Шаговый двигатель с энкодером своими руками

Digitrode

цифровая электроника вычислительная техника встраиваемые системы

Превращаем шаговый двигатель в энкодер

В электромеханике одним из интересных моментов является то, что обычный двигатель постоянного тока может играть роль также генератора. Вы можете использовать электричество для вращения вала или использовать вращающийся вал для выработки электроэнергии. На основе этого принципа можно сделать немало полезных вещей. И в данном материале мы покажем, как использовать шаговый двигатель в качестве датчика.

Применение шагового мотора в качестве датчика имеет смысл. Если катушки в двигателе могут перемещать вал, то перемещение вала должно вызвать ток в катушках. Однако следует заметить, что при низких скоростях вы можете пропустить импульсы. Опять же, устройство не оптимизировано для этого типа операций.

В схеме используется дифференциальный усилитель на основе двух ОУ для считывания импульсов от катушки. Два операционных усилителя с двух катушек создают квадратурный сигнал, как обычный энкодер.

Когда вал поворачивается в одном направлении, один импульс будет следовать за другим. При вращении в другом направлении последовательность импульсов будет реверсирована.

Для проверки работоспособности концепции можно собрать схему из Arduino, двух двигателей и драйвера A4988.

А можно с одним двигателем и светодиодным кольцом AdaFruit NeoPixel в качестве индикатора, как на видео ниже.

В любом случае считывать импульсы с датчика/двигателя поможет следующий код:

Источник

Шаговый двигатель в роли энкодера

Применять шаговый двигатель в качестве генератора не пробовал только ленивый, а как насчёт его применения в роли энкодера? Легко — утверждает автор Arduino Project Hub под ником Andrewf1. Лицензия — GPL версии 3 или больше по вашему выбору.

Подключать такой импровизированный энкодер прямо к входам Arduino нельзя — напряжение до 50 В выведет микроконтроллер из строя. Нужно несложное согласующее устройство:

При вращении вала двигателя на двух выходах согласующего устройства появляются примоугольные импульсы:

По частоте этих импульсов, а также сдвигу их друг относительно друга программа определяет скорость и направление вращения импровизированного энкодера. При очень малой скорости возможен пропуск шагов. С другой стороны, такой энкодер, в отличие от контактных и оптических, не требует чистки от пыли.

Чтобы показать возможности устройства, мастер также подключает к Arduino второй шаговый двигатель с драйвером A4988, используемый по прямому назначению, а также адресное светодиодное кольцо Neopixel. Вы вращаете вал двигателя, применяемого в качестве энкодера, а второй двигатель или светящаяся точка на светодиодном кольце повторяют вращение по направлению и скорости.

Согласующее устройство позволяет использовать существующую библиотеку для обычных энкодеров без изменений. Другая библиотека предназначена для работы со светодиодным кольцом, она же подходит к лентам и другим устройствам на основе адресных светодиодов. Ссылки на скетчи с примерами — битые, но они и не обязательны, поскольку, благодаря первой библиотеке, для программиста работа с шаговым двигателем в качестве энкодера не отличается от работы с обычным энкодером. Предлагаемое согласующее устройство может быть применено в составе любых конструкций, где требуются энкодеры.

Источник

Вечный энкодер (валкодер) с устойчивыми положениями из шагового двигателя

Механический энкодер — вещь удобная в использовании, но он имеет некоторые досадные недостатки. В частности, контакты со временем изнашиваются и приходят в негодность, появляется дребезг. Оптические энкодеры гораздо надежнее, но они дороже, многие из них боятся пыли, и они редко встречаются в таком виде, в котором их удобно было бы использовать в радиотехнике.

Короче, когда я узнал о том, что шаговый двигатель можно использовать как энкодер, эта идея мне очень понравилась.
Практически вечный энкодер! Замучить его невозможно: соберешь раз и можешь энкодить всю жизнь.

Содержание / Contents

↑ Шаговый двигатель и схема

Я разобрал несколько дисководов, везде двигатели были разные. Встречались на шлейфе, встречались с косой цветных проводов. На шлейфе общий провод — крайний. Всё остальное находится прозвонкой. По сопротивлению понятно: с выхода на выход сопротивление вдвое больше, чем с выхода на общую точку. А можно даже не прозванивать. Если открутить четыре винта, внутри коммутационная плата, на ней видно, где общий провод.

Исходная схема многократно встречается в Сети в вариациях. Я оттолкнулся от статьи Thomas (OZ2CPU) .

