Подключение двигателя к ардуино: Управление щёточными моторами

Содержание

Arduino и двигатели||Arduino-diy.com

Одно из самых интересных в хобби-электронике – это использование двигателей для «оживления» ваших проектов.

Однако добавление мотора в ваш проект может оказаться непростой задачей, особенно, если вы до этого с приводами не работали.

Данная статья даст вам понимание принципов работы двигателей различных типов и пояснит многие необходимые нюансы и их особенности.

Принцип работы двигателей

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.

Двигатели постоянного тока

Двигатели постоянного тока (DC motor) во многом являются самыми простыми электродвигателями. Большинство «щеточных» двигателей работают одинаково. Есть ротор и статор. Есть магниты на статоре и катушка на роторе с магнитным полем, которое генерируется с помощью подачи на нее силы тока.

Есть щетки внутри мотора, которые заставляют двигаться ротор.

При использовании источника постоянного тока, для управления подобным двигателем практически ничего не надо. Скорость его вращения зависит от силы тока, которая поступает на катушки от источника питания к коммутатору.

Для вращения оси двигателя в противоположном направлении, достаточно подключить контакты от источника питания к двигателю наоборот.

Шаговые двигатели

Как и двигатели постоянного тока, шаговые двигатели состоят из ротора и статора. Но, в отличие от других двигателей, ротор шагового двигателя представляет из себя постоянный магнит, который вращается внутри полей, создаваемых электромагнитами. Статор состоит из нескольких катушек, которые расположены в корпусе мотора. Когда ток проходит через катушки, подвижный вал двигателя (который является, по сути, постоянным магнитом) располагается в соответствии с генерируемым электромагнитной катушкой полем. Когда катушки заряжаются в определенной последовательности, вал двигателя выбирает новые положения и, соответственно, начинает вращаться.

Ротор приводится в движение последовательной подачей напряжения на катушки. Шаговый двигатель имеет возможность проворачивать ротор на определенный шаг в зависимости от разрешения импульса.

Шаговые двигатели являются отличным выбором для проектов на Arduino (и не только) по нескольким причинам. Они стоят относительно недорого, у них маленькая погрешность, следовательно – это идеальный выбор для управления с разомкнутой системой управления (без дополнительных датчиков положения рабочего органа). Шаговые двигатели будут обеспечивать заданное положение ротора исключительно в зависимости от поданной силы тока.

Эти двигатели предназначены для вращения в одном и противоположном направлении. Если вы подключите источник питания к контактам шагового двигателя, вал начнет вращаться. Если вы подключите проводники наоборот, он будет вращаться в противоположном направлении. Правда, стоит учесть, что в некоторых шаговых двигателях вращение в противоположную сторону невозможно. Перед его запуском, уточняйте этот момент.

Серводвигатели

Обычные серводвигатели для моделистов используются для поворота и удерживания определенной позиции в диапазоне от 0 до 180 градусов. Благодаря этому они находят широкое применение в робототехнике, приводах позиционирования. В производстве серводвигатели используются в модулях рулевого управления автомобилями, лодками, в механизмах фокусировки современных видеокамер.

В большинстве случаем серводвигатели имеют три провода: питание, земля и сигнал. Обычно провод питания красного цвета, земля – черного или коричневого. Сигнал – желтый, оранжевый или белый.

В серводвигателях, которые, например, используются в системах управления радиоуправляемых машин, электродвигатель подключен к потенциометру. Стандартный приемник/передатчик посылает ШИМ-сигналы на серву. Электроника (небольшая плата-контроллер) внутри серводвигателя, переводит ширину импульса в положение. Когда на серву поступает сигнал к повороту, питание будет подаваться на мотор до тех пор, пока потенциометр не достигнет положения, которое будет соответствовать заданному предварительно через приемник/передатчик.

Сигнал управления является цифровым ШИМ сигналом с частотой 50 Гц. Каждые 20 миллисекунд подается цифровой импульс управления. Продолжительность (ширина) импульса находится в диапазоне от 1.0 миллисекунды до 2.0 миллисекунд. 1.5 – середина диапазона. Большая ширина импульса может использоваться для дополнительного хода, который выходит за нормальный рабочий диапазон. ШИМ (широтно-импульсная модуляция) сигнал иногда называют ШПМ (широтно-позиционная модуляция), хотя это не корректно.

Импульс шириной 1.5 миллисекунды обычно устанавливает серводвигатель в «нейтральное» положение или 90 градусов. Импульс шириной 1.25 миллисекунд может установить его в 0 градусов, а импульс 1.75 миллисекунды в 180 градусов. Физические ограничения и время для различных серводвигателей могут отличаться, но его нейтральное положение всегда соответствует 1.5 миллисекундам.

