Как подключить электродвигатель к Arduino

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:
- коллекторный электродвигатель постоянного тока или аналогичный;
- драйвер двигателя L9110S, или шилд на микросхеме L293D или аналогичный;
- шаговый двигатель 28BYJ-48 с драйвером ULN2003 или аналогичный;
- Arduino UNO или иная совместимая плата;
- соединительные провода (например, вот такой набор);
- макетная плата;
- персональный компьютер со средой разработки Arduino IDE.
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.

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.
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).

Должно получиться что-то подобное:

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).
int Speed = 0; const int IA1 = 5; // Управляющий вывод 1 const int IA2 = 6; // Управляющий вывод 2 void setup() pinMode(IA1, OUTPUT); pinMode(IA2, OUTPUT); Serial.begin(9600); > void loop() if (Serial.available() > 0) < String s = Serial.readString(); Speed = s.toInt(); // преобразуем считанную строку в число >if (Speed > 0) < // если число положительное, вращаем в одну сторону analogWrite(IA1, Speed); analogWrite(IA2, LOW); >else < // иначе вращаем ротор в другую сторону analogWrite(IA1, LOW); analogWrite(IA2, -Speed); >>
Максимальная скорость вращения – при наибольшем значении напряжения, которое может выдать драйвер двигателя. Мы можем управлять скоростью вращения, подавая напряжения в диапазоне от 0 до 5 Вольт. Так как мы используем цифровые ножки с ШИМ , напряжение на них регулируется командой analogWtirte(pin, value), где pin – номер вывода, на котором мы хотим задать напряжение, а аргумент value – коэффициент, пропорциональный значению напряжения, принимающий значения в диапазоне от 0 (напряжение на выводе равно нулю) до 255 (напряжение на выводе равно 5 В).
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.

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

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:

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:

Соберём всё по схеме.

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.

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)
// порты для подключения драйвера ULN2003 к Arduino #define in1 8 #define in2 9 #define in3 10 #define in4 11 int del = 5; // время задержки между импульсами void setup() < pinMode(in1, OUTPUT); pinMode(in2, OUTPUT); pinMode(in3, OUTPUT); pinMode(in4, OUTPUT); >void loop() < //фаза 1: digitalWrite(in1, HIGH); digitalWrite(in2, LOW); digitalWrite(in3, LOW); digitalWrite(in4, HIGH); delay(del); //фаза 2: digitalWrite(in1, HIGH); digitalWrite(in2, HIGH); digitalWrite(in3, LOW); digitalWrite(in4, LOW); delay(del); //фаза 3: digitalWrite(in1, LOW); digitalWrite(in2, HIGH); digitalWrite(in3, HIGH); digitalWrite(in4, LOW); delay(del); //фаза 4: digitalWrite(in1, LOW); digitalWrite(in2, LOW); digitalWrite(in3, HIGH); digitalWrite(in4, HIGH); delay(del); >
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)
// порты для подключения модуля ULN2003 к Arduino #define in1 8 #define in2 9 #define in3 10 #define in4 11 int del = 5; // время задержки между импульсами void setup() < pinMode(in1, OUTPUT); pinMode(in2, OUTPUT); pinMode(in3, OUTPUT); pinMode(in4, OUTPUT); >void loop() < rotateClockwise(); >// Вращение шагового двигателя по часовой стрелке void rotateClockwise() < phase4(); phase3(); phase2(); phase1(); >// Вращение шагового двигателя против часовой стрелки void rotateCounterClockwise() < phase1(); phase2(); phase3(); phase4(); >// Фазы 1. 4 шагового двигателя: void phase1() < digitalWrite(in1, HIGH); digitalWrite(in2, LOW); digitalWrite(in3, LOW); digitalWrite(in4, HIGH); delay(del); >void phase2() < digitalWrite(in1, HIGH); digitalWrite(in2, HIGH); digitalWrite(in3, LOW); digitalWrite(in4, LOW); delay(del); >void phase3() < digitalWrite(in1, LOW); digitalWrite(in2, HIGH); digitalWrite(in3, HIGH); digitalWrite(in4, LOW); delay(del); >void phase4()
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)
// порты для подключения модуля ULN2003 к Arduino #define in1 8 #define in2 9 #define in3 10 #define in4 11 int del = 5; // время задержки между импульсами => скорость вращения void setup() < pinMode(in1, OUTPUT); pinMode(in2, OUTPUT); pinMode(in3, OUTPUT); pinMode(in4, OUTPUT); >void loop() < rotateClockwise(100); delay(1000); rotateCounterClockwise(100); delay(1000); >// Вращение шагового двигателя по часовой стрелке void rotateClockwise(int n) < for (int i=0; i> // Вращение шагового двигателя против часовой стрелки void rotateCounterClockwise(int n) < for (int i=0; i> // Фазы 1. 4 шагового двигателя: void phase1() < digitalWrite(in1, HIGH); digitalWrite(in2, LOW); digitalWrite(in3, LOW); digitalWrite(in4, HIGH); delay(del); >void phase2() < digitalWrite(in1, HIGH); digitalWrite(in2, HIGH); digitalWrite(in3, LOW); digitalWrite(in4, LOW); delay(del); >void phase3() < digitalWrite(in1, LOW); digitalWrite(in2, HIGH); digitalWrite(in3, HIGH); digitalWrite(in4, LOW); delay(del); >void phase4()
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.
Download attachments:
- Скачать описание шагового двигателя 28BYJ-48 (519 Downloads)
Как подключить мотор шилд Ардуино L293D