У неё есть достоинства, но есть и недостатки, об этом далее. Собрал пробный вариант в виде макета, и понял, что ничего не понял
Для начала хотелось бы сразу видеть, в какую сторону происходит шаг. Схема выдавала квадратурный код, как и обычный энкодер. Этот код надо было каким-то образом превратить в мигание светодиода — «правый» или «левый».

Разработал и протестировал вот такую схему:

Кстати, эту схему на логике можно использовать и для обычного энкодера, я её и отрабатывал на нём.

Для сборки понадобятся 8 элементов «2И-НЕ», я использовал два чипа 74HC00.
Элемент U2A, диод, конденсатор и U2B создают короткий импульс в момент положительного фронта. Элемент U6D, U4D и U2D — мультиплексор, который пересылает этот испульс либо на один, либо на другой светодиод.

Разумеется, этот же функционал можно сделать на единственном микроконтроллере, но это далеко не для всех доступно и удобно. Всё-таки элементы 2И-НЕ можно найти где угодно, в т. ч. советские (74хх00, К155ЛА3, К555ЛА3).
Последние два инвертора (U5D и U3D) можно выкинуть, ведь ничто нам не мешает подключить светодиоды не к земле, а к плюсу питания. Если крепко пошевелить мозгом, схему можно было бы ещё упростить, но эту задачу оставляем на будущее.
Печатки нет, поскольку всё собиралось только на макетке.

↑ Недостатки схемы и их преодоление

↑ Видео в работе

Жалко, что видео не передает тактильные ощущения на валу!

↑ Итого

В целом работа энкодера меня устраивает. Крутить такую «ручку громкости» необычно приятно.
Работа над устройством будет продолжена.

Спасибо за внимание!

Камрад, рассмотри датагорские рекомендации

🌼 Полезные и проверенные железяки, можно брать

Опробовано в лаборатории редакции или читателями.

Источник

Изучаем миниатюрный шаговый двигатель

Шаговые двигатели нашли широкое применение в современной промышленности и самоделках. Их используют там, где необходимо обеспечить точность позиционирования механических узлов, не прибегая к помощи обратной связи и точным измерениям.

Сегодня хочу поговорить об особой разновидности шаговых моторов — миниатюрные шаговые двигатели, которые применяются в конструкциях оптических систем. Мы подробно рассмотрим их устройство и способы управления такими крошечными моторчиками.

Шаговый двигатель — бесколлекторный (бесщёточный) электрический двигатель с несколькими обмотками (фазами), расположенными на статоре и магнитами (часто постоянными) на роторе. Подавая напряжения на обмотки статора, мы можем фиксировать положение ротора, а подавая напряжение на обмотки последовательно можно получить перемещение ротора из одного положения в другое (шаг), причём этот шаг имеет фиксированную угловую величину.

Мы не будем останавливаться на рассмотрении каждого типа шагового двигателя. Об этом в сети написано довольно много и хорошо, например здесь.

Хочу поговорить об особой разновидности шаговых моторов — миниатюрные шаговые двигатели, которые применяются в конструкциях оптических систем. Такие малыши имеются в свободной продаже. Но в сети, особенно в русскоязычной, очень мало информации по таким моторчикам. Потому, когда мне потребовалось использовать их в своём проекте, пришлось изрядно поискать информации и провести пару экспериментов.

Результатами своих поисков и экспериментами я поделюсь в этой статье.

Мы рассмотрим вопросы управления такими маленькими моторчиками, а именно:

• драйвер L293D + микроконтроллер ATtiny44;
• драйвер TMC2208 + микроконтроллер ATtiny44;
• микроконтроллер ATtiny44 (без драйвера).

Собственно вопросы тут может вызвать только последний пункт. Поверьте, я тоже был удивлён, когда наткнулся на ролик (вот он), где парень просто берёт и напрямую цепляет шаговый мотор к пинам микроконтроллера! Но давайте обо всём по порядку.

Знакомство

Сначала немного посмотрим на внешний вид нашего героя:

Он действительно очень маленький! Согласно умной книжке Петренко С.Ф.
«Пьезоэлектрические двигатели в приборостроении», меньших размеров электромагнитные моторчики создать в принципе невозможно… то есть возможно, но с уменьшением диаметра проволоки, из которой изготавливают обмотки, всё больше энергии рассеивается в виде тепла в окружающую среду, что приводит к уменьшению КПД моторчика и делает их использование нерациональным.

Из примечательного, можно отметить, что его вал очень короткий и имеет специальную проточку для установки шестерни или рычага.

