Arduino количество оборотов двигателя

Обработка сигналов энкодеров в Arduino

Методист по олимпиадной робототехнике Университета Иннополис Алексей Овсянников рассказывает, как обработывать сигналы энкодеров двигателей робота в Arduino.

Множество команд используют для создания робота широко распространенный набор Lego Mindstorms EV3 или аналогичные (VEX и подобные). Их особенность в использовании датчиков и приводов всего нескольких видов, строго определенных производителем. Контроллеры получают информацию о повороте вала мотора с точностью до градуса, могут определить текущую скорость вращения мотора или синхронизировать их (замедлить любой мотор при замедление другого и т.д.) буквально одной командой.

Олимпиада Innopolis Open in Robotics не ограничивает участников в выборе оборудования (кроме очевидного запрета на использование готовых, фабричной сборки, роботов в некоторых номинациях). Вопрос лишь в том, как использовать всю широту ассортимента китайских магазинов.

Алгоритмы синхронизации моторов хорошо описаны в пособии «Управление моторами тележки с контроллером Трик на JavaScript«. Олег Киселев, автор пособия, описывает алгоритмы, которые можно перенести на любую другую платформу. Но и в этих примерах обращения к датчикам оборотов — энкодерам — происходит через готовые команды el.reset(), er.read() и подобные. Если же использовать в качестве контроллера робота Arduino, ESP- или STM-платы, то подобные команды придется реализовывать самостоятельно.

Очевидно, что для решения задач с точными проездами и поворотами (или перемещениями звеньев робота), необходимо использовать моторы с датчиком оборотов — энкодером. Он даст обратную связь, покажет, достаточно или недостаточно повернулся вал мотора. Такие датчики имеют различную точность показаний и могут устанавливаться по-разному.

Рассмотрим принцип действия энкодера. Чаще всего в простых дешевых системах используются квадратурные инкрементные энкодеры. Эти страшные слова означают, что они выдают прямоугольные импульсы (резко, а не плавно, возникающий и пропадающий сигнал) и, посчитав эти импульсы, можно понять, насколько провернулся мотор. Какого-то определенного начального положения, начала отсчета, у энкодера нет. Подсчет потребуется реализовывать в программе контроллера. Проще всего объяснить работу оптического энкодера, который содержит диск-крыльчатку с прозрачными и непрозрачными областями (реже — с отражающими и не отражающими областями), источник и приемники оптического излучения.

Оптический сигнал проходит через «окна» в диске и попадает на фотоприемники, которые выдают сигнал. Если свет не проходит, то сигнала нет. Чем быстрее вращается диск, тем короче становятся импульсы. Таким образом измеряется скорость вращения. А как определить направление? Для этого ставят два приемника, таким образом, чтобы один из них открывался в тот момент, когда второй «видит» как раз середину окна (показывает середину импульса).

Обратите внимание, что при вращении диска по часовой стрелке сперва «открывается» приемник А — импульс на нем появляется раньше, чем на приемнике В. При вращении против часовой стрелки сигнал появляется сперва на приемнике B, потом на А. Отслеживание и сравнение сигналов позволяет понять направление вращения диска и вала, к которому он закреплен.

Стоит отметить, что энкодер может быть не только оптическим, широко распространены датчики на основе эффекта Холла, улавливающие поле вращающихся на валу мотора магнитов.

Еще раз присмотримся к сигналам, приходящим с приемников A и В: за полный период (цикл, который повторяется при отслеживании одного «окна» на диске) есть четыре состояния выходов. Можно отслеживать их все и увеличить точность измерений или отслеживать только один выход (А или В), а по второму определять направление. Какого только колхоза в программах, отслеживающих энкодеры, я ни встречал. Кто-то пытается ловить код единицами и нулями, которые обозначены на рисунке, кто-то делает пятиэтажные опросы. Но об этом поговорим позже, возможно даже, не в этой статье.

Возьмем для примера два распространенных мотора: Pololu 25mm metal gearmotor и TETRIX MAX DC Motor. Оба они являются мотор-редукторами, что означает совмещение электромотора и редуктора в одном устройстве. Электромотор вращается очень быстро, но слабо, а редуктор увеличивает усилие, снижая скорость вращения. В итоге на выходном валу мотор-редуктора мы получаем меньшую частоту вращения, но большее усилие. Pololu позволяет выбрать один из нескольких вариантов с разными редукторами. То есть, сам мотор может оставаться тем же самым, а меняя редуктор, мы можем получить разные характеристики на выходном валу.