Сегодня мы разберем весьма полезное расширение для платы Arduino UNO — Motor Control Shield L293D, рассмотрим схему подключения к данному шилду сервомоторов, шаговых двигателей и моторов постоянного тока. Также вы можете ознакомиться с командами, используемых в библиотеке AFMotor.h, и попробовать различные скетчи для управления шаговыми двигателями и моторами постоянного тока на Ардуино.
Motor Shield L293D: схема, характеристики
Микроконтроллер Ардуино позволяет любому начинающему радиолюбителю изготавливать сложные автоматизированные устройства и проекты. Использование Motor Shield может стать полезным дополнением во в многих проектах на Arduino, так как позволяет подключить сразу 2 сервопривода, 2 шаговых двигателя и до 4 двигателей постоянного тока (с реверсом направления вращения ротора).

Характеристики Мотор Шилд L293D
— для работы нужна библиотека AFMotor.h (скачать библиотеку);
— возможность подключения 2-х сервоприводов на 5 Вольт;
— возможность подключения 2-х шаговых двигателей от 6 до 12 Вольт;
— подключение до 4-х моторов с возможностью реверса направления вращения;
— контакты для подключения внешнего питания для двигателей;
— Motor Shield for Arduino совместим с платами Uno и Mega.
При подключении серводвигателей и моторов к Ардуино используются различные порты, к которым нельзя подключать другую периферию. Так, для серво используются цифровые порты 9 и 10, для шаговых двигателей и моторов используются порты с 3 по 8 и 12. Если вы желаете еще что-то подключить, то используйте 0 и 1 порт, 2 и 13, а также аналоговые входы (порты A0-A5 можно использовать как цифровые выходы).
Как подключить Motor Shield к Ардуино
Для этого занятия потребуется:
- Arduino Uno / Arduino Nano / Arduino Mega;
- Motor Shield L293D;
- сервомотор;
- двигатели постоянного тока;
- шаговый двигатель;
- провода «папа-мама», «папа-папа».
К Ардуино шилд подключается очень просто — он устанавливается на плату UNO прямо сверху. Обратите внимание, что без подключения внешнего источника питания к Motor Shield, логика и двигатели будут работать от 5 Вольт, что не всегда бывает достаточно. Поэтому скорость вращения моторов постоянного тока при подключении платы Ардуино от компьютера и блока питания будет значительно отличаться.

