Управление шаговыми двигателями с Arduino: унипольные и биполярные схемы

Шаговые двигатели — особый класс моторов, которые позволяют точно управлять положением вала без обратной связи. Вал такого двигателя оснащён серией магнитов и вращается под воздействием электромагнитных катушек, которые поочерёдно заряжаются в строго определённой последовательности. Благодаря этому мотор перемещается небольшими дискретными «шагами» — вперёд или назад.

Существует два типа шаговых двигателей: унипольные (Unipolar) и биполярные (Bipolar). Прежде чем собирать схему, важно точно определить, с каким типом вы работаете, — схемы подключения для них принципиально отличаются. Примеры кода ниже подходят для обоих типов. Ориентируйтесь на схемы unipolar и bipolar, чтобы правильно подключить свой мотор.

Управление шаговым двигателем (как унипольным, так и биполярным) осуществляется через цифровые пины 8, 9, 10 и 11. В зависимости от типа мотора между Arduino и обмотками двигателя устанавливается либо U2004 Darlington Array (для унипольного), либо SN754410NE H-Bridge (для биполярного).

Необходимые компоненты

Плата Arduino
Шаговый двигатель
U2004 Darlington Array (для унипольного шагового двигателя)
SN754410ne H-мост (для биполярного шагового двигателя)
Источник питания, подходящий для вашего двигателя
Соединительные провода
Макетная плата (breadboard)

Схемы подключения

Ниже приведены схемы для обоих типов шаговых двигателей. В обоих случаях настоятельно рекомендуется питать двигатель от внешнего источника: шаговые моторы потребляют значительный ток, и запитывать их напрямую от Arduino не следует — это может повредить плату.

Важно: обе схемы ниже рассчитаны на четырёхпроводное подключение. Двухпроводные конфигурации с приведённым кодом работать не будут.

Унипольный шаговый двигатель — схема подключения

Unipolar Motor Knob Circuit. Image made using Fritzing. Схема подключения унипольного шагового двигателя с потенциометром (макетная плата). Изображение создано в Fritzing.

Unipolar Motor Knob Schematic. Image made using Fritzing. Принципиальная схема подключения унипольного шагового двигателя с потенциометром. Изображение создано в Fritzing.

Биполярный шаговый двигатель — схема подключения

Bipolar Motor Knob Circuit. Image made using Fritzing. Схема подключения биполярного шагового двигателя с потенциометром (макетная плата). Изображение создано в Fritzing.

Bipolar Motor Knob Schematic. Image made using Fritzing. Принципиальная схема подключения биполярного шагового двигателя с потенциометром. Изображение создано в Fritzing.

Как это работает

Ардуино использует встроенную библиотеку Stepper, которая берёт на себя формирование правильной последовательности импульсов для управления катушками. Вам достаточно указать количество шагов на оборот и задать скорость через setSpeed(). Всё остальное библиотека делает сама.

Драйверы — U2004 для унипольных и SN754410 для биполярных — нужны потому, что Arduino не способна напрямую обеспечить ток, достаточный для питания обмоток. Драйвер работает как усилитель: получает слабый управляющий сигнал от Arduino и коммутирует мощный ток от внешнего источника питания.

Примеры программ

MotorKnob

Шаговый двигатель повторяет положение потенциометра (или другого аналогового датчика), подключённого к аналоговому входу A0. Удобный способ проверить точность позиционирования.

#include <Stepper.h>

// измените это значение на количество шагов вашего двигателя
#define STEPS 100

// создаём экземпляр класса stepper, указывая
// количество шагов двигателя и пины, к которым он
// подключён
Stepper stepper(STEPS, 8, 9, 10, 11);

// предыдущее значение с аналогового входа
int previous = 0;

void setup() {
  // устанавливаем скорость двигателя 30 RPM
  stepper.setSpeed(30);
}

void loop() {
  // считываем значение датчика
  int val = analogRead(0);

  // выполняем количество шагов, равное изменению
  // показания датчика
  stepper.step(val - previous);

  // запоминаем предыдущее значение датчика
  previous = val;
}

StepperOneRevolution

Двигатель совершает один полный оборот в одну сторону, затем один полный оборот в обратную. Простой тест для проверки правильности подключения и направления вращения.

#include <Stepper.h>

const int stepsPerRevolution = 200;  // измените это значение в соответствии с количеством шагов на оборот
// для вашего двигателя

// инициализируем библиотеку stepper на пинах 8–11:
Stepper myStepper(stepsPerRevolution, 8, 9, 10, 11);

void setup() {
  // устанавливаем скорость 60 rpm:
  myStepper.setSpeed(60);
  // инициализируем последовательный порт:
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  // один оборот в одном направлении:
  Serial.println("clockwise");
  myStepper.step(stepsPerRevolution);
  delay(500);

  // один оборот в обратном направлении:
  Serial.println("counterclockwise");
  myStepper.step(-stepsPerRevolution);
  delay(500);
}

StepperOneStepAtATime

Двигатель делает по одному шагу с большим интервалом. Этот пример идеально подходит для отладки: если все четыре провода подключены к правильным пинам, каждый шаг будет в одном направлении. Если мотор «дёргается» или вращается хаотично — значит, провода перепутаны.

#include <Stepper.h>

const int stepsPerRevolution = 200;  // измените это значение в соответствии с количеством шагов на оборот
// для вашего двигателя

// инициализируем библиотеку stepper на пинах 8–11:
Stepper myStepper(stepsPerRevolution, 8, 9, 10, 11);

int stepCount = 0;         // количество шагов, выполненных двигателем

void setup() {
  // инициализируем последовательный порт:
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  // выполняем один шаг:
  myStepper.step(1);
  Serial.print("steps:");
  Serial.println(stepCount);
  stepCount++;
  delay(500);
}

StepperSpeedControl

Двигатель вращается по часовой стрелке. Скорость вращения определяется положением потенциометра: чем выше его значение, тем быстрее вращение. Имейте в виду, что функция setSpeed() задаёт задержку между шагами, поэтому на малых скоростях двигатель может реагировать на изменения потенциометра с заметным запозданием.

#include <Stepper.h>

const int stepsPerRevolution = 200;  // измените это значение в соответствии с количеством шагов на оборот
// для вашего двигателя


// инициализируем библиотеку stepper на пинах 8–11:
Stepper myStepper(stepsPerRevolution, 8, 9, 10, 11);

int stepCount = 0;  // количество шагов, выполненных двигателем

void setup() {
  // в setup ничего делать не нужно
}

void loop() {
  // считываем значение датчика:
  int sensorReading = analogRead(A0);
  // приводим его к диапазону от 0 до 100:
  int motorSpeed = map(sensorReading, 0, 1023, 0, 100);
  // устанавливаем скорость двигателя:
  if (motorSpeed > 0) {
    myStepper.setSpeed(motorSpeed);
    // выполняем 1/100 оборота:
    myStepper.step(stepsPerRevolution / 100);
  }
}

Типичные ошибки и советы по отладке

Мотор гудит, но не вращается. Скорее всего, слишком мал ток от внешнего источника питания или неправильно подключены провода обмоток. Проверьте даташит на ваш конкретный двигатель.
Мотор вибрирует на месте или делает хаотичные шаги. Провода обмоток перепутаны. Используйте пример StepperOneStepAtATime, чтобы найти правильную последовательность.
Arduino перезагружается при запуске мотора. Двигатель потребляет слишком много тока и просаживает питание. Обязательно используйте отдельный источник питания для мотора.
Мотор греется даже в покое. Это нормально для шаговых двигателей — ток через обмотки течёт постоянно. Если перегрев критичный, рассмотрите драйверы с функцией отключения тока в покое.
Направление вращения противоположно ожидаемому. Поменяйте местами два провода одной из обмоток.