Управление коллекторным мотором ардуино (2 видео)

Как известно, электродвигатели бывают трёх основных типов: коллекторные, шаговые и сервоприводы. В данной статье мы рассмотрим подключение коллекторного электродвигателя к Arduino с помощью драйвера двигателей на основе микросхемы L9110S или аналогичной.

Для проекта нам понадобятся:

Содержание

1 Что такое драйвер двигателей и для чего он нужен
2 Схема подключения коллекторного двигателяи драйвера двигателей к Arduino
3 Скетч для управления коллекторным двигателем
4 Управление шаговым двигателем с помощью Arduino
Управление двигателем постоянного тока с помощью Arduino Uno
Общие принципы ШИМ
Принцип работы H-моста
Необходимые компоненты
Работа схемы
Исходный код программы
🌟 Видео

Видео:Уроки Arduino - управление бесколлекторным моторомСкачать

1 Что 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.

Различные варианты исполнения драйверов двигателей

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.

Видео:Уроки Arduino. Управление моторами с библиотекой GyverMotorСкачать

2 Схема 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).

Схема подключения коллекторного двигателя к Arduino с помощью драйвера двигателей

Должно получиться что-то подобное:

Двигатель подключён к драйверу двигателей и Arduino

Видео:Управление моторами с ArduinoСкачать

3 Скетч 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).

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.

Управление электромотором с помощью драйвера двигателей и Arduino

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

Видео:Управление двигателем постоянного тока, линейным приводом. АрдуиноСкачать

4 Управление 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.

Шаговый двигатель с контроллером —> Шаговый двигатель с контроллером

Характеристики двигателя 28BYJ-48:

Характеристика	Значение
Количество фаз	4
Напряжение питания	от 5 до 12 В
Число шагов	64
Размер шага	5,625°
Скорость вращения	15 об./сек
Крутящий момент	450 г/см

Модуль с микросхемой драйвера для управления шаговым двигателем выглядит так:

Модуль с драйвером ULN2003

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:

Схема подключения шагового двигателя с драйвером ULN2003 к Arduino

Подключение шагового двигателя 28BYJ-48 к Arduino

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.

Схема работы шагового двигателя

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.

Простейший скетч управления шаговым двигателем (разворачивается)

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:

Скетч управления шаговым двигателем (разворачивается)

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.

Финальный скетч управления шаговым двигателем (разворачивается)

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.

Видео:Драйвер коллекторного двигателя VNH2SP30Скачать

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.

Видео:Управление мотором ардуиноСкачать

Общие принципы ШИМ

Метод осуществления ШИМ показан на следующем рисунке.

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.

Видео:Драйвер прямого и обратного хода коллекторного двигателя на транзисторах - СВОИМИ РУКАМИСкачать

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.

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.

Мы в качестве H-моста будем использовать специализированную микросхему L293D, которую еще называют драйвером двигателей. 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.

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.

Видео:Управление двигателем постоянного тока. Схема управления мотором Ардуино проекты.Скачать

Необходимые компоненты

Плата Arduino UNO (купить на AliExpress).
Драйвер двигателей L293D (купить на AliExpress).
Электродвигатель постоянного тока.
Светодиод (купить на AliExpress).
Резистор 10 кОм (2 шт.) (купить на AliExpress).
Кнопка (2 шт.).
Конденсатор 100 пФ (купить на AliExpress).
Переключатель.
Источник питания с напряжением 5 В.

Видео:Драйвер двигателей L298N - Обзор, Тест, Подключение к ArduinoСкачать

Работа схемы

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

В 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.

Видео:Модуль драйвера двигателей L298N и ArduinoСкачать

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.

источники:

https://evakuatorinfo.ru/upravlenie-kollektornym-motorom-arduino