Отчётливо видны две обмотки, которые даже покрыты изоляцией разного цвета. Значит, наш моторчик относится, скорее всего, к классу биполярных шаговых двигателей.
Посмотрим как он устроен:

Считаю, наше знакомство с этими моторчиками будет не полным, если мы не посмотрим, что же у него внутри. Ведь всегда интересно заглянуть внутрь механизма! Разве нет?

Собственно, ничего необычного мы не увидели. Ротор намагничен. Подшипников нигде не наблюдается, всё на втулках. Задняя втулка запрессована в корпус двигателя. Передняя ничем не закреплена. Интересно, что корпус двигателя собирался точечной сваркой. Так что переднюю крышку корпуса пришлось спиливать.

Теперь перейдём к вопросу подключения и его электрическим характеристикам.

Убедимся, что он биполярный, прозвонив обмотки. Действительно биполярный, всё как на картинке выше. Сопротивление обмоток около 26Ом, хотя продавец указал 14Ом.
В описании сказано, что напряжение питания 5В. Хотя мы то с вами знаем, что для шагового двигателя важен ток, который будут потреблять его обмотки.
Пробуем подключить.

Эксперимент №1. L293D + ATtiny44

Как мы знаем, для управления биполярным шаговым двигателем необходимо не просто прикладывать напряжения к двум обмоткам в нужной последовательности, но и изменять направление тока в этих обмотках, причём делать это независимо друг от друга. Для этого на каждую обмотку нужен собственный Н-мост. Чтобы не городить его из транзисторов, был взят готовый в лице микросхемы L293D. Ещё одно её преимущество — у микросхемы имеются специальные выводы Enable1 и Enable2, который включают и выключают каждый мост. Их можно использовать чтобы подавать ШИМ сигнал, тем самым, возможно контролировать напряжения питания каждого моста. Зачем это может понадобиться, мы увидим дальше.

Кроме того, L293D может коммутировать напряжения до 36В и выдавать до 1,2А на каждый канал, чего вполне должно хватить для питания обмоток нашего моторчика.

Управляющие входы L293D подключены к выходам OC0A и OC0B, что позволит в будущем подавать на них ШИМ сигнал.

Прошивать контроллер будем через внутрисхемный программатор (на схеме не указан).
Вот как выглядит собранная схема на макетной плате:

И вот так расположен наш подопытный:

Теперь можно приступать к экспериментам.

Рассчитаем ток, который будет течь через обмотки двигателя при подключении их к напряжению 5В:

I=U/R = 5В/26Ом = 190мА

Совсем небольшой. Интересно как долго он сможет держать такой ток и не перегреться.

Включим в цепь одной из обмоток амперметр и вольтметр, и проведём замеры соответствующих величин при подачи питания на эту обмотку через драйвер.

При падении напряжения на обмотке 2.56В амперметр показывает ток 150мА, причём хорошо заметно, как начинает падать величина силы тока в процессе нагревания обмоток. Надо отметить, что не так уж и сильно он греется.

Убедившись, что напряжение 5В для моторчика опасности не представляет, попробуем покрутить им в разные стороны. И вот теперь пару слов мы скажем про режимы работы шагового двигателя.

Об этом довольно хорошо сказано здесь.

Не будем повторяться, но вспомним, что шаговый двигатель может работать в трёх режимах:

• Полношаговый однофазный это когда одновременно напряжение подаётся только на одну фазу двигателя, ротор делает шаг, затем текущая фаза выключается и включается следующая.
• Полношаговый двухфазный это когда напряжение подаётся одновременно на две фазы мотора, при этом, ротор притягивается одновременно к двум обмоткам, что создаёт больший крутящий момент.
• Микрошаговый режим в этом случае реализуется тот же принцип, что и на полношаговом двухфазном, то есть работают одновременно две обмотки, но напряжение (и как следствие ток) распределяется между ними неравномерно. Фактически, это означает, что мы можем поставить моторчик в неограниченное количество положений (на практике, разумеется, такого сделать нельзя). Увеличивается точность позиционирования.

Попробуем реализовать первые два режима на микросхеме L293D а для микрошагового режима оставим специальный драйвер из второго эксперимента.

Исходный код программы выглядит следующим образом:

Полношаговый режим. Одна фаза

Двигатель делает 16 шагов на один оборот. Причём шаги для двух фаз имеют не одинаковую угловую величину. Не знаю с чем это связано. Может конструкция двигателя такая?

Посмотрим на максимальную частоту шагов, которую он может обеспечить в таком режиме, не пропуская их.

Минимальная задержка между шагами 2мс, значит 500 шагов/секунду. Неплохо, это 31 об/сек = 1850 об/мин.

Полношаговый режим. Две фазы

Обратите внимание, что в этом случае шаги получаются ровнее, они одинаковы по величине (во всяком случае, более одинаковы, чем в предыдущем случае).

Естественно, в этом случае под напряжением находятся одновременно две обмотки и теплоотдача возрастает. Двигатель уже через несколько секунд нагревается достаточно сильно, потому эксперимент я прекратил.

Что с максимальной частотой шагов? 500 шагов/секунду; 31 об/сек = 1875 об/мин.
Надо сказать, что для шагового двигателя он довольно шустрый. Это связано с малым количеством магнитных полюсов на роторе.

Эксперимент №2. TMC2208 + ATtiny44

TMC2208 — название микросхемы-драйвера для управления биполярными шаговыми двигателями, аналогично называется модуль на её основе, который выпускается для установки в самодельные (и не только) 3D принтеры и имеет унифицированное расположение выводов.
Много и доходчиво сказано про этот модуль вот здесь.

В интернете много написано про то, как установить его в свой 3D принтер, но нас интересует как подключить модуль к микроконтроллеру, потому давайте разбираться.

Характеристики микросхемы впечатляют (только впечатлительных людей):

• напряжение питания логической части: 3-5В;
• напряжение питания двигателя 5.5-36В;
• пиковый ток 2А;
• настройка максимального тока двигателя;
• поддержка интерфейса UART как для управления, так и для конфигурирования внутренних регистров;
• автоматическое отключение питания;
• поддержка микрошагового режима управления двигателем вплоть до 1/16 шага.

Управлять ей очень просто, по сути нужно всего два пина микроконтроллера. Один подключаем к DIR — указываем направление вращения двигателя, другой подключаем к STEP — при подаче импульса микросхема производит необходимые манипуляции с токами и напряжениями на обмотках двигателя и тот делает один шаг.

Схема подключения будет выглядеть так:

Дополнительно я использовал пин EN, чтобы отключать моторчик и длительное время не держать обмотки под напряжением.

Перед тем как всё запустить нужно произвести предварительную настройку модуля. Во-первых, выставить желаемый режим микрошага. Во-вторых, выставить желаемый максимальный ток двигателя.

С микрошагом всё просто. За это отвечают пины MS1 и MS2.

Отмечу, что микросхема не скачкообразно меняет напряжение, а делает это «плавно», но так как микросхема цифровая, то на выходе у нас не гладкий сигнал, а сигнал с маленьким шагом, если верить документации, то каждый шаг она разбивает на 256 микрошагов. Сделано это для увеличения плавности хода, снижения шумов от двигателя и по идее не должно позволять конструкции, к которой он прикручен, входить в резонанс. Короче, всё для того, чтобы 3D принтер работал тише.

Чтобы выставить ток двигателя необходимо измерить напряжения на контакте Vref, который указан на рисунке. Изменить значение напряжения можно при помощи потенциометра, установленного рядом с контактом. Напряжение на контакте будет пропорционально току двигателя, и зависимость будет иметь следующий вид:

Нашему моторчику нужно примерно 150мА, потому Vref = 0,216В. Устанавливаем…

Подразумевается, что увеличение тока микросхема обеспечивает за счёт увеличения напряжения на обмотке. Потому, нужно позаботиться о том, чтобы этого напряжения хватило. Но, полагаю, для того маленького моторчика должно хватить и 5В.

Протестируем работу моторчика с различными режимами микрошага и посмотрим что получится (пауза между микрошагами 10мс):

Можно заметить, что движения моторчика стали более плавными (по сравнению с предыдущим экспериментом), однако характерные 16 шагов всё равно наблюдаются довольно чётко. Что же… видимо это черта шаговых двигателей с ротором из постоянных магнитов.
Ещё необходимо отметить, что моторчик в этом режиме нагревается почти также сильно, как в полношаговом режиме с двумя фазами. Оно и понятно, обмотки постоянно находятся под напряжением, непрерывно происходит выделение тепла.

Полагаю, для таких моторчиков использование такого драйвера, да и вообще режимов микрошага не очень целесообразно.

Эксперимент №3. ATtiny44-драйвер

Вернёмся ненадолго к первому эксперименту и вспомним, что входы EN1 и EN2 микросхемы драйвера подключены к пинам OC0A и OC0B микроконтроллера. Это значит, что мы можем подать туда ШИМ сигнал, генерируемый при помощи таймера TIMER0 и таким образом изменять напряжение, прикладываемое к обмоткам двигателя и соответственно регулировать ток, который будет протекать через них.

