Драйвер моторов с управляющим контроллером, FLASH-I2C

Драйвер моторов с управляющим контроллером, FLASH-I2C

Модуль — Драйвер моторов с управляющим контроллером, I2C-flash — является драйвером коллекторных моторов с управлением по шине I2С.

Модуль относится к серии «Flash», а значит к одной шине I2C можно подключить более 100 модулей, так как их адрес на шине I2C (по умолчанию 0x09), хранящийся в энергонезависимой памяти, можно менять программно.

Для запуска мотора достаточно передать модулю число, определяющее коэффициент заполнения ШИМ от 0 до ±100%, значение определяет скорость, а знак, направление вращения мотора.

Модуль позволяет блокировать (стопорить) и освобождать вал остановленного (останавливаемого) мотора. В первом случае остановка мотора осуществляется с резким торможением и последующим удержанием вала, а во втором, торможение осуществляется плавно, по инерции, без удержания вала.

Модуль может получать данные с магнитного или оптического энкодера установленного на ротор мотора. В таком случае модулю нужно задать количество магнитов или оптических щелей энкодера. После чего скорость можно задавать не только коэффициентом заполнения ШИМ, но и количеством полных оборотов в минуту. Наличие энкодера позволит не только задавать скорость, но и получать реальную скорость вала и количество совершённых оборотов, даже если он вращается посредством внешних сил. Если на роторе мотора установлен редуктор, то модулю нужно указать его передаточное отношение.

Поведение составляющих ПИД-регулятора:

Поведение составляющих ПД-регулятора было рассмотрено в предыдущем уроке. Ниже представлена картинка движения машины по линии с ПД-регулятором:

Как видно из картинки выше, у ПД-регулятора есть два слабых места: на прямой линии машина едет с небольшими отклонениями, и на повороте видно отклонение центра бампера от центра линии.

После добавления интегральной составляющей, картинка станет такой:

И-регулятор накапливает ошибки и оценивает их сумму. Это позволяет ему справляться со статическими или слабыми ошибками. Теперь машина едет по прямой и на повороте ровнее

Достоинства и недостатки

Достоинства:

• простота устройства и управления
• практически линейные механическая и регулировочная характеристики двигателя
• легко регулировать частоту вращени
• хорошие пусковые свойства (большой пусковой момент)
• компактнее других двигателей (если использовать сильные постоянные магниты в статоре)

Недостатки :

• дороговизна изготовления
• для питания электродвигателя от сети переменного тока необходимо использовать выпрямительные устройства
• необходимость профилактического обслуживания
• ограниченный срок службы из-за износа коллектора

Программирование на Arduino

Для того чтобы нам запустить данный драйвер, мы должны прописать соответствующие «мозги». Загружаем нужную библиотеку AFmotor . Скачал я её с официального сайта ГитХаб . Устанавливаем и загружаем в Arduino IDE.

Подробное описание библиотеки находится на этом сайте .

В начале программы создаём объект с уникальным именем и указываем канал, куда вы подключили двигатель. Создаём объект двигателя постоянного тока AF_DCMotor , используя AF_DCMotor (номер двигателя).

По сути библиотека выполняет всего две команды — это скорость вращения и направление.

Скорость вращения это команда setSpeed (скорость). В скобках указывается аргумент скорости, который принимает от 0 до 255. И направление вращения run (направление). В скобках аргумент может принимать три значения: FORWARD (вперёд), BACKWARD (назад) или RELEASE (стоп).

Ну что, пробуем скетч? В принципе на моём роботе, только два двигателя, поэтому я проводил испытания, только на двух каналах.

Обзор драйвера шагового двигателя A4988

Сегодня расскажу о драйвере A4988, данный драйвер подойдет тем, кто планирует создать свой собственный 3D-принтер или станок ЧПУ с управлением шаговым двигателям.

Технические параметры

► Напряжения питания: от 8 до 35 В
► Установка шага: 1, 1/2, 1/4, 1/8, 1/16
► Напряжение логики: 3 В или 5.5 В
► Защита от перегрева: Есть
► Максимальный ток на фазу: 1 А без радиатора, 2 А с радиатором.
► Габариты модуля: 20 мм х 15 мм х 10 мм
► Габариты радиатора: 9 мм х 5 мм х 9 мм

Общие сведения о драйвере A4988

Основная микросхема модуля это драйвер от Allegro — A4988, которая имеет небольшие размеры (всего 8 мм х 6 мм), хоть микросхема и маленькая, но она может работать с выходным напряжение до 35 В с током до 1 А на катушку без радиатора и до 2 А с радиатором (дополнительным охлаждением). Для управления шаговым двигателем, необходимо всего два управляющих контакта (по сравнению с L298N необходимо четыре), один используется для управления шагами, второй для управления вращения двигателем.
Драйвер позволяет использовать пять вариантов шага, полный шаг, полшага, четверть шага, восьмой шаг и шестнадцатый шаг.

Распиновка драйвера A4988:
На драйвере A4988 расположено 16 контактов, назначение каждого можно посмотреть ниже:

► EN — включение и выключение модуля (0 — включен, 5 В — выключен).
► MS1, MS2 и MS3 — выбор режима микро шаг (смотрите таблицу ниже).
► RST — сброс драйвера.
► SLP — вывод включения спящего режима, если подтянуть его к низкому состоянию драйвер перейдет в спящий режим.
► STEP — управляющий вывод, при каждом положительном импульсе, двигатель делает шаг (в зависимости от настройки микро шага), чем быстрее импульсы, тем быстрее вращаться двигатель.
► DIR — управляющий вывод, если подать +5 В двигатель будет вращается по часовой стрелке, а если подать 0 В против часовой стрелки.
► VMOT & GND — питание шагового двигателя двигателя от 8 до 35 В (обязательное наличие конденсатора на 100 мкФ ).
► 2B, 2A, 1B, и 1A — подключение обмоток двигателя.
► VDD & GND — питание внутренней логики от 3 В до 5,5 В.

Если не планируете использовать вывод RST необходимо подключить его к выводу SLP, чтобы подтянуть его к питанию, тем самым включить драйвер.

Настройка микрошага
Драйвер A4988 может работать микрошаговом режиме, то есть может подавать питание на катушки с промежуточным уровням. Например, если взять двигатель NEMA17 с шагом 1.8 или 200 оборотов, в режиме 1/4, двигатель будет выдавать 800 шагов за оборот
Дня настройки микрошагов, драйвер A4988 имеет три выхода, а именно MS1, MS2 и MS3. Установив соответствующие логические уровни для этих выводов, можно выбрать режим микрошага.

Вывода MS1, MS2 и MS3 в микросхеме A4988 подтянуты резистором к земле, поэтому, если не подключать их, двигатель будет работать в режиме полного шага.

Система охлаждения A4988
При интенсивной работе микросхемы A4988 начинает сильно греется и если температура превысит придельные значение, может сгореть. По документации A4988 может работать с током до 2 А на катушку, но на практике микросхема не греется если ток не превышает 1 А на катушку. Поэтому если ток выше 1 А необходимо устанавливать радиатор охлаждения, который идет в комплекте.

Настройка тока A4988
Перед использованием мотора нужно сделать небольшую настройку, необходимо ограничить максимальную величину тока, протекающего через катушки шагового двигателя и ограничить его превышение номинального тока двигателя, регулировка осуществляется с помощью небольшого потенциометра.
Существует два способа настройки:
1. Замерить ток, для этого возьмем амперметр и подключим его в разрыв любой из обмоток (двигатель должен работать в полношаговом режиме), так же, при настройки ток должен составлять 70% от номинального тока двигателя.
2. Расчет значение напряжения Vref, согласно документации на A4988, есть формула I_TripMax = Vref / (8 × Rs), из которой мы можем получить формулу.

Vref = I_TripMax x 8 x Rs

где,
I_TripMax — номинальный ток двигателя
Rs — сопротивление на резисторе.

В моем случаи на драйвере A4988 установлены резисторы Rs = 0,100 Ом (R100), а номинальный ток двигателя 17HS4401 равняется 1,7 А.

Vref = 1,7 х 8 х 0,100 = 1,36 В

Мы рассчитали максимальное значение для двигателя 17HS4401, но при таком напряжение двигатель будет греться в режиме ожидания, необходимо уменьшить это значение на 70%, то есть:

Vref х 0,7 = 0,952 В

Осталось только настроить, берем отвертку и вольтметр, плюсовой шуп вольтметра устанавливаем на потенциометр, а шуп заземления на вывод GND и выставляем нужное значение.

Подключение драйвера шагового двигателя A4988 к Arduino UNO

Необходимые детали:
► Arduino UNO R3 x 1 шт.
► Драйвер шагового двигателя A4988 x 1 шт.
► Шаговый двигатель 17HS4401 x 1 шт.
► Комплект проводов DuPont 2.54 мм, 20 см x 1 шт.

Подключение:
Теперь, можно приступить к сборке схемы. Первым делом, подключаем VDD и GND к 5 В и GND на Arduino. Контакты DIR и STEP подключим к цифровым контактам 2 и 3 на Arduino. Подключение шагового двигатель к контактам 2B, 2A, 1A и 1B.

Предупреждение: Подключение или отключение шагового двигателя при включенном приводе может привести к его повреждению.

Затем необходимо подключить контакт RST к соседнему контакту SLEEP, чтобы включить драйвер. Так-же контакты выбора микрошага необходимо оставить не подключенными, чтобы работал режим полный микрошаг. Теперь осталось подключить питание двигателя к контактам VMOT и GND, главное не забудьте подключить электролитический конденсатор на 100 мкФ, в противном случаи при скачке напряжение, модуль может выйти из строя.

Программа:
Теперь можно приступки к программной части и начать управлять шаговым двигателем с помощью драйвера A4988, загружайте данный скетч в Arduino.

Описание библиотеки для работы с шаговым двигателем

В среде разработки Ардуино IDE существует стандартная библиотека Strepper.h для написания программ шаговых двигателей. Основные функции в этой библиотеке:

• Stepper(количество шагов, номера контактов). Эта функция создает объект Stepper, которая соответствует подключенному к плате Ардуино двигателю. Аргумент – контакты на плате, к которым подключается двигатель, и количество шагов, которые совершаются для полного оборота вокруг своей оси. Информацию о количестве шагов можно посмотреть в документации к мотору. Вместо количества шагов может быть указан угол, который составляет один шаг. Для определения числа шагов, нужно разделить 360 градусов на это число.
• Set Speed(long rpms) – функция, в которой указывается скорость вращения. Аргументом является положительное целое число, в котором указано количество оборотов в минуту. Задается после функции Step().
• Step(Steps) –поворот на указанное количество шагов. Аргументом может быть либо положительное число – поворот двигателя по часовой стрелке, либо отрицательное – против часовой стрелки.

Технические параметры Motor shield l293d.

• Напряжение питания двигателей: 5 — 36 В
• Напряжение питания платы: 5 В
• Допустимый ток нагрузки: 600 мА на канал
• Максимальный (пиковый) ток нагрузки: 1,2 А на канал
• Размер платы: 70х54х20 мм

Общие сведения о Motor shield L293D.

Motor shield построен на драйвере L293D, состоящим из двух H-мост (H-Bridge), с помощью которых можно управлять двумя постоянными двигателями или одним шаговым двигателем. Каждый канал рассчитан на 0.6 А с пиком 1.2 А. Так как на Motor shield установлено две микросхемы L293D, можно управлять сразу четырьмя двигателями постоянного тока, это позволяет использовать данный shield в разработке робот платформ. Так же, на shield установлен сдвиговый регистр 74HC595, который расширяет 4 цифровых контакта Arduino до 8 управляющих контактов двух микросхем L293D. Познакомиться подробнее со сдвиговым регистром 74HC595 можно в уроке: Урок 2 — Подключаем сдвиговый регистр 74НС595 к Arduino. «Бегущие» огни.

Питание Motor shield L293D:

• Общий источник питания для Arduino и двигателей (максимальное напряжение 12 В) — можно использовать один источник питания, используется разъем DC на Arduino UNO или 2-х контактный разъем на Motor shield «EXT_PWR», так же необходимо установить перемычку «PWR».
• Раздельный источник питания — рекомендуется отдельно питать Arduino и shield, для этого Arduino подключаем к USB, а двигатели подключаем к источнику постоянного тока, используя разъем «EXT_PWR». Необходимо убрать перемычку «PWR».

Внимание! Нельзя подавать питание на «EXT_PWR» выше 12 В, при установленной перемычке «PWR».

Выходные контакты двух микросхем L293D выведены по бокам shield с помощью 5-ти контактных винтовых клемм, а именно М1 , М2 , М3 и М4. К этим контактам подключается четыре двигателя постоянного тока и два шаговых двигателя.

Так же, на shield выведено два 3-х контактных разъема, к которым можно подключить два сервопривода.

Контакты, которые не используются Motor shield L293D:

Так как шилд устанавливается на Arduino UNO, есть контакты, которые не используются Motor shield и к ним можно подключить дополнительные компоненты. Это цифровые контакты D2 и D13 и аналоговые контакты A0-A5. Кроме этого на шилде можно распаять пины A0-A5 и подключаться к ним прямо на shield.

Подключение к Motor shield L293D двигателя постоянного тока.

Для этого нам понадобятся следующие комплектующие:

Схема подключения двигателя постоянного тока к Motor shield.

Устанавливаем shield сверху Arduino, далее подключаем источник питания к клеммам «EXT_PWR», в примере используется источник питания на 12 В. Теперь подключаем двигатели к клеммам M1, M2, M3 или M4. В примере подключаем 2 двигателя постоянного тока к М4, М3.

Установка библиотеки «AFMotor.h»

Для удобной работы с Motor shield L293D, необходимо установить библиотеку «AFMotor.h». Заходим в Arduino IDE, открываем вкладку «Скетч -> Подключить библиотеку -> Управлять библиотеками…»

Откроется новое окно «Менеджер библиотек», в окне поиска вводим «Adafruit Motor Shield» и устанавливаем библиотеку.

Скетч управления двигателем постоянного тока с помощью Motor shield L293D.

Скетч начинается с подключения библиотеки «AFMotor.h», затем создаем объект «AF_DCMotor motor4(4)» в котором указываем номер порта двигателя (M1, M2, M3, M4). Для подключения второго двигателя «AF_DCMotor motor3(3)» и так далее.

В блоке «setup» мы вызываем функции «setSpeed(speed)» в которой задаем скорость двигателя, от 0 до 255 и функцию «motor.run» направление вращения двигателя, где «FORWARD» — вперед, «BACKWARD» — назад, «RELEASE» — остановка.

Подключение сервопривода к Motor shield L293D.

Для этого нам понадобятся следующие комплектующие:

С помощью shield L293D можно управлять сервоприводами. На shield выведены 16-разрядные контакты Arduino 9 и 10, питание для сервоприводов подается от 5 вольтового стабилизатора Arduino, поэтому подключать дополнительное питание в разъем «EXT_PWR» не нужно.

Схема подключения сервопривода SG90S к Motor shield.

Скетч управления сервопривода SG90S.

Так как используется стандартный вывод PWM, нет смысла использовать дополнительную библиотеку, воспользуемся стандартной библиотекой Servo.

Подключение к Motor shield L293D шагового двигателя NEMO17.

Для этого нам понадобятся следующие комплектующие:

В данном примере подключим шаговый двигатель NEMA 17, который рассчитан на 12 В (и выше) и делает 200 шагов на оборот. Итак, подключите шаговый двигатель к клеммам M3 и M4. Затем подключите внешний источник питания 12 В к разъему «EXT_PWR».

Схема подключения шагового двигателя Nemo17 к Motor shield L293D.

Скетч управления шаговым двигателем Nemo17 с помощью Motor shield L293D.

Используем ту же библиотеку, что и в первом примере.

Описание кода:

Скетч начинается с подключением библиотеки «AFMotor.h». Во второй строке создаем объект «AF_Stepper motor(48, 2)» где указываем количество шагов на оборот и номер порта.

В разделе настройки, функцией «motor.setSpeed(10);» устанавливает скорость двигателя, где «10» количество оборотов в минуту.

В разделе цикла программы, мы просто вызываем две функции для управления скоростью и направлением вращения двигателя.

• «100» — это сколько шагов, необходимо сделать.
• «FORWARD»и «BACKWARD»— направление вращение двигателем.
• «SINGLE» — активация одной обмотки двигателя для совершения шага.
• «DOUBLE» — активация двух обмоток двигателя, что обеспечивает больший вращающий момент
• «INTERLEAVE» — применение ШИМ для управления шаговым двигателем двигателем.
  

Вывод по использованию Motor shield L293D.

Для начинающего Ардуинщика Motor shield L293D позволит реализовать роботизированную модель. Но реализовать более серьёзные проекты не получится. Так как свободных pin для подключения остается не много. Что еще мне не нравится в данном shield это то, что пины для shield заняты всегда, даже если мы подключили 2 двигателя постоянного тока. А другая пара подключения свободна, пины Arduino все равно будут заняты, и мы не сможем их использовать. Это наглядный пример того, что использования данного шилда не является универсальным и гибким решением.

Появились вопросы или предложения, не стесняйся, пиши в комментарии!

Не забывайте подписываться на канал Youtube и вступайте в группы в Вконтакте и Facebook.