Ардуино работа с моторами

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.

Ардуино работа с моторами

Общие принципы ШИМ

Метод осуществления ШИМ показан на следующем рисунке.

Ардуино работа с моторами

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.

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.

Ардуино работа с моторами

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.

Ардуино работа с моторами

Ардуино работа с моторами

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.

Ардуино работа с моторами

В следующей таблице указаны необходимые значения напряжений на выводах INPUT1 и INPUT2 микросхемы L293D для смены направления вращения двигателя.

Enable PinInput Pin 1Input Pin 2Motor Direction
HighLowHighвправо
HighHighLowвлево
HighLowLowстоп
HighHighHighстоп

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.

Ардуино работа с моторами

Необходимые компоненты

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

Работа схемы

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

Ардуино работа с моторами

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.

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.

Подключение моторчика к Ардуино

Ардуино работа с моторами

Подключение мотора к Ардуино ► потребуется при сборке машинки или катера. Рассмотрим различные варианты подключения коллекторного двигателя к Arduino.

Подключение мотора постоянного тока к Ардуино (коллекторного двигателя) требуется при сборке машинки или катера на микроконтроллере Arduino. Рассмотрим различные варианты подключения двигателей постоянного тока: напрямую к плате, через биполярный транзистор, а также с использованием модуля L298N. В обзоре размещены схемы подключения и коды программ для всех перечисленных вариантов.

Ардуино работа с моторами

Управление двигателем на Ардуино

Коллекторный моторчик может быть рассчитан на разное напряжения питания. Если двигатель работает от 3-5 Вольт, то можно моторчик подключать напрямую к плате Ардуино. Моторы для машинки с блютуз управлением, которые идут в комплекте с редукторами и колесами рассчитаны уже на 6 Вольт и более, поэтому ими следует управлять через полевой (биполярный) транзистор или через драйвер L298N.

Ардуино работа с моторами

Принцип работы и устройство мотора постоянного тока

На схеме показано устройство моторчика постоянного тока и принцип его работы. Как видите, для того, чтобы ротор двигателя начал крутиться к нему необходимо подключить питание. При смене полярности питания, ротор начнет крутиться в обратную сторону. Драйвер двигателей L298N позволяет инвертировать направление вращения мотора fa 130, поэтому его удобнее использовать в своих проектах.

Как подключить моторчик к Arduino

Для этого занятия нам потребуется:

  • плата Arduino Uno / Arduino Nano / Arduino Mega;
  • мотор постоянного тока (Motor DC);
  • транзистор полевой/биполярный;
  • драйвер двигателей L298N;
  • провода «папа-папа», «папа-мама».

Перед выбором способа управления двигателем от Arduino Uno r3, уточните на какое напряжение рассчитан ваш моторчик. Если питание требуется более 5 Вольт, то следует использовать транзистор или драйвер. Распиновка транзисторов может отличаться от приведенного примера (следует уточнить распиновку для своего типа). Драйвер L298N позволит не только включать мотор, но и изменять направление вращения.

Скетч. Подключение мотора через транзистор

Подключение мотора через транзистор к Ардуино потребуется, если двигатель никак не хочет включаться от платы напрямую, то следует использовать порт 5 Вольт на микроконтроллере или внешний источник питания. Транзистор будет играть роль ключа, замыкая/размыкая электрическую цепь. Сам транзистор управляется цифровым портом. Соберите схему, как на картинке и загрузите программу.

Ардуино работа с моторами

Подключение FA-130 мотора постоянного тока — Motor DC Arduino

Пояснения к коду:

  1. при необходимости можно подключить два мотора FA-130 к Ардуино;
  2. в зависимости от характеристик, двигатель подключается к 3,3 или 5 Вольтам.

Скетч. Подключение мотора через драйвер

Подключение мотора к Ардуино через драйвер L298N или Motor Shield L293D позволит менять направление вращения ротора. Но для использования данных модулей потребуется установить соответствующие библиотеки для Ардуино. В примере мы использовали схему подключения двигателя с помощью модуля L298N. Соберите схему, как на картинке ниже и загрузите следующий скетч с использованием.

Делаем на основе Arduino двигатель своими руками

Для автоматизации электронных устройств разработчики прибегают к использованию такого приспособления, как Arduino двигатель.

Включение детали в проект – непростая задача, которая требует максимума усилий и внимания. Особенно сложно дело обстоит у начинающих электронщиков, не разбирающихся с приводами.

Ниже мы подробно расскажем читателю о моторе, сконструированном на микропроцессоре Aрдуино, и поможем построить прибор правильно.

Назначение двигателя Aрдуино и принцип работы

PWM или широтно-импульсная модуляция – это метод, позволяющий нам скорректировать среднее значение напряжения, которое поступает на электронное устройство, путем быстрого включения и выключения питания. Среднее напряжение зависит от рабочего цикла или количества времени, в течение которого сигнал включен, в зависимости от времени, в течение которого сигнал выключен за один промежуток времени.

Ардуино работа с моторами

Поэтому, в зависимости от размера прибора, мы можем просто подключить выход PWM Arduino к базе транзистора или к затвору MOSFET и управлять скоростью двигателя, контролируя выход PWM. Сигнал PWM с низким уровнем мощности Arduino включает и выключает затвор на MOSFET, через который приводится прибор высокой мощности. Ардуино GND и источник питания двигателя GND должны быть соединены вместе.

Сборка двигателя

Транзистор – это электрический выключатель, который активирует цифровые контакты или пины микропроцессора Aрдуино. В этом примере он управляется выводом 9, таким же образом, как и светодиод, за исключением того, что транзистор включает и выключает схему приспособления.

Ардуино работа с моторами

Эта схема работает, но она по-прежнему создает обратный ток из-за импульса прибора, по мере его замедления, или из-за того, что двигатель повернется другой стороной. Если генерируется обратный ток, он перемещается с отрицательной стороны и пытается найти простой путь к земле.

Маршрут проходит через транзистор или платформу, описанную выше. Невозможно точно вычислить, что произойдет, поэтому необходимо обеспечить способ контроля избыточного тока.

Чтобы обеспечить полную безопасность устройства, устанавливается диод через прибор. Диод обращен к источнику напряжения, это означает, что напряжение подается через устройство. Если ток генерируется в противоположном направлении, он блокируется от поступления в микропроцессор.

Ардуино работа с моторами

Необходимые инструменты и материалы

Для проекта понадобится простая схема управления, чтобы включить и выключить прибор.

Список необходимых инструментов и материалов для конструирования:

  1. Arduino Uno.
  2. Макет.
  3. Транзистор.
  4. Двигатель постоянного тока.
  5. Диод.
  6. Резистор 2,2 кОм.
  7. Переходные провода.

Для питания прибора подается 5V через него, а затем на землю. Это напряжение вращает устройства, но пользователь контролирует его. Чтобы передать Arduino управление мощностью прибора и, следовательно, вращение, устанавливается транзистор сразу после мотора.

Значения драйвера в составе устройства и работа с ним

L298N – это двойной драйвер H-Bridge, который позволяет одновременно управлять скоростью и направлением двух приспособлений постоянного тока. Модуль может приводить в действие приборы постоянного тока с напряжением от 5 до 35 В с пиковым током до 2А.

Давайте подробнее рассмотрим распиновку модуля L298N и объясним, как это работает. Модуль имеет два винтовых клеммных блока для A и B и еще одну винтовую клеммную колодку для заземляющего контакта, VCC для двигателя и вывод 5 В, который может быть либо входом, либо выходом.

Ардуино работа с моторами

Это зависит от напряжения, используемого на двигателях VCC. Модуль имеет встроенный 5V-регулятор, который либо включен, либо выключен с помощью перемычки. Если напряжение питания двигателя до 12 В, мы можем включить регулятор 5V, а вывод 5V можно использовать в качестве выхода, например, для питания платы Arduino. Но если напряжение двигателя больше 12 В, мы должны отключить перемычку, поскольку эти напряжения могут повредить встроенный регулятор 5 В. В этом случае вывод 5V будет использоваться в качестве входного сигнала, так как мы должны подключить его к источнику питания 5 В, чтобы IC работал правильно.

Здесь можно отметить, что эта ИС уменьшает падение напряжения примерно на 2 В. Так, например, если мы используем источник питания 12 В, напряжение на клеммах двигателей будет составлять около 10 В, а это означает, что мы не сможем получить максимальную скорость от нашего 12-вольтового двигателя постоянного тока.

Ардуино работа с моторами

Далее следуют логические управляющие входы. Для включения и управления скоростью двигателя используются кнопки включения и включения B. Если на этом контакте имеется перемычка, двигатель будет включен, и работать с максимальной скоростью, и если мы удалим перемычку, мы сможем подключить вход ШИМ к этому выводу и, таким образом, контролировать скорость двигателя. Если мы подключим этот контакт к заземлению, двигатель отключится.

Ардуино работа с моторами

Затем штифты Input 1 и Input 2 используются для управления направлением вращения двигателя A, а входы 3 и 4 – для двигателя B. Используя эти контакты, мы фактически управляем переключателями H-Bridge внутри IC L298N. Если вход 1 LOW, а вход 2 – HIGH, приспособление будет двигаться вперед, и наоборот, если вход 1 HIGH, а вход 2 LOW, агрегат будет двигаться назад. Если оба входа одинаковы, либо LOW, либо HIGH, прибор остановится. То же самое относится ко входам 3,4 прибора B.

Установка программного обеспечения

Постройте схему, как показано на рисунке, и откройте новый эскиз Arduino. Выберите кнопку «Сохранить» и сохраните эскиз с запоминающимся именем, например myMotor; введите следующий код:

После того, как вы набрали эскиз, сохраните его и нажмите кнопку «Скомпилировать», чтобы проверить свой код. Arduino Environment проверяет ваш код на любые синтаксические ошибки (грамматику для вашего кода) и выделяет их в области сообщений. Наиболее распространенные ошибки включают опечатки, отсутствующие точки с запятой и чувствительность к регистру.

Если эскиз скомпилирован правильно, нажмите «Загрузить», чтобы загрузить эскиз на микропроцессор. Вы должны видеть, что ваш двигатель вращается в течение одной секунды и останавливается в течение одной секунды.

Если это не так, вам следует дважды проверить свою проводку:

  1. Убедитесь, что вы используете вывод № 9.
  2. Убедитесь, что ваш диод обращен правильно, при этом лента обращена к соединению 5v.
  3. Проверьте соединения на макете. Если провода или компоненты не подключены с использованием правильных строк в макете, они не будут работать.

Запуск и настройка устройства

Для начала соединяем провода для питания и земли. На иллюстрации красный означает мощность, а черный означает заземление; они соединяются с двумя длинными вертикальными рядами на стороне макета. Это обеспечивает доступ к источнику питания и напряжению на 5 вольт.

Ардуино работа с моторами

Помещаем кнопку на макет, оседлав центр. Провод соединяет цифровой контакт 2 с одной ногой кнопки. Ножка кнопки, не подключенная к плате Aрдуино, должна быть подключена к источнику питания на 5 вольт.

Подключаем контакт или пин 9 на Arduino к базовому выходу TIP120 . Если смотрите на транзистор, чтобы металлический язычок был обращен от вас, базовый штифт находится на левой стороне транзистора. Это контакт, который управляет открытием или закрытием. Транзисторный коллектор соединяется с одним выводом двигателя.

Другой конец двигателя подключается к положительному выводу 9-вольтовой батареи. Подключаем заземление аккумулятора к земле Arduino и запускаем проект.

Тестирование

Arduino может обеспечивать только 40 мА при 5 В на цифровых контактах. Для большинства двигателей требуется больше тока или напряжения. Транзистор выступает в качестве цифрового переключателя, позволяя Arduino контролировать нагрузку с более высокими требованиями к электричеству. Транзистор в этом примере завершает схему двигателя на землю.

В этом примере используется TIP120, который может переключаться до 60 В на 5 А.

Источник