Вибрационные двигатели

Вибрационные двигатели часто используются в мобильных устройствах для регистрации наличия движения.

Вибрационные моторы по конструктивному исполнению похожи на большинство шаговых двигателей и двигателей постоянного тока. Отличием является то, что на конце ротора установлен эксцентрик. При движении ротора, эксцентрик заставляет механизм внутри корпуса двигателя вибрировать. Интенсивность вибрации зависит как от размеров двигателя, так и от размеров эксцентрика.

На видео сверху показан мотор, установленный на металлической основе. Обратите внимание, как лист металла совершает волновые движения под действием вибрации вибрационного мотора.

Как выбрать двигатель для проекта

Выбор типа двигателя для вашего проекта зависит от того, что именно вы собираетесь автоматизировать. Если вы хотите установить камеру и обеспесить ее поворот влево-вправо, идеальным выбором будет серводвигатель. Если вы передаете движение на зубчатые колеса с необходимостью обеспечения реверса, лучшим выбором станет шаговый двигатель.

Естественно, отличным выбором для управления вашим двигателем станет плата Arduino или ее клоны. Отличительной позитивной чертой данных плат является то, что их пины могут быть использованы для комплексных проектов, включая дополнительное подключение к двигателям датчиков, систем контроля и т.п.

Дальше в статье приведена информация о том, как можно быстро «оживить» выбранный вами предварительно двигатель с использованием платы Arduino.

Использование шагового двигателя с Arduino

Стоит отметить, что «оживлять» свои проекты с помощью плат Arduino и оболочки Arduino IDE для их программирования очень легко из-за наличия большого количества уже готовых библиотек. Подключение шагового двигателя к плате Arduino отличается от подключения двигателя постоянного тока. Существует специальная библиотека и функция, встроенные в Arduino IDE. Более детально об этом вы можете почитать здесь.

После открытия Arduino IDE, перейдите в меню во вкладку

File -> Examples -> Stepper -> stepper_oneRevolution

Данная программа дает возможность управлять уни- или биполярным шаговым двигателем после его подключения к цифровым пинам 8-11 на плате Arduino. После загрузки скетча на плату Arduino, шаговый двигатель должен сделать один оборот по часовой стрелке, после этого – один поворот против часовой стрелки.

Данный пример – отличное начало. Естественно, вы можете вносить свои коррективы в программу, подстраивая ее под свои задачи. Задержка указывается в миллисекундах, так что если вы не хотите выдерживать паузу между оборотами, можете выставить задержку delay(10). Или, для того, чтобы замедлить вращение можете изменить stepsPerRevolution и присвоить ему значение, например, (1000000).

Изменения скетча зависят от того, что именно вы хотите реализовать. Для лучшего понимания того, как именно происходит обмен данными между шаговым двигателем и платой Arduino, советую поэкспериментировать с другими примерами.

Использование двигателя постоянного тока / вибрационного двигателя с Arduino

В некоторых проектах нет смысла использовать микропроцессоры вроде Arduino. Например, если вы делаете игрушку для ребенка (или взрослого) и хотите установить в нее вибрационный двигатель, гораздо эффективнее и лучше использовать простую кнопку для запуска двигателя.

В таком случае, мотор будет подключатся непосредственно к вашему источнику питания через выключатель, который соединен с позитивным коннектором вашего двигателя.

Использование серводвигателя с Arduino

Так же как и шаговые двигатели, для работы серводвигателей в оболочке Arduino IDE есть встроенная библиотека.

После открытия Arduino IDE, перейдите в меню во вкладку

File -> Examples -> Servo -> Knob

Данная программа обеспечивает управление серводвигателем, который подключен к 9-му ШИМ пину платы Arduino. Потенциометр, в свою очередь, подключен к аналоговому пину 0 и обеспечивает управление положением серводвигателя, посылая напряжение, пропорциональное сопротивлению на пин А0 платы Arduino. Скетч, который «залит» в плату Arduino, интерпретирует сигнал в импульсы, которые посылаются на серводвигатель. Двигатель обеспечивает поворот вала в соответствии с положением «крутилки» потенциометра.

Драйверы двигателя L298N, L293D и Arduino Motor Shield

Драйвер двигателя выполняет крайне важную роль в проектах ардуино, использующих двигатели постоянного тока или шаговые двигатели. C помощью микросхемы драйвера или готового шилда motor shield можно создавать мобильных роботов, автономные автомобили на ардуино и другие устройства с механическими модулями. В этой статье мы рассмотрим подключение к ардуино популярных драйверов двигателей на базе микросхем L298N и L293D.

Драйвер двигателя в проектах ардуино

Для чего нужен драйвер двигателя?

Как известно, плата ардуино имеет существенные ограничения по силе тока присоединенной к ней нагрузки. Для платы это 800 mA, а для каждого отдельного вывода – и того меньше, 40mA. Мы не можем подключить напрямую к Arduino Uno, Mega или Nano даже самый маленький двигатель постоянного тока. Любой из этих двигателей в момент запуска или остановки создаст пиковые броски тока,  превышающие этот предел.

Как же тогда подключить двигатель к ардуино? Есть несколько вариантов действий:

Использовать реле. Мы включаем двигатель в отдельную электрическую сеть, никак не связанную с платой Arduino. Реле по команде ардуино замыкает или размыкает контакты, тем самым включает или выключает ток. Соответственно, двигатель включается или выключается. Главным преимуществом этой схемы является ее простота и возможность использовать  Главным недостатком данной схемы является то, что мы не можем управлять скоростью и направлением вращения.

Использовать силовой транзистор. В данном случае мы можем управлять током, проходящим через двигатель, а значит, можем управлять скоростью вращения шпинделя. Но для смены направления вращения этот способ не подойдет.

Использовать специальную схему подключения, называемую H-мостом, с помощью которой мы можем изменять направление движения шпинделя двигателя. Сегодня можно без проблем найти как микросхемы, содержащие два или больше H-моста, так и отдельные модули и платы расширения, построенные на этих микросхемах.

В этой статье мы рассмотрим последний, третий вариант, как наиболее гибкий и удобный для создания первых роботов на ардуино.

Микросхема или плата расширения Motor Shield

Motor Shield – плата расширения для Ардуино, которая обеспечивает работу двигателей постоянного тока и шаговых двигателей. Самыми популярными платами Motor Shield являются схемы на базе чипов L298N и L293D, которые могут управлять несколькими двигателями. На плате установлен комплект сквозных колодок Ардуино Rev3, позволяющие устанавливать другие платы расширения. Также на плате имеется возможность выбора источника напряжения – Motor Shield может питаться как от Ардуино, так и от внешнего источника. На плате имеется светодиод, который показывает, работает ли устройство. Все это делает использование драйвера очень простым и надежным – не нужно самим изобретать велосипеды и решать уже кем-то решенные проблемы. В этой статье мы будем говорить именно о шилдах.

Принцип действия H-моста

Принцип работы драйвера двигателя основан на принципе работы H-моста. H-мост является электронной схемой, которая состоит из четырех ключей с нагрузкой. Название моста появилось из напоминающей букву H конфигурации схемы.

Схема моста изображена на рисунке. Q1…Q4 0 полевые, биполярные или  IGBT транзисторы. Последние используются в высоковольтных сетях. Биполярные транзисторы практически не используются, они могут присутствовать в маломощных схемах. Для больших токов берут полевые транзисторы с изолированным затвором. Ключи не должны быть замкнуты вместе одновременно, чтобы не произошло короткого замыкания источника. Диоды D1…D4 ограничительные, обычно используются диоды Шоттки.

С помощью изменения состояния ключей на H-мосте можно регулировать направление движения и тормозить моторы. В таблице приведены основные состояния и соответствующие им комбинации на пинах.

Q1 Q2 Q3 Q4 Состояние
1 0 0 1 Поворот мотора вправо
0 1 1 0 Поворот мотора влево
0 0 0 0 Свободное вращение
0 1 0 1 Торможение
1 0 1 0 Торможение
1 1 0 0 Короткое замыкание
0 0 1 1 Короткое замыкание

 

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.

Драйвер двигателя на микросхеме HG7881

HG7881 – двухканальный драйвер, к которому можно подключить 2 двигателя или четырехпроводной двухфазный шаговый двигатель. Устройство часто используется из-за своей невысокой стоимости. Драйвер используется только для изменения направления вращения, менять скорость он не может.

Плата содержит 2 схемы L9110S, работающие как H-мост.

Характеристики драйвера HG7881:
  • 4-контактное подключение;
  • Питание для двигателей от 2,5 В до 12 В;
  • Потребляемый ток менее 800 мА;
  • Малые габариты, небольшой вес.
Распиновка:
  • GND – земля;
  • Vcc – напряжение питания 2,5В – 12В;
  • A-IA – вход A(IA) для двигателя A;
  • A-IB – вход B (IB) для двигателя A;
  • B-IA – вход A(IA) для двигателя B;
  • B-IB – вход B (IB) для двигателя B.