Пока что лучше перейдем к энкодеру TETRIX DC Motor:

Он устанавливается на выходном валу мотор-редуктора. На вал крепится диск с рисками (отражающими и не отражающими областями). Таких рисок аж 1440 на диске, то есть за один оборот вала энкодер может насчитать 1440 импульсов на одном выходе или в четыре раза больше состояний. Точность измерений 0,25 градуса (4 импульса на 1 градус) или 0,0625 градуса (16 состояний на 1 градус). Внушительно!

Скорее всего Вы уже догадались, что изготовить детали с подобной точностью достаточно сложно и стоят они дорого. Взятый для примера энкодер стоит около 10 тысяч рублей.

Теперь посмотрим на мотор-редуктор Pololu с энкодером:

На рисунке я выдели цветами:

Красный — выходной вал мотор-редуктора

В случае мотора Pololu и распространенных моделей 25GA-370 энкодер вешается с обратной стороны электромотора на выходящий вал. Энкодер считает обороты не самого мотор-редуктора, а только мотора. Зная передаточное число редуктора можно рассчитать угол поворота выходного вала относительно показаний энкодера.

Подобный подход имеет важный минус, кроме очевидной необходимости проводить дополнительные расчеты, а именно — наличие погрешности измерений из-за зазоров и упругих деформациях в редукторе. Выходной вал может повернуться на долю градуса при неподвижном вале мотора. Но в большинстве случае подобные погрешности не превышают одного градуса, а проявляются при резких сменах направления вращения. А простота изготовления диска всего с 10-20 оптическими окнами или магнитными областями значительно удешевляет конструкцию. Моторы серии 25GA-370 стоят по 900 рублей вместе с энкодерами, фирменный мотор Pololu с энкодером обойдется примерно в 3000 рублей.

Посчитаем, какая точность измерений у энкодеров, расположенных на валу мотора, а не выходном валу мотор-редуктора. Для этого обратимся к сравнительной таблице моторов Pololu. Ограничимся какой-нибудь одной серией, например, 12В medium power:

Мотор-редуктор с передаточным отношением 75:1 вращает выходным валом со скоростью 100 оборотов в минуту, а при передаточном отношении 172:1 выходной вал делает 43 оборота за минуту. Просматривая страницы каждого мотора можно заметить, что реально передаточные отношения немного отличаются (74,83 и 171,79 для указанных ранее).

Посчитаем, сколько импульсов энкодер выдает за один оборот выходного вала. За один оборот магнитного диска (то есть, вала мотора) энкодер Pololu выдает по 12 импульсов на каждом выходе, энкодер моторов серии 25GA-370 по 11 импульсов. За один оборот выходного вала вал мотора делает количество оборотов, равное передаточному отношению редуктора. Для моторов Pololu выбранной серии — от 1 до 227. Для моторов серии 25GA-370 — от 4,4 до 500. Получим следующие значения (в таблицу подставлены точные значения передаточных отношений мотор-редукторов Pololu):

Чем меньше скорость вращения выходного вала, тем точнее измерения энкодера. Для наиболее ходовых и применимых в мобильных платформах моделях на 70-170 об/мин (выделены зеленым) даже простой подсчет импульсов на одном выходе энкодера дает точность менее 1 градуса. Меньше, чем 1440 импульсов и 5760 состояний энкодера TETRIX, но сопоставимо с моторами Lego.

Читать еще:  Что такое псевдо двигатель

Итоговые формулу, связывающие сигналы энкодера с градусами поворота выходного вала будут следующие:

φ — угол поворота выходного вала (в градусах);

n — «тики», сигналы энкодера;

i — передаточное отношение редуктора;

IPR — (impulse per rotation) кол-во импульсов энкодера на 1 оборот диска (может быть как 12 импульсов, так и 48 состояний, в зависимости от того, что отслеживается в программе).

