Как подключить электродвигатель к Arduino

Для проекта нам понадобятся:

• коллекторный электродвигатель постоянного тока или аналогичный;
• драйвер двигателя L9110S, или шилд на микросхеме L293D или аналогичный;
• шаговый двигатель 28BYJ-48 с драйвером ULN2003 или аналогичный;
• Arduino UNO или иная совместимая плата;
• соединительные провода (например, вот такой набор);
• макетная плата;
• персональный компьютер со средой разработки Arduino IDE.

1Что такое драйвер двигателей и для чего он нужен

Максимальный ток на выводах Arduino слаб (около 50 мА) для такой мощной нагрузки как электромотор (десятки и сотни миллиампер). Поэтому напрямую к выводам Arduino подключать электродвигатель нельзя: есть риск сжечь вывод, к которому подключён двигатель. Для безопасного подключения электродвигателей разных типов к Arduino необходим самодельный или промышленно изготовленный т.н. драйвер двигателей. Драйверы двигателей бывают разные, для их работы часто используются микросхемы типа HG788, L9110S, L293D, L298N и другие. Драйверы двигателей имеют выводы подачи питания, выводы для подключения электродвигателей, а также управляющие выводы.

В данной статье мы будем использовать драйвер для управления двигателями, сделанный на основе микросхемы L9110S. Обычно выпускаются платы, которые поддерживают подключение нескольких двигателей. Но для демонстрации мы обойдёмся одним.

2Схема подключения коллекторного двигателяи драйвера двигателей к Arduino

Самые простые электродвигатели – коллекторные двигатели. У таких моторов всего два управляющих контакта. В зависимости от полярности приложенного к ним напряжения меняется направление вращения вала двигателя, а величина приложенного напряжения изменяет скорость вращения.

Давайте подключим двигатель по приложенной схеме. Питание драйвера двигателя – 5 В от Arduino, для управления скоростью вращения ротора мотора управляющие контакты подключаем к выводам Ардуино, поддерживающим ШИМ (широтно-импульсную модуляцию).

Должно получиться что-то подобное:

3Скетч для управления коллекторным двигателем

Напишем скетч для управления коллекторным двигателем. Объявим две константы для ножек, управляющих двигателем, и одну переменную для хранения значения скорости. Будем передавать в последовательный порт значения переменной Speed и менять таким образом скорость (значением переменной) и направление вращения двигателя (знаком числа).

int Speed = 0;
const int IA1 = 5;  // Управляющий вывод 1
const int IA2 = 6;  // Управляющий вывод 2

void setup() {
  pinMode(IA1, OUTPUT);
  pinMode(IA2, OUTPUT);
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
    if (Serial.available() > 0) {
      String s = Serial.readString(); 
      Speed = s.toInt(); // преобразуем считанную строку в число
    }
    if (Speed > 0) { // если число положительное, вращаем в одну сторону
      analogWrite(IA1, Speed);
      analogWrite(IA2, LOW);      
    }
    else { // иначе вращаем ротор в другую сторону
      analogWrite(IA1, LOW);
      analogWrite(IA2, -Speed);      
    }
}

Максимальная скорость вращения – при наибольшем значении напряжения, которое может выдать драйвер двигателя. Мы можем управлять скоростью вращения, подавая напряжения в диапазоне от 0 до 5 Вольт. Так как мы используем цифровые ножки с ШИМ, напряжение на них регулируется командой analogWtirte(pin, value), где pin – номер вывода, на котором мы хотим задать напряжение, а аргумент value – коэффициент, пропорциональный значению напряжения, принимающий значения в диапазоне от 0 (напряжение на выводе равно нулю) до 255 (напряжение на выводе равно 5 В).

Загрузим скетч в память Arduino. Запустим его. Вал двигателя не вращается. Чтобы задать скорость вращения, нужно передать в последовательный порт значение от 0 до 255. Направление вращения определяется знаком числа.

Подключимся с помощью любой терминалки к порту, передадим число «100» – двигатель начнёт вращаться со средней скоростью. Если подадим «минус 100», то он начнёт вращаться с той же скоростью в противоположном направлении.

А вот так выглядит подключение подключение коллекторного двигателя к Arduino в динамике:

4Управление 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.

Характеристики двигателя 28BYJ-48:

Модуль с микросхемой драйвера для управления шаговым двигателем выглядит так:

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:

Соберём всё по схеме.

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.

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.

// порты для подключения драйвера ULN2003 к Arduino
#define in1 8
#define in2 9
#define in3 10
#define in4 11

int del = 5; // время задержки между импульсами

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

void loop() {
    //фаза 1:
    digitalWrite(in1, HIGH); 
    digitalWrite(in2, LOW); 
    digitalWrite(in3, LOW); 
    digitalWrite(in4, HIGH);
    delay(del);
    
    //фаза 2:
    digitalWrite(in1, HIGH); 
    digitalWrite(in2, HIGH); 
    digitalWrite(in3, LOW); 
    digitalWrite(in4, LOW);
    delay(del);

    //фаза 3:
    digitalWrite(in1, LOW); 
    digitalWrite(in2, HIGH); 
    digitalWrite(in3, HIGH); 
    digitalWrite(in4, LOW);
    delay(del);

    //фаза 4:
    digitalWrite(in1, LOW); 
    digitalWrite(in2, LOW); 
    digitalWrite(in3, HIGH); 
    digitalWrite(in4, HIGH);
    delay(del);
}

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:

// порты для подключения модуля ULN2003 к Arduino
#define in1 8
#define in2 9
#define in3 10
#define in4 11

int del = 5; // время задержки между импульсами

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

void loop() {
  rotateClockwise();
}

// Вращение шагового двигателя по часовой стрелке
void rotateClockwise(){
  phase4();
  phase3();
  phase2();
  phase1();
}

// Вращение шагового двигателя против часовой стрелки
void rotateCounterClockwise(){
  phase1();
  phase2();
  phase3();
  phase4();
}

// Фазы 1...4 шагового двигателя:
void phase1(){
  digitalWrite(in1, HIGH); 
  digitalWrite(in2, LOW); 
  digitalWrite(in3, LOW); 
  digitalWrite(in4, HIGH);
  delay(del);
}

void phase2(){
  digitalWrite(in1, HIGH); 
  digitalWrite(in2, HIGH); 
  digitalWrite(in3, LOW); 
  digitalWrite(in4, LOW);
  delay(del);
}

void phase3(){
  digitalWrite(in1, LOW); 
  digitalWrite(in2, HIGH); 
  digitalWrite(in3, HIGH); 
  digitalWrite(in4, LOW);
  delay(del);
}

void phase4(){
  digitalWrite(in1, LOW); 
  digitalWrite(in2, LOW); 
  digitalWrite(in3, HIGH); 
  digitalWrite(in4, HIGH);
  delay(del);
}

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.

// порты для подключения модуля ULN2003 к Arduino
#define in1 8
#define in2 9
#define in3 10
#define in4 11

int del = 5; // время задержки между импульсами => скорость вращения

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

void loop() {
  rotateClockwise(100);
  delay(1000);
  rotateCounterClockwise(100);
  delay(1000);
}

// Вращение шагового двигателя по часовой стрелке
void rotateClockwise(int n){
  for (int i=0; i<n; i++) {
    phase4();
    phase3();
    phase2();
    phase1();
  }
}

// Вращение шагового двигателя против часовой стрелки
void rotateCounterClockwise(int n){
  for (int i=0; i<n; i++) {
    phase1();
    phase2();
    phase3();
    phase4();
  }
}

// Фазы 1...4 шагового двигателя:
void phase1(){
  digitalWrite(in1, HIGH); 
  digitalWrite(in2, LOW); 
  digitalWrite(in3, LOW); 
  digitalWrite(in4, HIGH);
  delay(del);
}

void phase2(){
  digitalWrite(in1, HIGH); 
  digitalWrite(in2, HIGH); 
  digitalWrite(in3, LOW); 
  digitalWrite(in4, LOW);
  delay(del);
}

void phase3(){
  digitalWrite(in1, LOW); 
  digitalWrite(in2, HIGH); 
  digitalWrite(in3, HIGH); 
  digitalWrite(in4, LOW);
  delay(del);
}

void phase4(){
  digitalWrite(in1, LOW); 
  digitalWrite(in2, LOW); 
  digitalWrite(in3, HIGH); 
  digitalWrite(in4, HIGH);
  delay(del);
}

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.