Библиотека работы с шаговым двигателем

Подключение шагового двигателя к Ардуино

Шаговый двигатель Arduino ► предназначен для перемещения объекта на заданное количество шагов вала. Рассмотрим устройство и схему подключения шагового двигателя.

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 занятия нам понадобятся следующие детали:

  • плата Arduino Uno / Arduino Nano / Arduino Mega;
  • драйвер шагового двигателя ULN2003;
  • шаговый двигатель 28BYJ-48;
  • провода «папа-мама».

Схема подключения шагового двигателя к Arduino UNO

Источник

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.

Читайте также:  Левитационный двигатель своими руками

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 v1.5

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

ДОКУМЕНТАЦИЯ

Документация

Инициализация

Библиотека поддерживает два типа драйверов:

  • STEPPER2WIRE – специализированный 2-х проводной драйвер для шагового мотора с протоколом STEP-DIR, например A4988, DRV8825, TMC2208 и прочие.
  • STEPPER4WIRE и STEPPER4WIRE_HALF – 4-х проводной драйвер, т.е. полномостовой (например L298N) или транзисторная сборка (например ULN2003).
    • STEPPER4WIRE управляет мотором в полношаговом режиме (выше скорость и момент).
    • STEPPER4WIRE_HALF – в полушаговом (меньше скорость и момент, но больше шагов на оборот и выше точность).

При инициализации указывается тип драйвера, количество шагов на оборот и пины:

  • GStepper stepper(steps, step, dir); // драйвер step-dir
  • GStepper stepper(steps, step, dir, en); // драйвер step-dir + пин enable
  • GStepper stepper(steps, a1, a2, b1, b2); // драйвер 4 пин
  • GStepper stepper(steps, a1, a2, b1, b2, en); // драйвер 4 пин + enable
  • GStepper stepper(steps, a1, a2, b1, b2); // драйвер 4 пин полушаг
  • GStepper stepper(steps, a1, a2, b1, b2, en); // драйвер 4 пин полушаг + enable

Где steps – количество шагов на один оборот вала для расчётов с градусами, step , dir , a1 , a2 , b1 , b2 – любые GPIO на МК, en – пин отключения драйвера EN, любой GPIO на МК. Пин en опциональный, можно не указывать.

Для 4-х пиновых драйверов: a1 и a2 – первая обмотка (первая фаза), b1 и b2 – вторая обмотка (вторая фаза). При использовании мотора 28byj-48 с родным драйвером нужно поменять крайние пины местами (например, подключаем D2-IN1, D3-IN2, D4-IN3, D5-IN4, но в программе меняем 5 и 2: stepper(2048, 5, 3, 4, 2); , потому что на драйвере фазы выведены через одну, вот картинка). При подключении через мостовой драйвер – подключать и указывать пины по порядку выхода фаз из мотора (см. последнюю схему выше).

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:

  • Пример 1: есть мотор NEMA 17, он имеет 200 полных шагов на оборот (по документации). Подключен через драйвер с настроенным микрошагом 1/16. При создании объекта библиотеки нужно указать 200*16 шагов.
  • Пример 2: есть мотор 28byj-48-5v, имеет 32 полных шага на оборот и редуктор с соотношением 63.68395:1. Подключен через микросхему ULN2003. Итоговое количество шагов на оборот составляет 63.68395*32 == 2038 для режима полного шага ( STEPPER4WIRE ).
  • Пример 3: подключим тот же самый мотор 28byj-48-5v, но в режиме полушага ( STEPPER4WIRE_HALF ). Количество шагов на оборот удвоится (32*2 == 64) и, с учётом редуктора, станет равным 4076 .
Читайте также:  Через сколько километров делают капитальный ремонт двигателя

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):

  • A4988 – 1 мкс
  • DRV8825 – 4 мкс
  • TB6500 – 1 мкс

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:

Тик и тайминги

Самый главный метод библиотеки – tick() , при активной работе мотора его нужно вызывать как можно чаще. Тик имеет встроенный таймер на micros() и работает по нему. Если в коде программы присутствуют задержки на большее время, чем нужно мотору на текущей скорости, скорость мотора будет ограничена этой задержкой.

Узнать минимальный период вызова tick() (при установленной скорости) можно при помощи getMinPeriod() , который вернёт его в микросекундах. Также можно напрямую опрашивать переменную stepTime , в которой хранится текущий период. Эти инструменты можно использовать для организации работы шаговика в прерывании таймера (см. пример timerISR).

Также .tick() возвращает true , если мотор движется к цели или крутится по KEEP_SPEED и false , если мотор остановлен или приехал.

Метод getState() возвращает текущее состояние мотора аналогично tick() .

Смена направления

Можно глобально (для всех режимов) сменить направление вращения мотора при помощи reverse(true) .

Режимы работы

Библиотека имеет два режима работы с мотором, устанавливается при помощи setRunMode(mode) , где mode :

  • FOLLOW_POS – режим плавного движения к заданной позиции с ускорением и ограничением скорости.
  • KEEP_SPEED – режим вращения с заданной скоростью (знак скорости задаёт направление вращения).

