Шаговые двигатели – это бесщеточные двигатели постоянного тока, которую могут вращаться от 00 до 3600 дискретными шагами. С каждым управляющим сигналом ось такого двигателя поворачивается на фиксированное значение (шаг). Управление вращением подобных двигателей осуществляется последовательностью специальных сигналов. В отличие от серводвигателей шаговые двигатели могут управляться контактами ввода-вывода общего назначения, а не только контактами ШИМ модуляции, и могут вращаться на (+3600) и (-3600). Последовательность следования управляющих сигналов определяет будет ли шаговый двигатель вращаться по часовой или против часовой стрелки. Для управления скоростью вращения такого двигателя необходимо просто изменять уровень управляющих сигналов. У шаговых двигателей есть несколько режимов шагового (дискретного) вращения – на полный шаг, на половину шага и на микрошаг.

В этом проекте мы будем подключать шаговый двигатель 28BYJ-48 к микроконтроллеру ATmega16 (семейство AVR), используя программу Atmel Studio 7.0. Шаговый двигатель будет работать при напряжении питания 5В. Мы будем подключать шаговый двигатель к микроконтроллеру с помощью драйверов электродвигателей ULN2003 и L293 (по отдельности). Оба будут запитываться напряжением 5В.

Примеры шаговых двигателей

Как следует из их названия, вращение шаговых электродвигателей представляет собой серию коротких шагов. В этом и состоит их отличие от двигателей свободного вращения - шаговый двигатель сделает столько шагов, сколько ему будет задано, и вы будете точно знать, сколько он их сделал. Это одна из причин, почему шаговые двигатели широко применяются как в обычных, так и в ЗD-принтерах. В обычных принтерах они точно позиционируют бумагу, а в ЗD - рабочий столик и сопло.

На представленном рисунке представлены три образца шаговых электродвигателей. Миниатюрные электродвигатели типа тех, что показан слева, служат для перемещения элементов объектива в компактной фотокамере или смартфоне. В центре находится шаговый мотор-редуктор с питанием 5В - в его корпусе заключен и шаговый электродвигатель, и редуктор. Справа изображен шаговый электродвигатель, типичный дл я принтеров.

Принцип работы биполярного шагового электродвигателя

На следующем рисунке показана схема работы биполярного шагового электродвигателя. О другом типе шаговых электродвигателей - униполярных – можно прочитать в соответствующих источниках. В биполярном шаговом двигателе, как правило, имеются четыре катушки. Катушки, расположенные одна против другой, соединены так, что работают синхронно.
Все катушки расположены на неподвижном статоре двигателя, а значит, нет необходимости во вращающемся коллекторе и щетках, как у двигателей постоянного тока.

Ротор шагового электродвигателя выполнен в форме намагниченных зубцов с чередующимися северным (С) и южным (Ю) полюсами (зубцов на роторе обычно гораздо больше, чем показано на представленном рисунке). Каждую катушку можно подключить так, что она будет намагничена или как северный полюс, или как южный, - в зависимости от направления тока в катушке. Катушки 1 и 3 работают совместно так, что когда катушка 1 будет южным полюсом, катушка 3 также будет южным полюсом. То же самое относится и к катушкам 2 и 4.

Начнем с варианта рисунка под буквой "а" - когда катушка 1 , а значит, и катушка 3 запитаны так, что становятся южными полюсами (Ю), вследствие того, что разноименные полюса притягиваются, а одноименные отталкиваются, ротор поворачивается против часовой стрелки до тех пор, пока ближайшие зубцы ротора с намагниченностью северного полюса (С) не поравняются с катушками 1 и 3 (как показано на "б").
Чтобы продолжить вращение против часовой стрелки, на следующем шаге (рисунок "в") необходимо подать ток в катушки 2 и 4 так, чтобы они стали северными полюсами (С). Тогда ближайшие зубцы ротора с намагниченностью Ю подтянутся к катушкам 2 и 4 (рисунок "г").

Каждое такое действие проворачивает ротор электродвигателя на один шаг. Для продолжения вращения против часовой стрелки в катушке 1 снова нужно создать намагниченность С (см. представленную таблицу).

Таблица 1. Последовательность действий при вращении шагового двигателя против часовой стрелки

Катушки 1 и 3	Катушки 2 и 4
Ю	-
-	С
С	-
-	Ю

Прочерки в графах таблицы 1 указывают на то, что катушка в этот момент не оказывает влияния на вращение ротора и должна быть обесточена. Чтобы усилить момент вращения двигателя, на эти обесточенные катушки можно подать такой ток, чтобы полярность их намагниченности совпадала с полярностью стоящего под ней зубца ротора (таблица 2).

Таблица 2. Уточненная последовательность переключения катушек при вращении шагового двигателя

Катушки 1 и 3	Катушки 2 и 4
Ю	С
С	С
С	Ю
Ю	Ю

Для изменения направления вращения ротора нужно всего лишь изменить порядок переключения катушек, указанный в таблице 2, на обратный.

Необходимые компоненты

1. Микроконтроллер ATmega16 (купить на AliExpress).
2. Программатор AVR-ISP (купить на AliExpress), USBASP (купить на AliExpress) или другой подобный.
3. Кварцевый генератор 16 МГц.
4. Шаговый двигатель 28BYJ-48 (купить на AliExpress).
5. Драйвер двигателей ULN2003 (купить на AliExpress) или L293D (купить на AliExpress).
6. Конденсатор 100 нФ (2 шт.) (купить на AliExpress).
7. Конденсатор 22 пФ (2 шт.) (купить на AliExpress).
8. Кнопка.
9. Светодиод (купить на AliExpress).
10. Макетная плата.
11. Соединительные провода.
12. Источник питания с напряжением 5 Вольт.

Реклама: ООО "АЛИБАБА.КОМ (РУ)" ИНН: 7703380158

Маркировка контактов шагового двигателя

Представлена на следующем рисунке.

Как видим, схема контактов шагового двигателя как будто специально "заточена" под то, чтобы подключать его к соответствующим драйверам (ULN2003 или L293D).

Назначение контактов микросхемы ULN2003 (драйвера двигателей) приведено на следующем рисунке.

Внешний вид этого драйвера двигателей выглядит следующим образом:

Внешний вид драйвера мотора L293D приведен на следующем рисунке:

Работа схемы

В следующих двух таблицах представлены схемы соединений входных и выходных контактов драйверов моторов ULN2003 или L293D с микроконтроллером AVR ATmega16 и шаговым электродвигателем.

Atmega16	ULN2003	L293D
A0	IN1(PIN1)	IN1(PIN2)
A1	IN2(PIN2)	IN2(PIN7)
A2	IN3(PIN3)	IN3(PIN10)
A3	IN4(PIN4)	IN4(PIN15)

Шаговый двигатель	ULN2003	L293D
Orange	OUT1(PIN16)	OUT1(PIN3)
Yellow	OUT2(PIN15)	OUT2(PIN6)
Pink	OUT3(PIN14)	OUT3(PIN11)
Blue	OUT4(PIN13)	OUT4(PIN14)

Схема устройства с драйвером мотора ULN2003 приведена на следующем рисунке.

Схема этой же самой конструкции, но с драйвером мотора L293D, будет выглядеть следующим образом.

Внешний вид устройства с использованием ULN2003 приведен в начале статьи, а с использованием L293D он будет выглядеть следующим образом:

Соедините все компоненты устройства в соответствии с приведенной схемой соединений (одной из двух). Для управления шаговым двигателем мы будем использовать PORTA микроконтроллера Atmega16. К контактам шагового двигателя нет необходимости подключать питание – для управления им нам понадобятся только контакты его катушек (coil pins) – верно для ULN2003, для L293D немного по другому. Очень важен порядок контактов для того чтобы шаговый двигатель работал корректно. Для микросхемы ULN2003 используются четыре ее входа и четыре ее выхода – входы соединяются с контактами PORTA микроконтроллера, а выходы – с сигнальными контактами шагового двигателя. Также подсоедините кнопку к контакту сброса (Reset pin) чтобы иметь возможность осуществлять сброс микроконтроллера Atmega16 всегда, когда нам это понадобится. Подсоедините к микроконтроллеру кварцевый генератор. Все устройство должно быть запитано напряжением 5В.

Исходный код программы на языке С (Си) с пояснениями

Приведенный в этом разделе код программы демонстрирует вращение шагового двигателя под управлением микроконтроллера AVR в обе стороны: по часовой стрелке и против часовой стрелки. Если вы хотите вращать шаговый двигатель только в одну сторону – просто закомментируйте ненужную часть кода.

Видео, демонстрирующее работу схемы

7 710 просмотров