Теперь посчитаем, как часто приходят сигналы с датчика. Умножив частоту вращения выходного вала на передаточное отношение можно получить скорость вращения электромотора. Для всех моторов Pololu она составляет примерно 7500-7800 оборотов в минуту. Фирма Pololu указывает частоту вращения холостого хода (мотора без нагрузки), но сам редуктор может выступать некоторой нагрузкой, поэтому частота вращения и отличается. Так как самая быстрая частота вращения как раз на холостом ходу, а под нагрузкой мотор будет замедляться, то как максимально возможную принимаем именно ее.

Для популярной серии моторов 25GA, взяв за основу таблицу с сайта DVRobot.ru, можно вычислить скорость вращения мотора примерно как 5950-6000 оборотов в минуту.

Округлим скорости вращения в большую сторону и возьмем 7800 об/мин для Pololu 12V medium power и 6000 об/мин для 25GA-370. Обе серии широко распространены и подходят для подключения через драйвера на основе L298P или L298N.

Итак, диск энкодера делает по 7800 или 6000 оборотов за минуту (обозначим частоту вращения символом ω). Энкодер двигателей Pololu выдает по 12 импульсов (IPR=12) на каждом выходе за один оборот. Итого:

Если отслеживать все четыре варианта сигналов на энкодере, то получим 374 400 состояний за одну минуту.

Энкодер моторов 25GA-370 выдает по 11 импульсов на каждый выход за один оборот. Для него получаем

Или 264 000 состояний за минуту.

Делим эти огромные числа на 60 и получаем кол-во импульсов и состояний за секунду. Вычисляем период одного импульса и состояния (время, за которое они сменяются).

У моторов Pololu на холостом ходу каждый новый импульс приходит раз в 641 микросекунду, у 25GA-370 раз в 909 микросекунд. Необходимо, чтобы наш управляющий контроллер успевал фиксировать эти импульсы. Стандартная плата Arduino UNO работает на частоте 16 МГц, то есть, делает 16 млн тактов в секунду. Один такт занимает 0,0625 мкс. Контроллеры на базе STM или ESP работают на больших частотах, их такты гораздо меньше. Желтым в таблице обозначены количества тактов, которые успевает сделать Arduino UNO за время смены одного состояния или прихода одного импульса. Может показаться, что даже 2564 тактов на считывание состояния энкодера Pololu будет более чем достаточно, но вот тут и начинает проявляться «колхоз» в программной обработке показаний датчиков. К сожалению, та же плата Arduino UNO не умеет выполнять действия в параллельных потоках, только в основном цикле. Достаточно нагрузить его сложными вычислениями дробных чисел или считыванием аналоговых датчиков (одни из самых долгих операций; паузы командой delay и работу с интерфейсом UART-Serial оставляем за скобками, они вне конкуренции) и каждая его итерации начнет занимать по несколько тысяч тактов. Считывание показаний в этом датчике неизбежно приведет к пропуску тактов. Выход из этой сложной ситуации кроется в использовании прерываний. Это специальные подпрограммы, которые выполняются при наступлении определенных событий. Например, их можно настроить на появление сигнала на пине. То есть, когда приходит импульс от энкодера, Arduino прерывает основной цикл программы, выполняет небольшой кусочек кода и возвращается в основной цикл в то же самое место, где прервалось выполнение. С точки зрения основной программы, ничего и не произошло. Важно понимать, что вызываемая по прерыванию подпрограмма должна быть как можно меньше и выполняться как можно быстрее, чтобы надолго не прерывать основную программу. Иначе можно получить ситуацию накопления прерываний — пока обрабатывается одно прерывание, происходит следующее событие и основная программа просто не успевает выполняться.

У платы Arduino UNO внешние прерывания можно повесить только на два пина: 2 и 3. Так как управлять хочется двумя моторами, получаем всего по одному прерыванию на мотор. Следовательно, будем отслеживать появление сигналов на одном выходе энкодера, а второй выход покажет направление вращения. Работа с прерываниями сводится к следующим шагам:

1. Необходимо написать подпрограммы, которые будут вызываться. Они обязательно должны быть void (не возвращать никаких значений и без параметров):

Попав в подпрограмму я узнаю, какой сигнал на втором выходе энкодера и, в зависимости от результата, увеличиваю или уменьшаю счетчик encA / encB. Обратите внимание, что эти счетчики должны быть самого вместительного типа, у меня это long, так как обычный int заполнится за минуту-две непрерывного движения.

Присоединить прерывание, то есть включить его. Делается это командой attachInterrupt() со следующими параметрами:

attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(pin), ISR, mode)

pin — пин, к которому привязывается прерывание (для Arduino UNO это пины 2 и 3, для других плат смотрите описание команды),

ISR — имя вызываемой подпрограммы,

mode — режим срабатывания, бывает LOW (срабатывает пока 0 на пине), CHANGE (срабатывает при любом изменении цифрового сигнала на пине), RISING (срабатывает при изменении сигнала с 0 на 1 на пине), FALLING (срабатывает при изменении сигнала с 1 на 0 на пине). В нашем случае логичнее использовать RISING.

Итоговая программа у меня получилась такой:

Неважно, что команды Serial.print() в основном цикле выполняются очень медленно, при поступлении сигналов от энкодеров они будут прерываться. Пока что программа просто выводит текущие показания энкодеров по UART’у, но используя формулы из статьи можно вычислять и угол поворота выходного вала. Попробуйте сами написать эти вычисления с учетом параметров своего мотор-редуктора и датчика.

В следующих статьях я расскажу о подключении подобных моторов и энкодеров к Arduino и другим видам контроллеров, об эффективном управлении ими.

Digitrode

цифровая электроника вычислительная техника встраиваемые системы

  • Вычислительная техника
    • Микроконтроллеры микропроцессоры
    • ПЛИС
    • Мини-ПК
  • Силовая электроника
  • Датчики
  • Интерфейсы
  • Теория
    • Программирование
    • ТАУ и ЦОС
  • Перспективные технологии
    • 3D печать
    • Робототехника
    • Искусственный интеллект
    • Криптовалюты

Чтение RSS

Arduino и модуль фотоимпульсного датчика скорости вращения двигателя

Модуль датчика оборотов двигателя предназначен главным образом для определения скорости вращения вала электродвигателя. Этот модуль в совокупности с микроконтроллером может определять помимо скорости также количество импульсов и положение вала.

Как правило, датчики измеряют величину благодаря регистрации определённых событий, затем количество событий соотносится с периодом времени, за которые они произошли.

Так в данном случае измеряется скорость – под событиями здесь понимаются импульсы, полученные в результате срабатывания оптического датчика во время вращения диска с прорезями. Датчик состоит из светодиода и фототранзистора, который воспринимает наличие или отсутствие излучения светодиода.

Представленная схема может быть использована для отправки зарегистрированных импульсов в микроконтроллер. Основой схемы является оптический датчик OS25B10 (OC1) со светодиодом и фототранзисторным выходом.

Читать еще:  Двигатель fe6 расход топлива

Далее идет микросхема сдвоенного компаратора LM393 (IC1), настроенная в качестве простого триггера Шмита. Зелёный светодиод (LED1) показывает наличие приложенного к схеме напряжения, а красный светодиод (LED2) контролирует выход модуля датчика скорости двигателя. Рекомендуемое рабочее напряжение модуля составляет от 4.5 до 5.5 В.

Обратите внимание, что резистор R1 (180 Ом) используется здесь для ограничения рабочего тока светодиода внутри оптического датчика OS25B10 (OC1). При необходимости вы можете изменить его номинал для вашего прототипа. Также вы можете подкорректировать значение резистора R2 (10 КОм) для получения необходимого напряжения для вашей схемы. Резистор R7 (10 КОм) является опциональным подтягивающим резистором.

Энкодерный диск

Помещаемый в слот датчика энкодерный диск разделяет оптический датчик таким образом, чтобы с одной стороны диска присутствовал светодиод, а с другой стороны фототранзистор. Если путь светового луча от светодиода не блокируется диском, фототранзистор будет пропускать ток, в противном же случае он будет закрыт.

Энкодерный диск имеет несколько слотов или отверстий. Вы можете легко изготовить свой собственный диск из листа нержавеющей стали или жесткого пластика. Если вам нужно измерять только скорость, а не положение, то диска с парой отверстий будет достаточно. При желании можно проделать большое количество отверстий, но не перестарайтесь с этим. Важно, чтобы закрытые обрасти были достаточной толщины, чтобы обеспечить возможность счета импульсов с помощью фотодатчика.

Управляем шаговым двигателем с помощью Arduino и контроллера Easy Driver

Существует куча двигателей. И порой возникает вопрос, какой именно выбрать для вашего проекта на Arduino.

В этой статье мы детально обсудим один из типов двигателей — шаговый двигатель. Разберемся, в каких случаях уместно его использование. Рассмотрим пример подключения с использованием драйвера Easy Driver.

Необходимые элементы

  • Драйвер для шагового двигателя EasyDriver;
  • Небольшой шаговый двигатель;
  • Макетная плата;
  • Провода мама-мама;
  • Коннекторы;
  • Arduino Uno или подобный микроконтроллер;
  • Паяльник;
  • Источник питания на 12 В (или регулируемый источник питания)

Принцип работы шагового двигателя

Основное отличие шаговых двигателей от двигателей постоянного тока: они не только вращаются в различных направлениях, но обеспечивают точное угловое позиционирование ротора. Скорость вращения двигателя постоянного тока можно регулировать с помощью подачи большей или меньшей силы тока, но обеспечить остановку ротора в заданном положении невозможно. Теперь представьте себе принтер. Внутри, если вы его разберете, обнаружите огромное количество подвижных узлов, включая и двигатели. Один из установленных моторов обеспечивает подачу бумаги в то время как краска распыляется на бумагу. Этот двигатель должен обеспечивать подачу бумаги на определенное расстояние для построчной печати. Второй двигатель в принтере устанавливается для перемещения картриджа. Опять таки, необходимо обеспечить точно заданное позиционирование картриджа. В подобных случаях рационально использовать именно шаговые двигатели.

Шаговые двигатели обеспечивают вращение ротора на определенный угол (или шаг) при соответствующем сигнале управления. Это дает вам возможность получить полный контроль над положением узлов механизмов и выходить в заданную позицию. С конструктивной точки зрения это реализуется за счет подачи питания на разные катушки внутри двигателя. Правда, есть и свои недостатки — надо постоянно обеспечивать питание шагового двигателя при его выстое в заданной позиции. В данной статье в детали мы вдаваться не будем. Конструктивные особенности шаговых двигателей и их принцип действия раскрыты в статье двигатели и Arduino. Здесь ограничимся лишь тем фактом, что для управления шаговым двигателем, вы должны задать ему необходимое количество шагов в одном или противоположном направлениях и указать скорость шага.

На сегодняшний день существует огромное количество моделей шаговых двигателей и плат управления к ним (драйверов). Методики, которые раскрыты дальше, применимы к большинству шаговых двигателей и драйверов, которые не упоминаются здесь. При этом, прежде чем работать с незнакомым драйвером или шаговым двигателем, рекомендую ознакомится с их даташитами или отдельными гайдами по их использованию.

Ниже приведена информация о сборке драйвера, подключении и управлении шаговым двигателем с использованием Arduino.

Сборка драйвера

Самый простой метод использования драйвера EasyDriver — установить на нем коннекторы для последующей установки на макетной плате. Теоретически, можно закрепить коннекторы и на макетной плате.

Первый шаг — монтаж коннекторов на плату EasyDriver. В данном примере будут использованы не все выходы на драйвере, но все равно рекомендую распаять все отверстия. Как минимум, это обеспечит более надежную установку драйвера на макетной плате. Да и в дальнейшем все выходы могут пригодиться. Отломайте необходимое количество коннекторов и установите их на макетку. После этого сверху поставьте драйвер запаяйте все коннекторы.

Схема подключения

После распайки пришло время подключить драйвер к Arduino. Схема подключения несложная и приведена на рисунке ниже.

Примечание. Маленький шаговый двигатель выглядит не так, как он изображен на схеме подключения. У него должен быть коннектор с четырьмя разъемами на конце. Этот коннектор можно напрямую подключить к разъему с четырьмя коннекторами на драйвере (см. Рисунок после распайки выше). Только обратите внимание на даташит вашего двигателя. Бывает такое, что разводка кабелей не соответсвует пинам на драйвере.

Важно! Шаговые двигатели потребляют больше тока, чем может предоставить Arduino. В связи с этим мы будем питать Arduino от 12 В. При этом вход для питания (М+) на EasyDriver подключен к пину Vin на Arduino. Благодаря этому, можно запитывать Arduino и двигатель от одного источника.

Программа Arduino для вращения шагового двигателя

После подключения, можно заливать программу в Arduino. Ниже приведен исходник простенького скетча для первого запуска. В интернете куча готовых кусков кода, которые вы спокойно можете использовать в своих целях. Кроме того, в Arduino IDE есть полноценная встроенная библиотека Stepper library, которая значительно упрощает процесс вашего общения с шаговыми двигателями.

В данном примере рассматривается управление шаговым двигателем с использованием контроллера EasyDriver и Arduino. После прошивки платы и подключения, ротор будет вращаться в одном и противоположном направлении.

Подключение шагового двигателя. Контроллер L298

Серия статей: Программирование Arduino с нуля #8

Серия статей: Arduino, использование шаговых двигателей #1

Мы подключили к нашему контроллеру обычные двигетели постоянного тока. С их помощью можно, например двигать мобильную платформу на колесном или гусеничном ходу или совершать простейшие действия (типа открытия двери или поднятия штор). Вот только регулировать вращение этих двигателей можно только подавая на них определенное напряжение. И если мы, например, подадим 100% мощности на одну секунду, мы не можем быть уверены, что за это время двигатель повернет вал, например, на 100 оборотов. Ведь нагрузка может меняться, а соотвтетственно и скорость вращения при той-же заданной мощности. В случае визуального управления роботом это не проблема – увидел, что робот проехал нужную дистанцию – подал команду на остановку. Но мы веть хоти создавать именно автоматические устройства, которые не будут ребовать посоянного внимания. Тут есть несколько вариантов:

Читать еще:  Двигатель agu какие на нем свечи

Можно применять специальные датчика (энкодеры), которые будут говрить контроллеру сколько именно совершил оборотов совершил вал двигателя. Тогда контроллер сам будет останавливать двигатель после нужного количества оборотов, независимо от меняющейся нагрузки. Так мы сможем быть уверены, что наш робот совершил нужное перемещение. Именно так устроены классические сервоприводы – в них в качестве датчика выступает поворотный потенциометр (именно он ограничивает угол поворота) Вот только у такого способа еть свои недостатки – мы все равно можем управлять только мощностью и временем отключения питания. И управлять оборотами мы можем не очень точно – двигатель то мы отключили, но он ведь может еще некоторое время вращаться по инерции. А для высокоскоростных двигателей за время реакции контроллера вал может совершить несколько лишних оборотов.

Если же нам нужно обеспечить более точное управление двигателем, чтобы он делал точное количество оборотов или даже долей оборота – тогда нам нужно применять шаговые двигатели. С их помощью можно совершать очень точные движения, ведь вращение вала контролируется с точностью до нескольких градусов. Благодаря этому можно использвоать такие двигатели для точныз перемещений – в станках с ЧПУ, 3D принтерах и там, где возможностей сервоприводов недостаточно.

В отличие от сервопривода, в котором используется обычный двигатель постоянного тока, пусть с дополнительным датчиком, шаговый двигатель изначально построен по другой схеме. У него не одна обмотка, а несколько независимых обмоток. Причем обмотки расположены параллельно ротору, но под углом друг к другу. Подача тока на одну из обмоток заставляет ротор поворачиваться на небольщой угол и останвоиться. Если теперь выключить ток на первой обмотке, и подать на следующую – ротор повренется еще на долю оборота. А чередование аодачи напряжения между обмотками заставит ротор вращаться, причем в зависимости от частоты это будет выглядеть или как скачкообразный поворот вала двигателя на определенный угол, или как непрерывное вращение (в случае большой частоты переключения обмоток). Причем здесь мы контроллируем не только мощность но и точную частоту вращения. И можем задать точный угол поворота двигателя и отановить точно на определенном угле поворота.

В отличие от традиционного двигателя постоянного тока, шаговый двигатель обычно имеет от четырех до шести проводов для подключения. Если проводов четыре – перед нами биполярынй двигатель. Два провода подключены к одной обмотке, два – к другой.

Если же проводов шесть – это униполярыный двигатель. По два провода подключены к концам каждой обмотки и по одному – в ее середине. Эти провода подключается к заземлению.

По сравнению с биполярным двигателем, такое подключение обеспечивает большую скорость вращения, но уменьшает крутящий момент. Если нам важен именно момент, то можно просто не подключать эти провода, т.е. мы сделаем из униполярного двигателя биполярный

Таким образом подключение обеих вариантов шаговых двигателей для контроллера ничем не отличаются – и там, и там мы будем управлять двумя выходами для каждой обмотки. Выбрать нужный вариант нужно исключительно исходя из типа имеющегося у нас двигателя и того, что нам более важно – скорость вращения или крутящий момент?

Конечно мы можем вручную написать код, который с определенным интервалом будет чередовать подачу тока на обмотки и таким образом обеспечить управление нашим двигателем. Но этот код давно уже написан и входит в стандартную сборку Arduino IDE, просто подключим библиотеку Stepper командой #include . Теперь создадим объект типа stepper и укажем, к каким именно пинам подключены наши обмотки. Для этого нам нужно указать еще одну характеристику шагового двигателя – количество шагов для одного оборота вала. Стандартыне двигатели, которые проще всего приобрести, обычно имеют точность позиционирования 1,8° или 3.6°. Этот угол соответствует значению одного шага, соответственно для одного оборота нужно будет совершить, соответственно, 200 и 100 шагов. Пусть наш двигетель обладет точностью 200 шагов на оборот:

Поскольку при управлении шаговым двигателем используется только наличие или отсутствие тока на обмотках, то нам нет необходимости в подключении выходов с ШИМ регулированием. Достаточно использовать только пины I1 и I2 . Логическая единица на выводе будет соотвтетствовать подаче номинального напряжения на один конец обмотки и нулевого – на другой. Логический ноль — номинальное напряжение на втором конец обмотки и нулевого на первом. Таким образом каждая из двух обмоток управляется одним цифровым выходом.

Также контроллер двигателя может иметь независимое управление каждым выходом (т.е. когда для управления одной парой выводов используется три цифровых выхода – два обычных для независимого управления каждым выходом и один ШИМ для регулирования значения подаваемого напряжения). Здесь мы полностью независимо указываем, какое напряжение (высокое или низкое) подавать на каждый из концов обмотки, т.е каждая из двух обмоток управляется с помощью двух цифровых выводов

Схема подключения такого типа контроллера двигателя:

И в том, и в другом случае на каждую обмотку будет подпапться ток на время, достаточное для совершения валом одного шага. Затем ток с первой обмотки убирается, а подается на вторую (для следующего шага), или ток подается на обе обмотки (для остановки вала в текущем положении) или же тока с обеих обмоток будет снят (для свободного вращения вала) Частота таких переключений будет регулировать скорость вращения. Для изменения частоты служит метод Stepper.setSpeed(int speed); который устанавливает для нашего шагового двигателя определенную скорость вращения (в оборотах в минуту). При этом при вызове этого метода двигатель не начнет вращаться с указанной скоростью – мы только устанавливаем скорость. Для движения необходимо использовать метод Stepper.step(int steps); , который подает команду двигателю сделать steps шагов со скоростью, установленной командой setSpeed . Пример использования для двигателя, подключенного к 4 и 7 пинам:

После загрузки на контрорллер, подключенный к нему двигатель сделает пол оборота со скоростью 60 об/мин (1 об/сек, т.е. на пол оборота ему понадобится 0.5 секунды), остановится на одну секунду, затем с той-же скоростью провернется на пол оборота в обратном направлении.

Нужно уситывать, что мы здесь не можем напрямую влиять на скорость вращения – только на частоту шагов. И если для средних и больших скоростей вращения это не так важно, то при малых значениях скорости будет хорошо заметно прерывистое вращение вала. Например, при установленной скорости 1 оборот в минуту вал двигателя не будет медленно вращаться со скоростью 6 градусов в секунду. Он максимально быстро повернется на 1,8 градуса, затем остановится на треть секунды мс, затем повернется еще на 1,8 градуса, и т.д. Для средних скоростей такое прерывистое значение будет не так заметно, зато хорошо слышны частые щелчки (с частотой переключения обмоток). Поэтому в тех случаях, где нужно медленное и плавное движение, использовать шаговые двигатели напрямую не получится – нужно будет добавлять понижающий редуктор или использовать традиционные двигатели постоянного тока.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector