Управление двигателем постоянного тока с помощью Arduino Uno

В этой статье мы будем подключать двигатель постоянного тока к Arduino Uno и управлять скоростью его вращения. Делать мы это будем с помощью ШИМ (широтно-импульсной модуляции, в англ. языке PWM — Pulse Width Modulation) – эта функция реализована в Arduino чтобы на основе постоянного напряжения иметь возможность получения изменяющегося напряжения.

Управление двигателем постоянного тока с помощью Arduino Uno: внешний вид конструкции

Общие принципы ШИМ

Метод осуществления ШИМ показан на следующем рисунке.

Принципы ШИМ

Если на представленном рисунке кнопка нажата, то двигатель начнет вращение и он будет вращаться до тех пор пока кнопка не будет отжата. Эта ситуация происходит если кнопка будет нажата постоянно – верхний график на представленном рисунке. Если же мы будем нажимать кнопку только в течение 8 мс из всего цикла в 10 мс, то в этом случае двигатель уже не будет в полной мере получать все напряжение батареи 9 В – в этом случае среднеквадратичная величина напряжения, получаемого двигателем, будет около 7 В. Соответственно, двигатель по сравнению с первым случаем (когда кнопка нажата постоянно) будет вращаться с меньшей скоростью. Поэтому цикл занятости (который еще называют коэффициентом заполнения ШИМ) в этом случае составит время включенного состояния/(время включенного состояния + время выключенного состояния) = 8/(8+2)=80%.

В следующих рассмотренных на рисунке случаях кнопка будет находиться в нажатом состоянии еще меньше чем в рассмотренном случае (80%). Соответственно, среднеквадратичная величина напряжения, получаемого двигателем, будет составлять еще меньшую величину, поэтому и скорость вращения двигателя также уменьшится. Это уменьшение скорости вращения двигателя вследствие уменьшения среднеквадратичной величины напряжения будет происходить до тех пор, пока получаемое двигателем напряжение не станет не достаточным для его вращения. То есть, изменяя величину цикла занятости (коэффициент заполнения ШИМ), можно управлять скоростью вращения двигателя постоянного тока.

Принцип работы H-моста

Перед тем, как переходить непосредственно к управлению двигателем, обсудим что такое H-BRIDGE (H-мост). Собранная нами далее схема будет осуществлять две функции: управлять двигателем постоянного тока с помощью управляющих сигналов малой мощности и изменять направление вращения двигателя.

Внутренняя схема соединений H-моста

Нам известно, что для изменения направления вращения двигателя постоянного тока необходимо изменить полярность приложенного к нему питающего напряжения. И как раз для смены полярности напряжения хорошо подходит устройство, называемое H-мостом. На представленном выше рисунке мы имеем 4 выключателя. Как показано на рисунке 2 если выключатели A1 и A2 замкнуты, то ток через двигатель течет справа налево как показано на второй части рисунка 2 – то есть в этом случае двигатель будет вращаться по часовой стрелке. А если выключатели A1 и A2 разомкнуты, а B1 и B2 – замкнуты, то ток через двигатель в этом случае будет протекать слева направо как показано на второй части рисунка, то есть двигатель будет вращаться против часовой стрелки. В этом и заключается принцип работы H-моста.

Принцип работы H-моста (часть 1)

Рисунок 2 (часть 1)

Принцип работы H-моста (часть 2)

Рисунок 2 (часть 2)

Мы в качестве H-моста будем использовать специализированную микросхему L293D, которую еще называют драйвером мотора. Эта микросхема предназначена для управления двигателями постоянного тока малой мощности (см. рисунок) и содержит в своем составе два H-моста, то есть с ее помощью можно управлять двумя двигателями. Эта микросхема часто используется для управления двигателями в различных роботах.

Микросхема L293D: схема выводов

В следующей таблице указаны необходимые значения напряжений на выводах INPUT1 и INPUT2 микросхемы L293D для смены направления вращения двигателя.

Enable Pin Input Pin 1 Input Pin 2 Motor Direction
High Low High вправо
High High Low влево
High Low Low стоп
High High High стоп

То есть, чтобы двигатель вращался по часовой стрелке необходимо чтобы на 2A было напряжение высокого уровня (high), а на контакте 1A – напряжение низкого уровня (low). Аналогично для вращения двигателя против часовой стрелки необходимо обеспечить на 1A напряжение высокого уровня, а на 2A – низкого.

Как показано на следующем рисунке Arduino UNO имеет 6 ШИМ каналов (обозначенных на плате специальным знаком – тильдой), любой из которых мы можем использовать для получения изменяющего напряжения (на основе ШИМ). В данном проекте мы будем использовать в качестве ШИМ выхода контакт PIN3 Arduino UNO.

Контакты ШИМ на плате Arduino UNO

Необходимые компоненты

Плата Arduino UNO
Источник питания с напряжением 5 В
Светодиод
Резистор 10 кОм (2 шт.)
Кнопка (2 шт.)
Конденсатор 100 пФ
Переключатель

Работа схемы

Схема устройства (на макетной плате) представлена на следующем рисунке.

Схема соединений для управления двигателем постоянного тока с помощью Arduino UnoВ рассматриваемой схеме мы имеем две кнопки, у каждой из которых, естественно, будет присутствовать эффект, называемый «дребезгом контактов». Но в данном случае для нас он не будет нести никакого негативного эффекта и не будет вызывать ошибок в работе схемы.

На нашем сайте мы уже рассматривали управление ШИМ с помощью микроконтроллера AVR ATmega и это управление было не самым простым делом – необходимо было сконфигурировать различные регистры. В отличие от этого управление ШИМ в Arduino UNO является крайне простым занятием, не требующем всего этого.

Исходный код программы

По умолчанию все необходимые заголовочные файлы подключаются автоматически самой средой ARDUINO IDE, она же конфигурирует сама и все регистры, необходимые для работы ШИМ, поэтому нам в программе уже не нужно заботиться об этих вещах. Все что нам нужно будет сделать – это определить на каком контакте мы будем использовать ШИМ.

То есть для использования ШИМ на нужном контакте нам необходимо сделать следующие вещи:

pinMode(ledPin, OUTPUT)
analogWrite(pin, value)
analogWriteResolution(neededresolutionnumber)

Сначала мы должны выбрать один из доступных 6 выходов (контактов) ШИМ. Потом необходимо установить этот контакт в режим на вывод данных.

После этого мы должны задействовать функции ШИМ на этом выходе используя функцию “analogWrite(pin, value)”. Здесь ‘pin’ обозначает номер контакта, на котором мы будем использовать ШИМ, в нашем случае это будет 3-й контакт.

Value в этой функции представляет собой цикл занятости (коэффициент заполнения) ШИМ, оно может принимать значения от 0 (всегда выключено) до 255 (всегда включено). Мы будем увеличивать и уменьшать это значение с помощью кнопок, присутствующих на схеме.

Плата Arduino UNO имеет максимальное разрешение (разрешающую способность) ШИМ, равную 8, что означает что value в функции analogWrite(pin, value) может принимать значения от 0 до 255. Но если в этом есть необходимость, мы можем уменьшать разрешение ШИМ используя функцию “analogWriteResolution()”, в скобках которой мы можем записать число в диапазоне 4-8, которое и будет определять разрешающую способность ШИМ платы Arduino UNO.

Переключатель на схеме служит для изменения направления вращения двигателя.

А теперь непосредственно сам код программы с комментариями.

volatile int i=0; // инициализируем переменную целого типа для увеличения и уменьшения коэффициента заполнения ШИМ
void setup()
{
pinMode(3, OUTPUT); // устанавливаем pin3 на вывод данных
pinMode(0, INPUT); // устанавливаем pin0 на ввод данных
pinMode(1, INPUT); // устанавливаем pin1 на ввод данных
}

void loop()
{
analogWrite(3, i); // analogWrite values from 0 to 255
if (digitalRead(0)==LOW)
{
if (i<255) //если первая кнопка нажата (подключенная к pin0) и коэффициент заполнения ШИМ (i) меньше чем 255
{
i++;
delay(30);
}
}
if (digitalRead(1)==LOW)
{
if (i>0) // если вторая кнопка нажата (подключенная к pin1) и коэффициент заполнения ШИМ (i) больше 0
{
i--;
delay(30);
}
}
}

Видео, демонстрирующее работу схемы

(1 голосов, оценка: 5,00 из 5)
Загрузка...
9 просмотров

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *