetooth можно как просто обмениваться данными как через беспроводной UART интерфейс (например, для организации дистанционного управления), так и перепрошивать контроллер.

Bluetooth-модуль настроен на работу на скорости 115200. Каждый модуль имеет уникальное имя, соответствующее наклейке на модуле.

Для управление модулем предусмотрено несколько джамперов:

Модуль Bluetooth автоматически отключается от линий данных UART0 при появлении питания на USB. При этом питание с модуля не снимается. Это сделано во избежание конфликтов сигналов и для быстрого перепрограммирования через USB При использовании Bluetooth ПДУ.

Рядом с Bluetooth-модулем расположен светодиод состояния модуля:

Пароль для подключения по умолчанию — 1234. При необходимости пароль можно изменить АТ-командами

Интерфейс ICSP предназначен для перепрошивки основного микроконтроллера внутрисхемными программаторами без использования bootloader-а. Инетерфейс является частью интерфейса Arduino, его расположение и распиновка совпадают с Arduino UNO R3:

Неграмотная прошивка микроконтроллера может навсегда вывести его из строя. Прошивайте микроконтроллер программатором только если точно знаете, что делаете и зачем это нужно.

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).

Читать еще:  Модель магнитно-гравитационного двигателя

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.

БИБЛИОТЕКА GYVERSTEPPER

GyverStepper v1.5

GyverStepper – производительная библиотека для управления шаговыми моторами

  • Поддержка 4х фазных (шаг и полушаг) и STEP-DIR драйверов
  • Автоматическое отключение питания при достижении цели
  • Режимы работы:
    • Вращение с заданной скоростью
    • Следование к позиции с ускорением и ограничением скорости
    • Следование к позиции с заданной скоростью (без ускорения)
  • Быстрый алгоритм управления шагами
  • Два алгоритма плавного движения:
    • Модифицированный планировщик из библиотеки AccelStepper: максимальная плавность и скорость до 7’000 шагов/сек с ускорением (для активации пропиши дефайн SMOOTH_ALGORITHM )
    • Мой планировщик обеспечивает максимальную производительность: скорость до 30’000 шагов/сек с ускорением (активен по умолчанию). Т.е. на небольшой скорости экономит кучу процессорного времени для других задач.

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
Версия 1.2: добавлена поддержка ESP и других Ардуино-совместимых плат
Версия 1.3: исправлена логика setTarget(val, RELATIVE)
Версия 1.4: добавлена задержка между STEP HIGH и STEP LOW

Подключение L298N к плате Arduino

Работать с модулем L298N довольно просто и комфортно. Здесь не придётся изучать тонны литературы с описанием замороченных протоколов. Все сводится к простому переключению логических уровней на выводах Arduino плюс к генерации ШИМ, если требуется управлять скоростью вращения.
Так как драйвер способен управлять двумя типами моторов (щёточным или шаговым), то и работа с ним строится по-разному. Рассмотрим для начала подключение обычных щёточных моторов постоянного тока и управление ими с помощью платы Arduino Nano. На рисунке №4 показана соответствующая схема подключения.

Рисунок №4 – схема подключения двух щёточных двигателей постоянного тока

Следует обратить внимание, что в схеме предусмотрена возможность управления скоростью вращения, поэтому выводы ENA и ENB драйвера подключены к пинам Arduino, способным выдавать ШИМ-сигнал. Arduino питается от отдельного источника 7-12 В. Если напряжение питания моторов лежит в этом же диапазоне, то можно объединить питающие цепи в одну общую. Также необходимо следить за тем, чтобы минусовые провода всех элементов схемы были соединены между собой.
Для демонстрации возможностей модуля, напишем скетч, который будет вращать моторы с различной скоростью и периодически менять направления их вращения. Ниже приведена программа с подробными комментариями, которая реализует задуманный алгоритм.

В самом верху программы задаются макроопределения всех выводов, используемых в проекте. В функции Setup() все выводы Arduino Nano, участвующие в управлении, задаются в качестве выхода. На выводах IN1-IN4 выставляются логические нули, чтобы двигатели гарантированно не вращались в момент старта программы. В главном цикле, программа обеспечивает вращение двигателей в одном направлении, увеличивая их скорость каждые 3 секунды. Когда разгон вырастает до максимального, моторы начинают вращаться в обратном направлении, постепенно замедляя скорость. На пике сбрасывания скорости, алгоритм повторяется заново. Как видим, сложного здесь ничего нет. Теперь разберёмся с шаговым двигателем. На рисунке №5 показана схема его подключения к плате Arduino Nano.

Рисунок №5 — схема подключения шагового двигателя к Arduino Nano

В качестве демонстрационной модели использован популярный шаговый двигатель NEMA17. Он способен вращаться с частотой до 60 оборотов в минуту и имеет разрешающую способность 200 шагов на один оборот. Следует обратить внимание, что выводы ENA и ENB должны быть подтянуты к +5V путём установки перемычек на самом модуле. Таким образом управляющему сигналу будет разрешено проходить на обмотки шагового двигателя. Также, в случае использования двигателя NEMA17, напряжение его питания не должно превышать 12V. Ниже приведён пример кода с комментариями, который заставит двигатель вращаться в разные стороны, меняя своё направление после каждого полного оборота. В программе использована стандартная библиотека Stepper.h, которая значительно упрощает процесс разработки ПО для проектов с шаговыми двигателями.

