Урок 9. Сервоприводы и моторы

Моторы делают проект живым: поворачивают заслонку, едут, открывают кормушку. Но мотор — первая деталь в курсе, которой мало тока с вывода платы. Поэтому здесь важнее всего не код, а питание.

Главное правило

Вывод Arduino Uno R3 рассчитан на ток до 20 мА. Даже маленькому мотору нужны сотни миллиампер, а при старте и под нагрузкой — ещё больше. Кроме того, мотор при выключении выдаёт обратный выброс напряжения, а пока работает — создаёт помехи в питании.

И второе правило: GND отдельного источника соединяется с GND платы. Без общего «минуса» сигнал от платы драйвер не поймёт.

Сервопривод

Сервопривод (серво) — мотор с редуктором и платой управления внутри. Ему сообщают угол — от 0 до 180 градусов, — и он поворачивается в это положение и держит его. Самый распространённый маленький сервопривод — SG90.

У сервопривода три провода:

• коричневый или чёрный — GND;
• красный — питание +5 В;
• оранжевый, жёлтый или белый — сигнал, к любому цифровому выводу.

Угол задаётся импульсами: примерно 50 раз в секунду на сигнальный провод приходит импульс длиной около 1–2 мс, и от его длины зависит угол. Формировать импульсы вручную не нужно — это делает встроенная библиотека Servo.

Скетч поворачивает вал от 0 до 180 градусов и обратно (на основе примера File → Examples → Servo → Sweep):

#include <Servo.h>

Servo servo;          // объект «сервопривод»

void setup() {
  servo.attach(9);    // сигнальный провод — на вывод 9
}

void loop() {
  for (int angle = 0; angle <= 180; angle++) {   // от 0 до 180 градусов
    servo.write(angle);
    delay(15);                                    // дать валу доехать
  }
  for (int angle = 180; angle >= 0; angle--) {   // и обратно
    servo.write(angle);
    delay(15);
  }
}

• servo.attach(9) — к какому выводу подключён сигнал;
• servo.write(угол) — повернуть на угол от 0 до 180.

Управление ручкой — потенциометр на A0, угол через map (пример Knob):

#include <Servo.h>

Servo servo;

void setup() {
  servo.attach(9);
}

void loop() {
  int value = analogRead(A0);                // 0–1023
  int angle = map(value, 0, 1023, 0, 180);   // в угол 0–180
  servo.write(angle);
  delay(15);
}

Тонкости сервоприводов:

• Питание. Один SG90 без нагрузки для опыта можно питать от 5V платы, подключённой к USB. Если плата перезагружается, монитор порта теряет связь или серво дёргается — нужен отдельный источник 5 В (на несколько сервоприводов — на 2 А и больше) с общим GND. Большие сервоприводы (MG996R и подобные) — только от отдельного источника.
• Крайние углы. Многие недорогие сервоприводы не доходят ровно до 0 и 180 градусов и на краях гудят, упираясь. Ограничьте диапазон, например 10–170.
• ШИМ на выводах 9 и 10. На Uno и Nano библиотека Servo отключает analogWrite на выводах 9 и 10 — даже если серво подключено к другому выводу.
• Сервопривод 360° (постоянного вращения) угол не держит: значение около 90 — стоп, меньше и больше — вращение в разные стороны с разной скоростью.

Мотор постоянного тока через драйвер

Обычный моторчик (как в игрушечной машинке) крутится, пока на него подано напряжение; поменяли полярность — крутится в другую сторону. Скорость регулируют ШИМ. Между платой и мотором ставят драйвер — микросхему, которая по слабому сигналу платы коммутирует сильный ток от отдельного источника. Популярные модули: L298N (старый и простой, греется и теряет на себе заметную часть напряжения — порядка 2 В) и TB6612FNG (экономнее). Оба управляют двумя моторами.

Подключение одного мотора к модулю типа L298N:

1. Мотор — к клеммам OUT1 и OUT2.
2. Источник для моторов (например, батарейный отсек на 6–9 В) — плюс к клемме питания моторов, минус — к GND модуля.
3. GND модуля — к GND Arduino.
4. IN1 → вывод 7, IN2 → вывод 8 (направление), ENA → вывод 5 (скорость, ШИМ). На многих модулях ENA закрыт перемычкой — для управления скоростью её снимают.

const int ENA = 5;   // скорость: вывод с ШИМ
const int IN1 = 7;   // направление
const int IN2 = 8;

void setup() {
  pinMode(ENA, OUTPUT);
  pinMode(IN1, OUTPUT);
  pinMode(IN2, OUTPUT);
}

void loop() {
  digitalWrite(IN1, HIGH);   // вперёд
  digitalWrite(IN2, LOW);
  analogWrite(ENA, 200);     // скорость 200 из 255
  delay(2000);

  analogWrite(ENA, 0);       // стоп
  delay(1000);

  digitalWrite(IN1, LOW);    // назад
  digitalWrite(IN2, HIGH);
  analogWrite(ENA, 200);
  delay(2000);

  analogWrite(ENA, 0);       // стоп
  delay(1000);
}

При слишком малом значении ШИМ мотор только гудит и не трогается: силы не хватает сдвинуть редуктор. Подберите наименьшее рабочее значение опытом. У TB6612FNG выводы называются иначе (AIN1, AIN2, PWMA), и есть вывод STBY, на который нужно подать HIGH, иначе драйвер спит.

Если мотор должен крутиться только в одну сторону, вместо драйвера можно поставить транзистор (полевой, рассчитанный на управление от 5 В) и диод параллельно мотору, который гасит обратный выброс напряжения. Новичку проще и безопаснее начать с готового модуля драйвера.

Шаговый двигатель

Шаговый двигатель поворачивается точными шагами — на нём держится точность 3D-принтеров и станков. Им тоже управляют только через драйвер: маленький 28BYJ-48 на 5 В — через плату с ULN2003, двигатели NEMA 17 — через драйверы A4988 или DRV8825, обычно с питанием 12–24 В. В Arduino IDE есть встроенная библиотека Stepper, для плавного разгона часто берут библиотеку AccelStepper.

Реле и сеть 230 В

Реле — выключатель, который переключает плата: им включают нагрузку с отдельным питанием, например насос или вентилятор на 12 В. Модули реле для Arduino обычно уже содержат транзистор и защитный диод, поэтому их вход подключают к выводу платы напрямую, а питание модуля и GND — как указано в его описании.

Коротко

• Мотор — никогда напрямую к выводу и никогда от 5V платы: только через драйвер и от отдельного источника.
• GND отдельного источника обязательно соединяют с GND Arduino.
• Сервопривод: библиотека Servo, attach(вывод) и write(угол 0–180); на Uno отключает ШИМ на 9 и 10.
• Мотор постоянного тока: направление — два вывода драйвера, скорость — ШИМ на вывод EN.
• Шаговые двигатели — через свои драйверы (ULN2003, A4988, DRV8825).

Проверьте себя