Обратите внимание, что даже если вы задали одинаковую скорость вращения в скетче, моторы в реальности могут вращаться с разной скоростью — на это оказывает влияние скорость самого двигателя, качество изготовления редуктора и колес. После подключения двигателей, как на схеме выше, загрузите следующий скетч (скачать библиотеку AFMotor и скетч можно здесь) для тестирования работы шилда:
Скетч для Motor Shield L293D Ардуино и моторов
#include // подключаем библиотеку для шилда AF_DCMotor motor1(1); // подключаем мотор к клеммникам M1 AF_DCMotor motor2(2); // подключаем мотор к клеммникам M2 void setup() < motor1.setSpeed(255); // задаем максимальную скорость мотора motor1.run(RELEASE); // останавливаем мотор motor2.setSpeed(255); // задаем максимальную скорость мотора motor2.run(RELEASE); // останавливаем мотор > void loop() < motor1.run(FORWARD); // задаем движение вперед motor2.run(FORWARD); // задаем движение вперед motor1.setSpeed(255); // задаем скорость движения motor2.setSpeed(255); // задаем скорость движения delay(2000); // указываем время движения motor1.run(RELEASE); // останавливаем мотор M1 motor2.run(RELEASE); // останавливаем мотор M2 motor1.run(BACKWARD); // задаем движение назад motor2.run(BACKWARD); // задаем движение назад motor1.setSpeed(255); // задаем скорость движения motor2.setSpeed(255); // задаем скорость движения delay(2000); // указываем время движения motor1.run(RELEASE); // останавливаем мотор M1 motor2.run(RELEASE); // останавливаем мотор M2 >
Пояснения к коду:
- Для каждого мотора следует присваивать свое имя AF_DCMotor motor1(1) ;
- Максимальная скорость вращения motor1.setSpeed(255) равна 255;
- Без команды motor1.run(RELEASE) мотор продолжит вращаться.
Для управления сервоприводами используется стандартная библиотека Servo.h, сами сервоприводы подключаются к цифровым выходам 9 и 10 через штырьки на краю платы. К шилду можно подключить только два сервопривода и два шаговых двигателя. Первый шаговый двигатель подключается к клеммам M1 и M2, а второй к клеммам M3 и M4. Схема подключения двигателей к Motor Shield L293D изображена далее.
Скетч для подключение серво и шаговых двигателей

После подключения Stepper Motor к шилду загрузите в плату следующий скетч:
#include // подключаем библиотеку для шилда int i; // вводим переменную // подключаем шаговый двигатель к порту 1 - M1, M2 // 48 - количество шагов для полного оборота AF_Stepper stepper(48, 1); void setup() < >void loop() < // делаем 48 шагов в одном направлении, DOUBLE - тип шага for (i = 0; i step(1, FORWARD, DOUBLE); delay(30); > // делаем 48 шагов в обратном направлении (BACKWARD) for (i = 48; i >= 0; i--) < stepper.step(1, BACKWARD, DOUBLE); delay(30); > >
Подключение шагового двигателя к Ардуино

Шаговый двигатель (stepper motor) предназначен для точного позиционирования или перемещения объекта на заданное количество шагов вала. Плата Arduino может управлять шаговым двигателем с помощью драйвера и библиотеки stepper.h или accelstepper.h. Рассмотрим принцип работы и схему подключения шагового двигателя к Arduino Uno / Nano, а также разберем скетч для управления шаговым мотором.
Принцип работы шагового двигателя
В зависимости от конструкции, сегодня применяются три вида шаговых двигателей: с постоянным магнитом, с переменным магнитным сопротивлением и гибридные двигатели. У двигателей с постоянным магнитом число шагов на один оборот вала доходит до 48, то есть один шаг соответствует повороту вала на 7,5°. Гибридные двигатели обеспечивают не меньше 400 шагов на один оборот (угол шага 0,9°).

Подсчитав количество сделанных шагов, можно определить точный угол поворота ротора. Таким образом, шаговый двигатель является сегодня идеальным приводом в 3D принтерах, станках с ЧПУ и в другом промышленном оборудовании. Это лишь краткий обзор устройства и принципа работы stepper motor, нас больше интересует, как осуществляется управление шаговым двигателем с помощью Ардуино.
Драйвер шагового двигателя Ардуино
Шаговый двигатель — это бесколлекторный синхронный двигатель, как и все двигатели, он преобразует электрическую энергию в механическую. В отличие от двигателя постоянного тока в которых происходит вращение вала, вал шаговых двигателей совершает дискретные перемещения, то есть вращается не постоянно, а шагами. Каждый шаг вала (ротора) представляет собой часть полного оборота.

Вращение вала двигателя осуществляется с помощью сигнала, который управляет магнитным полем катушек в статоре драйвера. Сигнал генерирует драйвер шагового двигателя. Магнитное поле, возникающее при прохождении электрического тока в обмотках статора, заставляет вращаться вал, на котором установлены магниты. Количество шагов задаются в программе с помощью библиотеки Arduino IDE.
Схема подключения шагового двигателя 28BYJ-48 к Arduino Uno через драйвер ULN2003 изображена на рисунке ниже. Основные характеристики мотора 28BYJ-48: питание от 5 или 12 Вольт, 4-х фазный двигатель, угол шага 5,625°. Порты драйвера IN1 — IN4 подключаются к любым цифровым выводам платы Arduino Mega или Nano. Светодиоды на модуле служат для индикации включения катушек двигателя.
Как подключить шаговый двигатель к Ардуино
Для этого занятия потребуется:
- Arduino Uno / Arduino Nano / Arduino Mega;
- драйвер шагового двигателя ULN2003;
- шаговый двигатель 28BYJ-48;
- провода «папа-мама».

Управление шаговым двигателем через Ардуино производится путем подачи импульсов на обмотки мотора в определенной последовательности. Для облегчения управления шаговым мотором созданы специальные библиотеки stepper.h и accelstepper.h, но можно вращать вал мотора без стандартных библиотек. Подключите шаговый мотор к микроконтроллеру, как на схеме выше и загрузите следующий скетч.
Скетч для управления шаговым двигателем
// порты для подключения модуля ULN2003 к Arduino #define in1 8 #define in2 9 #define in3 10 #define in4 11 int dl = 5; // время задержки между импульсами void setup() < pinMode(in1, OUTPUT); pinMode(in2, OUTPUT); pinMode(in3, OUTPUT); pinMode(in4, OUTPUT); > void loop() < digitalWrite(in1, HIGH); digitalWrite(in2, LOW); digitalWrite(in3, LOW); digitalWrite(in4, HIGH); delay(dl); digitalWrite(in1, HIGH); digitalWrite(in2, HIGH); digitalWrite(in3, LOW); digitalWrite(in4, LOW); delay(dl); digitalWrite(in1, LOW); digitalWrite(in2, HIGH); digitalWrite(in3, HIGH); digitalWrite(in4, LOW); delay(dl); digitalWrite(in1, LOW); digitalWrite(in2, LOW); digitalWrite(in3, HIGH); digitalWrite(in4, HIGH); delay(dl); >
Пояснения к коду:
- вместо портов 8,9,10,11 можно использовать любые цифровые порты;
- время задержки в миллисекундах int dl = 5; можно изменять, чем меньше задержка в программе, тем быстрее будет вращаться вал мотора;
- алгоритм работы программы, представлен на следующей картинке.
Управление шаговым двигателем на Ардуино
Рассмотрим управление шаговым мотором при помощи стандартной библиотеки stepper.h и с помощью более удобной и популярной библиотеки accelstepper.h, где реализовано намного больше дополнительных команд и функций. Схема подключения мотора при этом остается неизменной. Чуть дальше мы перечислили возможные команды, которые можно использовать в программе с этими библиотеками.
Скетч для шагового двигателя на Ардуино (Stepper.h)
#include Stepper.h> // библиотека для шагового двигателя // количество шагов на 1 оборот, измените значение для вашего мотора const int stepsPerRevolution = 200; // устанавливаем порты для подключения драйвера Stepper myStepper(stepsPerRevolution, 8, 9, 10, 11); void setup() < myStepper.setSpeed(60); // устанавливаем скорость 60 об/мин > void loop() < // поворачиваем ротор по часовой стрелке myStepper.step(stepsPerRevolution); delay(500); // поворачиваем ротор против часовой стрелки myStepper.step(-stepsPerRevolution); delay(500); >
Пояснения к коду:
- вместо портов 8,9,10,11 можно использовать любые цифровые порты;
- библиотека Stepper.h имеет маленький функционал, поэтому подходит только для тестирования шагового двигателя и проверки подключения драйвера.
Скетч для шагового мотора с библиотекой AccelStepper.h
#include // библиотека для шагового двигателя
Пояснения к коду:
- библиотеку AccelStepper.h можно использовать при подключении шагового двигателя к Motor Shield L293D совместно с библиотекой AFMotor.h;
- в программе можно задавать не только максимальную скорость, но и ускорение и замедление вала шагового двигателя.
Описание команд библиотеки AccelStepper.h
AccelStepper mystepper(DRIVER, step, direction); // Шаговый двигатель, управляемый платой
AccelStepper mystepper(FULL2WIRE, pinA, pinB); // Шаговый двигатель, управляемый Н-мостом
AccelStepper mystepper(FULL4WIRE, pinA1, pinA2, pinB1, pinB2); // Униполярный двигатель
mystepper.setMaxSpeed(stepsPerSecond); // Установка скорости оборотов в минуту
mystepper.setSpeed(stepsPerSecond); // Установка скорости в шагах за секунду
mystepper.setAcceleration(stepsPerSecondSquared); // Установка ускорения
mystepper.currentPosition(); // Возвращает текущее положение в шагах
mystepper.setCurrentPosition (long position); Обнуляет текущую позицию до нуля
mystepper.targetPosition(); // Конечное положение в шагах
mystepper.distanceToGo(); // Вернуть расстояние до указанного положения
mystepper.moveTo(long absolute); // Переместиться в абсолютно указанное положение
mystepper.move(long relative); // Переместиться в относительно указанное положение
mystepper.run(); // Начать движение с ускорением, функцию следует вызывать повторно
mystepper.runToPosition(); // Начать движение до указанной точки
mystepper.runToNewPosition(); // Начать движение с ускорением до заданной позиции
mystepper.stop(); // Максимально быстрая остановка (без замедления)
mystepper.runSpeed(); // Начать движение с заданной скоростью без плавного ускорения
mystepper.runSpeedToPosition(); // Начать движение без плавного ускорения, до позиции
mystepper.disableOutputs(); // Деактивирует зарезервированные пины и устанавивает их в режим LOW. Снимает напряжение с обмоток двигателя, экономя энергию
mystepper.enableOutputs(); // Активирует зарезервированные пины и устанавивает их в режим OUTPUT. Вызывается автоматически при запуске двигателя
Как подключить электродвигатель к Arduino

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:
- коллекторный электродвигатель постоянного тока или аналогичный;
- драйвер двигателя L9110S, или шилд на микросхеме L293D или аналогичный;
- шаговый двигатель 28BYJ-48 с драйвером ULN2003 или аналогичный;
- Arduino UNO или иная совместимая плата;
- соединительные провода (например, вот такой набор);
- макетная плата;
- персональный компьютер со средой разработки Arduino IDE.
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.

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.
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).

Должно получиться что-то подобное:

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).
int Speed = 0; const int IA1 = 5; // Управляющий вывод 1 const int IA2 = 6; // Управляющий вывод 2 void setup() pinMode(IA1, OUTPUT); pinMode(IA2, OUTPUT); Serial.begin(9600); > void loop() if (Serial.available() > 0) < String s = Serial.readString(); Speed = s.toInt(); // преобразуем считанную строку в число >if (Speed > 0) < // если число положительное, вращаем в одну сторону analogWrite(IA1, Speed); analogWrite(IA2, LOW); >else < // иначе вращаем ротор в другую сторону analogWrite(IA1, LOW); analogWrite(IA2, -Speed); >>
Максимальная скорость вращения – при наибольшем значении напряжения, которое может выдать драйвер двигателя. Мы можем управлять скоростью вращения, подавая напряжения в диапазоне от 0 до 5 Вольт. Так как мы используем цифровые ножки с ШИМ , напряжение на них регулируется командой analogWtirte(pin, value), где pin – номер вывода, на котором мы хотим задать напряжение, а аргумент value – коэффициент, пропорциональный значению напряжения, принимающий значения в диапазоне от 0 (напряжение на выводе равно нулю) до 255 (напряжение на выводе равно 5 В).
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.