Читать еще:  Домашний защитный модуль коллекторных электродвигателей

Как можно заметить, библиотека сокращает код до минимума, так что разобраться в нём не составит никакого труда даже начинающему программисту.

4 Управление шаговым двигателем с помощью Arduino

Шаговый двигатель позволяет вращать ротор на определённый угол. Это бывает полезно, когда необходимо задать положение какому-либо механизму или его узлу. Шагом двигателя называется минимальный угол, на который можно повернуть ротор двигателя. Угол поворота и направление движения задаются в управляющей программе. Существует большое разнообазие шаговых двигателей. Рассмотрим работу с ними на примере двигателя 28BYJ-48 с драйвером ULN2003.

Шаговый двигатель с контроллером —> Шаговый двигатель с контроллером

Характеристики двигателя 28BYJ-48:

ХарактеристикаЗначение
Количество фаз4
Напряжение питанияот 5 до 12 В
Число шагов64
Размер шага5,625°
Скорость вращения15 об./сек
Крутящий момент450 г/см

Модуль с микросхемой драйвера для управления шаговым двигателем выглядит так:

Модуль с драйвером ULN2003

На входы IN1…IN4 подаются управляющие сигналы от Arduino. Используем любые 4 цифровых пина, например, D8…D11. На вход питания необходимо подать постоянное напряжение от 5 до 12 В. Двигателю желательно обеспечить отдельное питание. Но в данном случае, т.к. не планируется использовать двигатель на постоянной основе, можно подать питание и от Arduino. Перемычка «Вкл/выкл» просто разрывает «плюс» питания, подаваемого на драйвер. В «боевом» изделии сюда можно, например, коммутировать питание с помощью реле, когда это необходимо, чтобы снизить потребление всего изделия. Итак, схема подключения будет такой:

Схема подключения шагового двигателя с драйвером ULN2003 к Arduino

Соберём всё по схеме.

Подключение шагового двигателя 28BYJ-48 к Arduino

Для Arduino «из коробки» существует готовая библиотека для управления шаговыми двигателями. Она называется Stepper. Можно посмотреть готовые примеры в среде разработки для Arduino: File Examples Stepper. Они позволяют управлять шаговым двигателем, изменяя скорость и направление движения, поворачивать ротор на заданный угол. Как говорится – бери и пользуйся. Но давайте попробуем разобраться с принципом работы шагового двигателя самостоятельно, не применяя никаких библиотек.

Двигатель 28BYJ-48 имеет 4 фазы. Это означает, что у него имеются 4 электромагнитные катушки, которые под действием электрического тока притягивают сердечник. Если напряжение подавать на катушки поочерёдно, это заставит сердечник вращаться. Рисунок иллюстрирует данный принцип.

Схема работы шагового двигателя

Здесь на (1) напряжение подано на катушки A и D, на (2) – на A и B, (3) – B и С, (4) – C и D. Далее цикл повторяется. И таким образом ротор двигателя вращается по кругу.

Напишем самый простой скетч для уравления шаговым двигателем. В нём просто будем вращать двигатель с постоянной скоростью в одном направлении, используя только что описанный принцип.

Простейший скетч управления шаговым двигателем (разворачивается)

Как можно догадаться, задержка del определяет скорость вращения двигателя. Уменьшая или увеличивая её можно ускорять или замедлять двигатель.

Если загрузить этот скетч, то увидим, что шаговый двигатель вращается против часовой стрелки. Соответственно, можно вынести цикл вращения в одну сторону в отдельную функцию rotateCounterClockwise(). И сделать аналогичную функцию вращения в противоположную сторону rotateClockwise(), в которой фазы будут следовать в обратном порядке. Также вынесем в отдельные функции каждую из 4-х фаз чтобы избежать дублирования одинакового кода в нескольких местах программы. Теперь скетч выглядит несколько интереснее:

Скетч управления шаговым двигателем (разворачивается)

Если мы загрузим скетч и проверим, поворачивается ли ротор двигателя на целый оборот, если один раз вызвать функцию rotateClockwise(), то обнаружим, что нет. Для совершения полного оборота функцию необходимо вызвать несколько раз. Соответственно, хорошо бы добавить в качестве аргумента функции число, которое будет показывать количество раз, которые она должна выполняться.

Финальный скетч управления шаговым двигателем (разворачивается)

Вот теперь совсем другое дело! Мы можем управлять скоростью шагового двигателя, задавая задержку после каждой фазы. Мы можем менять направление движения ротора двигателя. И, наконец, мы умеем поворачивать ротор на некоторый угол. Осталось только определить, какое число необходимо передавать в функции поворота rotateClockwise() и rotateCounterClockwise(), чтобы ротор шагового двигателя 1 раз провернулся на 360° вокруг своей оси. Собственно, дальнейшие наработки – вопрос фантазии или необходимости.

Ссылка на основную публикацию
Статьи c упоминанием слов:
Adblock
detector