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

🌻 Купон до 1000₽ для новичка на Aliexpress

Никогда не затаривался у китайцев? Пришло время начать!
Камрад, регистрируйся на Али по нашей ссылке. Ты получишь скидочный купон на первый заказ. Не тяни, условия акции меняются.

🌼 Полезные и проверенные железяки, можно брать

Куплено и опробовано читателями или в лаборатории редакции.

Как подключить шаговый двигатель

КАК ПОДКЛЮЧИТЬ ШАГОВЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

Как подключить шаговый двигатель с 4, 5, 6 и 8 выводами к драйверу.

В предыдущих статьях мы рассматривали процесс выбора шагового электродвигателя (см. статью«Как выбрать шаговый двигатель») в зависимости от способа его применения. В данной статье мы подробно рассмотрим как подключить шаговый двигатель.

Шаговые электродвигатели могут поставляться с несколькими вариантами схем подключения. Выбор схемы будет определяться типом двигателя. Большинство наиболее распространенных шаговых двигателей имеют схемы, предполагающие использование 4-х, 5-ти, 6-ти или 8-ми проводов.

КАК ПОДКЛЮЧИТЬ ШАГОВЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С 4 ВЫВОДАМИ

Если в вашем распоряжении имеется шаговый двигатель, подключаемый при помощи только четырех проводов, это означает, что в нем две обмотки, это биполярный мотор и вы сможете использовать его только с биполярным драйвером. Обратите внимание на то, что каждая из фазных обмоток содержит пару проводов — для идентификации каждого провода используйте тестер (мультиметр).

Найдите замкнутые между собой провода(которые прозваниваются) и подключите их к шаговому двигателю. Лучше сразу свяжите их вместе, чтобы не повторять операцию постоянно

КАК ПОДКЛЮЧИТЬ УНИПОЛЯРНЫЙ ШАГОВЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С 6 ВЫВОДАМИ

Для того, чтобы подключить шаговый двигатель с 6 выводами, с помощью тестера разделите все провода на три группы, замкнутые между собой, а затем найдите центральные выводы, измеряя сопротивление между проводами. Если вы хотите подключить ваш электродвигатель к униполярному драйверу, используйте все шесть проводов.

Подключение к биполярному драйверу(коих подавляющее большинство) потребует от вас использования только одного конца провода с одним выводом и одного центрального вывода для подключения к каждой обмотке.

Кроме того, определить обмотки можно только методом проб и ошибок; лучше всего попытаться найти центральный вывод, так как его сопротивление составляет половину от сопротивления других проводов.

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:

Подключение шагового двигателя к Ардуино

Шаговый двигатель 28byj-48 Arduino ► предназначен для перемещения объекта на заданное количество шагов вала. Рассмотрим управление шаговым двигателем от 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°).

Фото. Устройство шагового мотора в разрезе

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.

Фото. Виды драйверов для управления шаговым двигателем

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 нам потребуется:

• плата Arduino Uno / Arduino Nano / Arduino Mega;
• драйвер шагового двигателя ULN2003;
• шаговый двигатель 28BYJ-48;
• провода «папа-мама».

Шаговые двигатели (подробный разбор 4 типов)

Общие сведения:

Шаговый двигатель — это бесколлекторный двигатель, ротор которого вращается не плавно, а шагами (дискретно). Полный оборот ротора состоит из нескольких шагов. Меняя форму сигнала, количество импульсов, их длительность и фазовый сдвиг, можно задавать скорость вращения, направление вращения и количество оборотов ротора двигателя.

Шаговые двигатели состоят из ротора (подвижная часть) и статора (неподвижная часть). На статоре устанавливают электромагниты, а части ротора взаимодействующие с электромагнитами выполняются из магнитотвердого (двигатель с постоянными магнитами) или магнитомягкого (реактивный двигатель) материала.

Виды шаговых двигателей по типу ротора:

По типу ротора, шаговые двигатели делятся на: двигатели с постоянными магнитами, реактивные двигатели и гибридные двигатели.

• Двигатель с постоянными магнитами (ротор из магнитотвердого материала). На роторе установлен один, или несколько, постоянных магнитов. Количество полных шагов в одном обороте таких двигателей, зависит от количества постоянных магнитов на роторе, и количества электромагнитов на статоре. Обычно в одном обороте от 4 до 48 шагов (один шаг от 7,5° до 90° ).
• Реактивный двигатель (ротор из магнитомягкого материала). Еще такие двигатели называют двигателями с переменным магнитным сопротивлением. Ротор не имеет постоянных магнитов, он выполнен из магнитомягкого материала в виде многоконечной звезды. Данные двигатели встречаются редко, так как у них наименьший крутящий момент, по сравнению с остальными, при тех же размерах. Количество полных шагов в одном обороте таких двигателей, зависит от количества зубцов на звезде ротора, и количества электромагнитов на статоре. Обычно в одном обороте от 24 до 72 шагов (один шаг от 5° до 15°.)
• Гибридный двигатель (совмещает технологии двух предыдущих двигателей). Ротор выполнен из магнитотвердого материала (как у двигателя с постоянными магнитами), но имеет форму многоконечной звезды (как у реактивного двигателя). Количество полных шагов в одном обороте таких двигателей, зависит от количества постоянных магнитов на звезде ротора, и количества электромагнитов на статоре. Количество шагов в одном обороте таких двигателей может доходить до 400 (один шаг от 0,9°).

Какой тип шагового двигателя у меня?

Если вручную покрутить ротор отключённого двигателя, то можно заметить, что он движется не плавно, а шагами. После того, как Вы покрутили ротор, замкните все провода двигателя и покрутите ротор повторно. Если ротор крутится также, значит у Вас реактивный двигатель. Если для вращения ротора требуется прикладывать больше усилий, значит у вас двигатель с постоянными магнитами или гибридный. Отличить двигатель с постоянными магнитами от гибридного можно подсчитав количество шагов в одном обороте. Для этого не обязательно считать все шаги, достаточно примерно понять, их меньше 50 или больше. Если меньше, значит у Вас двигатель с постоянными магнитами, а если больше, значит у Вас гибридный двигатель.

Виды шаговых двигателей по типу соединения электромагнитов статора:

По типу соединения электромагнитов, шаговые двигатели делятся на: униполярные и биполярные.

На рисунке представлено упрощённое, схематическое, представление обмоток.
На самом деле, каждая обмотка состоит из нескольких обмоток электромагнитов, соединённых последовательно или параллельно

• Биполярный двигатель имеет 4 вывода. Выводы A и A питают обмотку AA, выводы B и B питают обмотку BB. Для включения электромагнита, на выводы обмотки необходимо подать разность потенциалов (два разных уровня), поэтому двигатель называется биполярным. Направление магнитного поля зависит от полярности потенциалов на выводах.
• Униполярный двигатель имеет 5 выводов. Центральные точки его обмоток соединены между собой и являются общим (пятым) выводом, который, обычно, подключают к GND. Для включения электромагнита, достаточно подать положительный потенциал на один из выводов обмотки, поэтому двигатель называется униполярным. Направление магнитного поля зависит от того, на какой именно вывод обмотки подан положительный потенциал.
• 6-выводной двигатель имеет ответвление от центральных точек обмоток, но обмотка AA не соединена с обмоткой BB. Если не использовать выводы центральных точек обмоток, то двигатель будет биполярным, а если эти выводы соединить и подключить к GND, то двигатель будет униполярным.
• 8-выводной двигатель является наиболее гибким в плане подключения электромагнитов. Данный двигатель можно не только использовать как биполярный или униполярный, но и самим определять, как соединить электромагниты обмоток, последовательно или параллельно.

Какой тип шагового двигателя у меня?

Если у Вашего двигателя 4 вывода, значит он биполярный. Если у Вашего двигателя 5 выводов, значит он униполярный. Но если у Вашего двигателя 6 и более выводов, то это не значит что некоторые из них являются центральными выводами катушек электромагнитов. Дело в том, что есть двигатели, некоторые выводы которых (обычно крайние), электрически замкнуты, так биполярный двигатель может иметь 6 выводов. Точно определить тип соединений, для двигателей с 6 и более выводами, можно только измеряя сопротивление между выводами.

Режимы работы шаговых двигателей:

Для работы шагового двигателя (вне зависимости от его вида) можно выбрать один из трех режимов работы:
• Полношаговый режим — ротор поворачивается на 1 шаг за 1 такт.
• Полушаговый режим — ротор поворачивается на ½ шага за 1 такт.
• Микрошаговый режим — ротор поворачивается на ¼, ⅛ и т.д. шагов за 1 такт.

Ниже рассмотрены режимы работы, на примере биполярного двигателя с постоянным магнитом и полным шагом 90°.

Полношаговый режим (одна фаза на полный шаг). Номинальные значения шагового двигателя указываются именно для этого режима.

Полношаговый режим (две фазы на полный шаг). Этот режим позволяет увеличить крутящий момент почти в половину от номинального.

Полушаговый режим. Этот режим позволяет увеличить количество шагов в полном обороте в два раза, при незначительном уменьшении крутящего момента.

Микрошаговый режим. Этот режим является наиболее распространённым, он позволяет увеличить количество шагов в полном обороте в четыре раза, благодаря неравномерному распределению токов в обмотках. Снижение токов можно достичь снижением напряжения (как показано на картинке) или подавать полное напряжение через подключаемую внешнюю нагрузку.

Если подавать уровни не «0» — «½» — «1» (как на картинке), а «0» — «¼» — «½» — «¾» — «1», то количество шагов в полном обороте увеличится не в 4 раза, а в 8 раз. Можно увеличить количество шагов в 16, 32, 64 раза и т.д., а если заменить дискретные уровни сигналов на синусоиды, то мотор будет вращаться плавно (без шагов).

Режимы пониженного энергопотребления — доступны только для 8-выводных двигателей. Эти режимы отличаются от обычных тем, что используют только половину фазы (половину электромагнитов). Данные режимы используются редко, так как они значительно снижают крутящий момент двигателя.

Пример работы шаговых двигателей с разными видами роторов:

Подключение шаговых двигателей к Arduino:

Электромоторы нельзя подключать к выводам Arduino напрямую, так как они потребляют значительные токи, шаговые двигатели не являются исключением, поэтому их подключают через драйверы.

Большинство драйверов работают либо с биполярными двигателями, либо с униполярными.

• Биполярный двигатель можно подключить только к драйверу биполярных двигателей.
• 6-выводной двигатель можно подключить к любому драйверу. Если не использовать выводы центральных точек обмоток, то двигатель будет биполярным, а если эти выводы соединить и подключить к GND, то двигатель будет униполярным.
• 8-выводной двигатель является наиболее гибким в плане подключения. Данный двигатель можно не только использовать как биполярный или униполярный, но и самим определять, как соединить электромагниты обмоток внутри двигателя, последовательно или параллельно.
• Униполярный двигатель, при необходимости, можно подключить и к драйверу биполярного двигателя по простой схеме из нескольких диодов (лучше использовать диоды Шоттки), но такое подключение гарантирует корректность работы униполярного двигателя только в полношаговом режиме.