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

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:

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:

Соберём всё по схеме.

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.

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)
// порты для подключения драйвера ULN2003 к Arduino #define in1 8 #define in2 9 #define in3 10 #define in4 11 int del = 5; // время задержки между импульсами void setup() < pinMode(in1, OUTPUT); pinMode(in2, OUTPUT); pinMode(in3, OUTPUT); pinMode(in4, OUTPUT); >void loop() < //фаза 1: digitalWrite(in1, HIGH); digitalWrite(in2, LOW); digitalWrite(in3, LOW); digitalWrite(in4, HIGH); delay(del); //фаза 2: digitalWrite(in1, HIGH); digitalWrite(in2, HIGH); digitalWrite(in3, LOW); digitalWrite(in4, LOW); delay(del); //фаза 3: digitalWrite(in1, LOW); digitalWrite(in2, HIGH); digitalWrite(in3, HIGH); digitalWrite(in4, LOW); delay(del); //фаза 4: digitalWrite(in1, LOW); digitalWrite(in2, LOW); digitalWrite(in3, HIGH); digitalWrite(in4, HIGH); delay(del); >
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)
// порты для подключения модуля ULN2003 к Arduino #define in1 8 #define in2 9 #define in3 10 #define in4 11 int del = 5; // время задержки между импульсами void setup() < pinMode(in1, OUTPUT); pinMode(in2, OUTPUT); pinMode(in3, OUTPUT); pinMode(in4, OUTPUT); >void loop() < rotateClockwise(); >// Вращение шагового двигателя по часовой стрелке void rotateClockwise() < phase4(); phase3(); phase2(); phase1(); >// Вращение шагового двигателя против часовой стрелки void rotateCounterClockwise() < phase1(); phase2(); phase3(); phase4(); >// Фазы 1. 4 шагового двигателя: void phase1() < digitalWrite(in1, HIGH); digitalWrite(in2, LOW); digitalWrite(in3, LOW); digitalWrite(in4, HIGH); delay(del); >void phase2() < digitalWrite(in1, HIGH); digitalWrite(in2, HIGH); digitalWrite(in3, LOW); digitalWrite(in4, LOW); delay(del); >void phase3() < digitalWrite(in1, LOW); digitalWrite(in2, HIGH); digitalWrite(in3, HIGH); digitalWrite(in4, LOW); delay(del); >void phase4()
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)
// порты для подключения модуля ULN2003 к Arduino #define in1 8 #define in2 9 #define in3 10 #define in4 11 int del = 5; // время задержки между импульсами => скорость вращения void setup() < pinMode(in1, OUTPUT); pinMode(in2, OUTPUT); pinMode(in3, OUTPUT); pinMode(in4, OUTPUT); >void loop() < rotateClockwise(100); delay(1000); rotateCounterClockwise(100); delay(1000); >// Вращение шагового двигателя по часовой стрелке void rotateClockwise(int n) < for (int i=0; i> // Вращение шагового двигателя против часовой стрелки void rotateCounterClockwise(int n) < for (int i=0; i> // Фазы 1. 4 шагового двигателя: void phase1() < digitalWrite(in1, HIGH); digitalWrite(in2, LOW); digitalWrite(in3, LOW); digitalWrite(in4, HIGH); delay(del); >void phase2() < digitalWrite(in1, HIGH); digitalWrite(in2, HIGH); digitalWrite(in3, LOW); digitalWrite(in4, LOW); delay(del); >void phase3() < digitalWrite(in1, LOW); digitalWrite(in2, HIGH); digitalWrite(in3, HIGH); digitalWrite(in4, LOW); delay(del); >void phase4()
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.
Download attachments:
- Скачать описание шагового двигателя 28BYJ-48 (519 Downloads)