В зависимости от поданного сигнала на выходах IA и IB будет разное состояние для двигателей. Возможные варианты для одного из моторов приведены в таблице.

IA IB Состояние мотора
0 0 Остановка
1 0 Двигается вперед
0 1 Двигается назад
1 1 Отключение

 

Подключение одного двигателя к Ардуино изображено на рисунке.

Сравнение модулей

Модуль L293D подает максимальный ток в 1,2А, в то время как на L298N можно добиться максимального тока в 4 А. Также L293D обладает меньшим КПД и быстро греется во время работы. При этом L293D является самой распространенной платой и стоит недорого.  Плата HG7881 отличается от L293D и L298N тем, что с ее помощью можно управлять только направлением вращения, скорость менять она не может. HG7881 – самый дешевый и самый малогабаритный модуль.

Подключение L298N к Arduino

Как уже упоминалось, в первую очередь нужно проверить полярность подключенных двигателей. Двигатели, вращающиеся в различных направлениях, неудобно программировать.

Нужно присоединить источник питания. + подключается к пину 4 на плате L298N, минус (GND) – к 5 пину. Затем нужно соединить выходы с L298N и пины на Ардуино, причем некоторые из них должны поддерживать ШИМ-модуляцию. На плате Ардуино они обозначены ~. Выходы с L298N IN1, IN2, IN3 и IN4 подключить к D7, D6, D5 и D4 на Ардуино соответственно. Подключение всех остальных контактов представлено на схеме.

Направление вращения задается с помощью сигналов HIGH и LOW на каждый канал. Двигатели начнут вращаться, только когда на 7 пине для первого мотора и на 12 пине для второго на L298N будет сигнал HIGH. Подача LOW останавливает вращение. Чтобы управлять скоростью, используются ШИМ-сигналы.

Для управления шаговым двигателем в Arduino IDE существует стандартная библиотека Stepper library. Чтобы проверить работоспособность собранной схемы, можно загрузить тестовый пример stepper_oneRevolution. При правильной сборке вал двигателя начнет вращаться.

При работе с моторами Ардуино может периодически перезагружаться. Это возникает из-за того, что двигателям требуются большие токи при старте и в момент торможения. Для решения этой проблемы в плату встроены конденсаторы, диоды и другие схемы. Также для этих целей на шидле имеется раздельное питание.

Драйвер коллекторного двигателя VNh3SP30 | arduinoLab

VNh3SP30 это мостовой (H-bridge) драйвер для мощных коллекторных двигателей.

Характеристики драйвера:


Особенности модуля:

Модуль собран на микросхеме-драйвере VNh3SP30 от STMicroelectronics, в драйвере использованы современные MOSFET транзисторы с сопротивлением перехода 19 MΩ, драйвер имеет защиту по температуре, перенапряжению и короткому замыканию.


Подключение модуля к Arduino:

Назначение выходов:

Обозначение на обратной стороне платы,

  • +5V — Питание 5 вольт, не понятно зачем, по всей видимости нужно для подтягивающих резисторов.
  • GND — Пояснений не требует, масса.
  • EN — Включение драйвера, чтобы включить драйвер нужно подать логическую единицу.
  • CS — Выход датчика тока.
  • INA — Вход драйвера A.
  • INB — Вход драйвера B.
  • PWM — Вход для управления скоростью вращения двигателя.

Модуль можно подключать на любые свободные выходы arduino, кроме ноги PWM, для него выход должен уметь генерировать ШИМ, такие выходы обозначены ~ (тильдой).


Софт:

#define INA 3     // выходы arduino
#define INB 4 
#define EN 2
#define PWM 6

int motorSpeed = 255; //  скорость мотора

void setup(){
  pinMode(INA, OUTPUT);   
  pinMode(INB, OUTPUT);  
  pinMode(EN, OUTPUT);   

  digitalWrite(EN, HIGH);
}

void loop()
{
     digitalWrite(INA, LOW);      // крутим мотор в одну сторону
     digitalWrite(INB, HIGH);    
     analogWrite(PWM,motorSpeed);  
     delay(1000);
     
     digitalWrite(INA, HIGH);    // крутим мотор в противоположную сторону
     digitalWrite(INB, LOW);
     analogWrite(PWM, motorSpeed);  
     delay(1000);
     
     digitalWrite(EN, LOW);     // выключаем
     delay(1000);
     digitalWrite(EN, HIGH);
      
} 


Использование для управления нагрузкой:

потом


Видео: