Шаговые двигатели и Arduino: 28BYJ-48, NEMA17 и драйверы

Шаговый двигатель — единственный мотор, которому можно сказать «повернись на девяносто градусов» и не ставить при этом ни одного датчика. Он не крутится плавно: вал перескакивает из одного устойчивого положения в соседнее, а плата просто считает эти перескоки. Отсюда и станки, и 3D-принтеры, и шторы, которые открываются ровно наполовину. Всё остальное в теме — про то, как заставить его не пропускать шаги и не раскаляться.

Два двигателя, которые называют одним словом

Под «шаговиком для Arduino» почти всегда имеют в виду один из двух совершенно разных моторов. Их роднит только принцип, а всё остальное — питание, ток, драйвер, цена — отличается на порядок.

Разница в моменте — семикратная, и это при том, что 28BYJ-48 идёт с редуктором, а NEMA17 крутит вал напрямую. Маленький двигатель хорош там, где нужно медленно и аккуратно повернуть что-то лёгкое: заслонку, стрелку, зеркальце. Всё, что должно двигать само себя или тянуть груз, начинается с NEMA17.

Из чего складывается один шаг

Внутри двигателя четыре обмотки и намагниченный ротор. Обмотки включают по очереди — ротор каждый раз доворачивается к той, что сейчас под током. Порядок включения и есть вся «наука»: от него зависят и число шагов в обороте, и момент, и то, насколько громко мотор работает.

Обратите внимание на средний режим: в нём в каждый момент включены две обмотки, а не одна. Момент от этого больше, но и ток вдвое выше. Именно так — и только так — работает штатная библиотека Arduino: в её исходнике зашита ровно эта четвёрка состояний, никакого выбора она не предлагает.

Почему оборот — это 2048 шагов, и почему не совсем

Ротор 28BYJ-48 делает полный оборот за 32 шага. Дальше идёт редуктор, и в паспорте у него написано «1:64». Перемножаем — получаем те самые 2048 шагов на оборот выходного вала, а в режиме полушага 4096. Эти числа подставляют в скетчи по всему интернету.

Спор о том, 2048 там или чуть меньше, идёт много лет, и у него есть простое объяснение: у разных партий двигателя разные шестерни. Один набор зубьев даёт ровно 64, другой — 63,684. Разница в полпроцента выглядит пустяком ровно до тех пор, пока вы не начинаете считать обороты: при «неудачном» редукторе команда на 2048 шагов повернёт вал не на 360 градусов, а почти на 362. За двести оборотов набежит целый лишний оборот.

Проверяется это за минуту: поставьте метку на валу, прогоните десять оборотов подряд и посмотрите, вернулась ли метка на место. Практический вывод одинаков для обоих случаев — шаговик не помнит, где он. После включения питания он считает текущее положение нулём, а накопленную ошибку исправить нечем. Поэтому во всём, где важна абсолютная точность, ставят концевой выключатель и в начале работы приезжают на него — это и называется «поиск нуля».

Как всё это соединяется

Плата на ULN2003 — это даже не драйвер в строгом смысле, а семь транзисторных ключей: каждый просто притягивает свой конец обмотки к минусу. Ток она не измеряет и не ограничивает, поэтому и подходит только к моторам, которые не могут взять лишнего.

У этой простоты есть цена, о которой не пишут. Транзисторный ключ не замыкается «в ноль»: по листу данных на ULN2003 при токе 100 мА на нём падает 0,9 вольта, а при 200 мА — целый вольт. Обмотке сопротивлением 50 Ом достаётся не 5 вольт, а около 4,1 — и ток получается не расчётные 100 мА, а примерно 82. Момент падает ровно на столько же. Это одна из причин, по которой 28BYJ-48 в жизни кажется слабее, чем в паспорте.

Один такой двигатель (около 165 мА в режиме полного шага) вывод 5 В платы вытянет. Два — уже нет: берите отдельный источник и соединяйте минусы.

Первый скетч: библиотека уже внутри

Библиотеку Stepper не надо ни искать, ни устанавливать: она встроена и в Arduino IDE, и в Trema IDE. Достаточно написать #include — среда подложит её сама.

#include <Stepper.h>

// Двигатель 28BYJ-48 через плату драйвера на ULN2003.
// Полных шагов на оборот выходного вала: 32 шага ротора × редуктор 1:64.
const int STEPS_PER_REV = 2048;

// Порядок выводов НЕ подряд, и это не опечатка. Библиотека ждёт, что
// первая пара чисел — концы одной обмотки, вторая пара — другой.
// На плате драйвера половинки одной обмотки сидят на IN1 и IN3,
// половинки второй — на IN2 и IN4. Отсюда порядок IN1, IN3, IN2, IN4.
// Выводы платы: IN1 к 8, IN2 к 9, IN3 к 10, IN4 к 11.
Stepper motor(STEPS_PER_REV, 8, 10, 9, 11);

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  // Скорость в оборотах в минуту. Выше 15 этот двигатель обычно срывается:
  // ротор перестаёт успевать за импульсами и вал дребезжит на месте.
  motor.setSpeed(10);
}

void loop() {
  Serial.println("Оборот по часовой стрелке");
  motor.step(STEPS_PER_REV);
  delay(500);

  Serial.println("Оборот против часовой");
  motor.step(-STEPS_PER_REV);
  delay(500);
}

Самая частая причина «купил, подключил, а он только жужжит» — вот эта строка с выводами. Порядок в ней не подряд: 8, 10, 9, 11. Это не опечатка и не суеверие, а прямое следствие того, как устроена библиотека. Она гоняет обмотки парами: первое и второе число — концы одной обмотки, третье и четвёртое — другой. А на плате драйвера половинки первой обмотки выведены на IN1 и IN3, второй — на IN2 и IN4. Отсюда и перестановка.

Скорость задаётся в оборотах в минуту, и речь именно о выходном вале. Выше пятнадцати оборотов этот двигатель обычно уже срывается: ротор перестаёт успевать за импульсами, вал останавливается и начинает дребезжать на месте.

Почему во время движения плата глохнет

Запустите первый скетч и попробуйте в это же время что-нибудь нажать или вывести в монитор порта. Ничего не выйдет. Метод step() устроен как цикл: он крутится, сравнивая время, и не отдаёт управление, пока не отсчитает все шаги до последнего. Оборот на скорости десять оборотов в минуту — это шесть секунд, в течение которых плата занята исключительно мотором.

Это ровно та же беда, что и с delay(), только незаметнее: никакой задержки в вашем коде нет, вы вызываете «просто метод библиотеки». Пока двигатель один и делать больше нечего — это не мешает. Как только появляется кнопка «стоп», датчик или второй мотор, от штатной библиотеки приходится уходить.

Второй скетч: движение, которое не отнимает плату

AccelStepper решает обе проблемы сразу: она не блокирует выполнение и умеет разгон. Разгон — не украшение: шаговик, которому сразу дали высокую скорость, часто просто не трогается с места, потому что ротор физически не успевает за первым же импульсом.

#include <AccelStepper.h>

// HALF4WIRE — полушаг: 4096 шагов на оборот вместо 2048, вдвое мельче
// и заметно тише. Порядок выводов тот же: IN1, IN3, IN2, IN4.
AccelStepper motor(AccelStepper::HALF4WIRE, 8, 10, 9, 11);

const long HALF_STEPS_PER_REV = 4096;
const int PIN_BUTTON = 2;

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  pinMode(PIN_BUTTON, INPUT_PULLUP);

  motor.setMaxSpeed(700);      // шагов в секунду
  motor.setAcceleration(300);  // прибавка скорости за секунду
  motor.moveTo(HALF_STEPS_PER_REV);
}

void loop() {
  // run() делает НЕ БОЛЬШЕ одного шага за вызов. Поэтому в loop()
  // не должно быть ни одной задержки delay(): каждая пропущенная
  // проверка — это пропущенный шаг и рваное движение.
  motor.run();

  if (motor.distanceToGo() == 0) {
    motor.moveTo(motor.currentPosition() == 0 ? HALF_STEPS_PER_REV : 0);
  }

  // Плата всё это время свободна и продолжает слушать кнопку.
  if (digitalRead(PIN_BUTTON) == LOW) {
    motor.stop();   // плавно тормозит, а не встаёт колом
    Serial.println("Стоп по кнопке");
  }
}

Ключевая мысль — в комментарии к run(). Этот метод делает не больше одного шага за вызов. Значит, всё остальное в loop() должно выполняться быстро, а любая задержка превращается в пропущенные шаги и рваное движение. Ни одного delay() в таком скетче быть не должно.

Удобство стоит памяти. Мы собрали три одинаковых по смыслу скетча под Arduino Uno и сравнили — цифры в таблице получены компилятором, а не взяты из документации.

Для сравнения: пустой скетч занимает 9 байт ОЗУ и 444 байта флеша. То есть AccelStepper обходится в 5,5 килобайта программной памяти — шестую часть всего, что есть у Uno. На плате, где уже живут дисплей и датчики, это может оказаться решающим. Сам объект тоже не бесплатный: 68 байт против 26 у штатной библиотеки.

Ещё одна деталь, о которой почти не пишут: AccelStepper распространяется по лицензии GPL V3. Для домашних поделок и уроков это ничего не меняет, но если вы делаете изделие на продажу и не собираетесь открывать его исходники, автор требует покупать коммерческую лицензию. Это написано прямо в заголовочном файле библиотеки.

И про скорость. В документации назван предел: около 4000 шагов в секунду на плате с тактовой частотой 16 МГц. Это не ограничение двигателя, а потолок самой платы — она просто не успевает выдавать импульсы чаще.

Взрослый двигатель и взрослый драйвер

Возьмём NEMA17 из нашего магазина. В карточке написано: номинальное напряжение 12…24 В, ток фазы 1,33 А, сопротивление обмотки 2,1 Ом. Перемножьте ток на сопротивление — получится 2,8 вольта. Именно столько нужно обмотке, чтобы взять свои 1,33 ампера. Откуда тогда двенадцать?

Обмотка — это катушка, и ток в ней нарастает не мгновенно. Чем быстрее мотор шагает, тем меньше времени на каждый шаг и тем меньше ток успевает дорасти. Высокое напряжение нужно не «для мощности», а чтобы разогнать ток быстрее. А чтобы он при этом не улетел за паспортное значение, драйвер измеряет его и обрывает питание, как только достигнута заданная величина, — и так тысячи раз в секунду. Поэтому напряжение источника и напряжение обмотки — это разные вещи, и питать такой мотор от 2,8 вольта было бы ошибкой.

Единственная настройка, которую нельзя пропустить

На плате драйвера есть крошечный подстроечный резистор. Им задают предельный ток обмотки, и это не «тонкая доводка», а обязательный шаг: драйвер приезжает с завода настроенным как попало. Слишком большой ток — двигатель и микросхема раскаляются. Слишком маленький — мотор пропускает шаги под нагрузкой.

Формула взята из листа данных Allegro на сам чип и выглядит так: предельный ток равен опорному напряжению, делённому на восемь и на сопротивление токочувствительного резистора. Значит, для настройки её надо развернуть: напряжение = ток × 8 × сопротивление. Номинал резистора написан прямо на нём: «R100» — это 0,1 Ом, «R068» — 0,068 Ом, «R050» — 0,05 Ом. На наших модулях A4988 стоят резисторы на 0,1 Ом, у оригинальных плат Pololu с 2017 года — 0,068 Ом, и опорное напряжение для одного и того же тока у них отличается почти в полтора раза. Это и есть причина, по которой чужие «поставьте 0,7 вольта» из интернета не работают.

Обратите внимание на неприятную арифметику: наш NEMA17 просит 1,33 ампера, а A4988 без радиатора держит один. Либо радиатор и обдув, либо сознательно занижаем ток и миримся с меньшим моментом. Третьего нет.

Третий скетч: два провода и никакой библиотеки

С таким драйвером управление сводится к двум сигналам: импульс на STEP — один шаг, уровень на DIR — сторона вращения. Библиотека для этого не нужна вовсе.

// Драйвер A4988 или DRV8825: всего два управляющих вывода.
// Импульс на STEP — один шаг, уровень на DIR — сторона вращения.
const int PIN_STEP = 3;
const int PIN_DIR = 4;
const int PIN_ENABLE = 5;

// У двигателя NEMA17 двести полных шагов на оборот. Дробление шага
// задаётся перемычками MS1...MS3 на самой плате драйвера, а не здесь:
// скетчу остаётся только знать, на сколько частей поделён шаг.
const int MICROSTEP = 16;
const long STEPS_PER_REV = 200L * MICROSTEP;

void turn(long steps, bool clockwise, unsigned int pauseUs) {
  digitalWrite(PIN_DIR, clockwise ? HIGH : LOW);
  delayMicroseconds(5);   // драйверу нужно успеть заметить смену стороны
  for (long i = 0; i < steps; i++) {
    digitalWrite(PIN_STEP, HIGH);
    delayMicroseconds(3);
    digitalWrite(PIN_STEP, LOW);
    delayMicroseconds(pauseUs);
  }
}

void setup() {
  pinMode(PIN_STEP, OUTPUT);
  pinMode(PIN_DIR, OUTPUT);
  pinMode(PIN_ENABLE, OUTPUT);
  digitalWrite(PIN_ENABLE, LOW);   // ноль на ENABLE включает драйвер
}

void loop() {
  turn(STEPS_PER_REV, true, 300);
  delay(500);
  turn(STEPS_PER_REV, false, 300);

  // Пока двигатель просто стоит, обмотки остаются под током и греются.
  // Если удерживать вал не нужно — выключаем драйвер и он остывает.
  digitalWrite(PIN_ENABLE, HIGH);
  delay(3000);
  digitalWrite(PIN_ENABLE, LOW);
}

Последние строки — про то, о чём вспоминают, когда двигатель уже обжёг пальцы. Остановленный шаговый двигатель продолжает есть ток. Он не «отдыхает», а активно удерживает вал, и греется при этом точно так же, как на ходу. Если удерживать положение не требуется — выключайте драйвер выводом ENABLE, и всё остынет.

Микрошаг: за плавность платят скоростью

Три перемычки на драйвере делят каждый шаг на части. Ток в обмотки подаётся не «включено-выключено», а ступеньками, и ротор останавливается между обычными положениями. Движение становится плавнее и заметно тише.

Здесь и прячется расплата. При дроблении 1/16 на один оборот уходит 3200 импульсов, а плата на 16 МГц выдаёт около 4000 импульсов в секунду — значит, быстрее чем примерно 75 оборотов в минуту вы не поедете. Тем же двигателем полным шагом та же плата крутила бы в шестнадцать раз быстрее. И ещё: дробление задаётся перемычками на плате драйвера, а не в скетче. Скетчу остаётся только знать, на сколько частей поделён шаг, чтобы правильно посчитать обороты.

Что нужно купить

Главная ловушка при покупке — название карточки. Двигатель 28BYJ-48 на 5 вольт — 253 ₽ продаётся отдельно от драйвера, хотя в адресе страницы и мелькает ULN2003. Плату к нему берут отдельно: есть обычная плата драйвера — 86 ₽ и адаптер, позволяющий подключить этот двигатель к A4988 — 140 ₽, если захочется микрошага на дешёвом моторе.

Для всего серьёзного — NEMA17 42×42×34 — 980 ₽ (в комплекте идёт четырёхпроводной шлейф) и драйвер A4988 с радиатором — 147 ₽. Если двигателей несколько, удобнее Motor Shield — 740 ₽: драйверы вставляются в готовые гнёзда, и не нужно разводить питание проводами. Отдельный источник на 12 вольт обязателен в любом случае — от USB такой мотор не работает.

Что пошло не так

Отдельно стоит запомнить последнюю строку про питание. Драйверы A4988 чаще всего погибают не от перегрева и не от ошибки в скетче, а от того, что разъём двигателя переставили, забыв выключить питание. В листе данных об этом сказано прямым текстом, и это тот редкий случай, когда предупреждение производителя стоит воспринимать буквально.

Частые вопросы

Читайте также

• Радиомодули и Arduino: nRF24L01+, 433 МГц, HC-12 и LoRaПять вольт убивают nRF24, антенна на 433 МГц длиной 172 мм, а заводские настройки HC-12 выходят за разрешённую полосу.
• DHT11 и DHT22: температура и влажностьЧем DHT22 лучше DHT11, куда девать третью ножку, зачем резистор 10 кОм и почему датчик отвечает nan.
• HC-SR04: ультразвуковой дальномерКак модуль меряет расстояние звуком, скетч без библиотек в 20 строк и почему на морозе он завышает.
• DS18B20: термометр на шине 1-WireТермометр для воды и улицы: резистор 4,7 кОм, несколько датчиков на одном проводе и загадочные 85 °C.

• Моторы и Arduino: какой выбрать
• Питание Arduino: сколько тока можно взять
• Как ставить библиотеки из каталога