Согласно даташиту на микроконтроллер ATtiny44 максимальный ток, который может выдать один пин составляет всего 40мА. Причём не указано для какого вида тока (пульсирующего или постоянного) эта характеристика. Просто она есть и она вот такая…

Надо сказать, что я более 7 лет знаком с микроконтроллерами фирмы ATMEL. И ни разу у меня не возникло желания проверить эту строчку из даташита.

Возможно, производитель просто подстраховывается и на самом деле он может выдать больше, а может это действительно максимум, что может выдать один пин.

Мы это выясним. Но сначала нужно выяснить при каком минимальном токе моторчик вообще способен вращаться.

Используя схему из первого эксперимента, подгоняем значение тока через обмотки равное 40мА. Запускаем в полношаговом режиме с двумя фазами (так как будет выше крутящий момент):

Отлично! При 40мА двигатель успешно запустился! Был также выявлено минимальное значение тока обмоток, необходимое для устойчивой работы мотора, и равно оно 30мА.

Разумеется, крутящий момент будет значительно ниже, но для нас важен сам факт того, что удалось запустить моторчик с таким маленьким энергопотреблением.

Схема подключения шагового двигателя к микроконтроллеру будет следующей:

Поскольку каждый пин микроконтроллера работает как полумост (может коммутировать вывод микросхемы либо на Vcc, либо на GND), то для управления биполярным шаговым мотором нам понадобиться 4 пина микроконтроллера.

Немного поясню как работает эта программа. Это модифицированный код из первого эксперимента. Как я говорил выше, будет использован 8 битный TIMER0 для генерирования ШИМ сигнала на выходах OC0A и OC0B. Таймер настраивается в режим FastPWM с предделителем на 8 (частота сигнала при 8МГц тактового генератора микроконтроллера составляет 3906Гц).

Чтобы изменять полярности сигналов на обмотках происходит переключение пина микроконтроллера от Vcc к GND изменением соответствующего бита в регистре PORTx и изменением коэффициента заполнения ШИМ путём записи значений в регистры OCR0A и OCR0B (значения подбирались экспериментально).

Курс схемотехники, прослушанный на первом курсе института подсказывает, что мультиметр показывает среднеквадратическое значение напряжения и тока в двигателе.

Шаговый двигатель вращается от пинов микроконтроллера без драйверов!

Но здесь мы не выходим за пределы возможностей микроконтроллера, по крайней мере, если верить тому, что пишут в документации. В таком режиме микроконтроллер и моторчик могут работать долго. Действительно, эксперимент длился 20 минут. За это время не наблюдалось ни пропуска шагов, ни сброса контроллера, ни перегрева (ни у двигателя, ни у контроллера).

Отбросим все предосторожности

Уберём из эксперимента ШИМ и будем напрямую управлять пинами микроконтроллера при помощи регистров PORTx. Посмотрим что будет с микроконтроллером после этого.

Работает… с максимальным током в 51мА… Что же… неожиданно, похоже это и есть предельный ток, который может отдать один пин микроконтроллера? Если я ошибаюсь, поправьте меня.

В любом случае, ролик с ютуба не обманул. Действительно можно управлять этим моторчиком без всяких драйверов.

Выводы

Мы подробно изучили миниатюрные биполярные шаговые моторчики, их конструкцию и способы управления ими, для использования в собственных приложениях.

1. Миниатюрный биполярный шаговый мотор с ротором из постоянных магнитов действительно миниатюрный.

Его основные особенности:

• малое количество магнитных полюсов, как следствие, малое количество шагов (у моего, напомню, всего 16);
• относительно большая скорость вращения (следствие из предыдущего пункта), в эксперименте удалось достичь 1875 об/мин;
• неудовлетворительно работает в микрошаговых режимах (не удерживается промежуточное положение ротора);

2. Миниатюрный шаговый двигатель может управляться любыми драйверами, подходящими для работы с биполярными шаговыми моторами, необходимо только подобрать параметры тока обмоток.

3. Использование специализированного драйвера TMC2208 является спорным вопросом, так как микрошаговый режим не поддерживается самим двигателем, хотя переходы между шагами выполняются более плавно.

4. Возможно подключение шагового двигателя непосредственно к портам микроконтроллера. Но это только в рамках эксперимента, так как крутящий момент в данном случае совсем незначителен, да и малый ток не позволяет совершать шаги с большой скоростью.

В следующий раз расскажу, для чего именно нам потребовались такие маленькие шаговые моторчики.

Источник