Режим FOLLOW_POS

В этом режиме мотор следует на указанную позицию в шагах или градусах. Для её установки есть следующие методы:

  • setTarget(pos) – установка абсолютной целевой позиции в шагах, принимает положительные и отрицательные значения (тип данных long ).
  • setTarget(pos, type) – то же самое, но можно указать тип позиции type – абсолютная ABSOLUTE или относительная RELATIVE .
  • setTargetDeg(pos) – установка абсолютной целевой позиции в градусах, принимает положительные и отрицательные дробные значения (тип данных float ).
  • setTargetDeg(pos, type) – то же самое, но можно указать тип позиции type – абсолютная ABSOLUTE или относительная RELATIVE .

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:

  • getTarget() – возвращает тип данных long
  • getTargetDeg() – возвращает тип данных float
Читайте также:  Как прозвонить двигатель 380 вольт тестером

Дополнительно можно настроить максимальную скорость и ускорение при движении к целевой позиции:

  • setMaxSpeed(speed) – установка максимальной скорости по модулю в шагах/секунду, тип данных int . По умолчанию 300.
  • setMaxSpeedDeg(speed) – установка максимальной скорости по модулю в градусах/секунду, тип данных int .
  • setAcceleration(accel) – установка ускорения по модулю в шагах/сек/сек, тип данных float . По умолчанию 300.
  • setAccelerationDeg(accel) – установка ускорения по модулю в градусах/сек/сек, тип данных float .

Примечание: при установке ускорения в ноль 0 мотор будет двигаться к позиции с максимальной скоростью, заданной в setMaxSpeed() .

Также можно вручную установить текущую позицию мотора в шагах и градусах при помощи:

  • setCurrent(long pos);
  • setCurrentDeg(float pos);

Режим KEEP_SPEED

В этом режиме мотор просто крутится с заданной скоростью. Скорость задаётся при помощи

  • setSpeed(speed) – в шагах/секунду, положительные и отрицательные целые значения, тип данных int .
  • setSpeedDeg(speed) – в градусах/секунду, положительные и отрицательные дробные значения, тип данных float .

(New!) Вторым аргументом можно передать включение плавного изменения скорости, по умолчанию стоит false ( NO_SMOOTH ). Смотри пример accelDeccelButton

  • setSpeed(speed, smooth) – в шагах/секунду, положительные и отрицательные целые значения, тип данных int . smooth – SMOOTH или NO_SMOOTH
  • setSpeedDeg(speed, smooth) – в градусах/секунду, положительные и отрицательные дробные значения, тип данных float . smooth – SMOOTH или NO_SMOOTH

Установленную скорость можно прочитать:

  • getSpeed() – возвращает тип данных int
  • getSpeedDeg() – возвращает тип данных float

Алгоритм планировщика скорости

В библиотеке реализовано два алгоритма планирования скорости для режима плавного движения к позиции с ненулевым ускорением:

  • Мой алгоритм: скорость планируется с фиксированным периодом, что сильно разгружает процессор и позволяет работать на скоростях до 30’000 шагов в секунду (полностью загрузив процессор) без наличия посторонних задержек в коде. Сильная экономия процессорного времени оставляет возможность спокойно выполнять параллельно другой код и управлять несколькими моторами в разных режимах на хороших скоростях, и “ещё останется”. Немного “резковат” при торможении. Активен по умолчанию.
  • Модифицированный алгоритм из библиотеки AccelStepper: скорость планируется каждый шаг, что очень сильно нагружает процессор и ограничивает скорость до 7’000 шагов в секунду (полностью загрузив процессор) без наличия посторонних задержек в коде (в оригинальной библиотеке – 5’000 шагов/сек). Разгоняется и тормозит максимально плавно. Для активации нужно прописать дефайн #define SMOOTH_ALGORITHM перед подключением библиотеки в коде (см. пример smoothAlgorithm) или раскомментировать данный дефайн в файле библиотеки GyverStepper.h, находится сразу после описания.

Остановка и сброс

  • stop() – плавная остановка с заданным в setAcceleration() ускорением от текущего положения мотора. Можно вызвать в режиме KEEP_SPEED для плавной остановки вращения! Смотри пример accelDeccelButton
  • brake() – резкая остановка мотора. Если активен autoPower(true) – мотор будет отключен.
  • reset() – brake() + сброс текущей позиции в 0 . Удобно для остановки и калибровки начала координат по концевику (смотри пример endSwitch).

Управление питанием

Питанием мотора/драйвера можно управлять вручную при помощи enable() и disable() . Данные методы включают и выключают пин Enable (если он указан при инициализации), а также снимают и возвращают питание на управляющие выводы (для 4х пинового драйвера).

Поведением пина EN (если он указан при инициализации) можно управлять при помощи invertEn(true) и invertEn(false) . По умолчанию установлено enable(false) переводит пин en в низкое состояние.

В библиотеке реализовано автоматическое управление питанием, включается при помощи autoPower(true) , по умолчанию оно отключено. В режиме FOLLOW_POS при достижении целевой позиции мотор будет автоматически отключен (будет вызван disable() ). При дальнейшей установке новой позиции мотор будет автоматически включен (будет вызван enable() ).

Источник

Adblock
detector