Step Motor

Il motore 28BYJ-48 è uno dei motori passo-passo più utilizzati nei progetti di automazione e robotica didattica. A differenza di un normale motore DC, questo componente non ruota continuamente quando viene alimentato, ma esegue piccoli movimenti angolari chiamati step.

Un motore passo a passo è un tipo di motore DC senza spazzole che si muove in passi precisi e piccoli invece di girare continuamente. Il principio di funzionamento di un motore passo passo si basa su campi magnetici. Ha due componenti principali: un rotore (la parte mobile) con denti magnetici e uno stator (la parte ferma) con bobine elettromagnetiche.
Quando l'elettricità scorre attraverso queste bobine in un ordine specifico, ciascuna crea un campo magnetico. Questo campo magnetico attira i denti del rotore più vicini, facendo avanzare il motore di un unico incremento angolare preciso e fisso, noto come gradino.

Il modo in cui le bobine sono pulsate determina esattamente come si muove il motore:

• La sequenza degli impulsi controlla la direzione in cui gira il motore
• La frequenza degli impulsi determina la velocità con cui il motore gira
• Il numero totale di impulsi che inviiamo determina esattamente quanto gira il motore

Alimentando le bobine, passo dopo passo, una dopo l'altra in un ordine particolare, possiamo far girare il motore esattamente quanto vogliamo, quanto velocemente vogliamo e nella direzione desiderata.

Caratteristiche del motore 28BYJ-48

Il driver ULN2003

Arduino non può alimentare direttamente il motore perché i pin digitali forniscono una corrente limitata. Il driver ULN2003 agisce come interfaccia tra Arduino e il motore.

• Riceve i segnali digitali da Arduino
• Amplifica la corrente necessaria al motore
• Protegge il microcontrollore
• Permette il controllo corretto delle bobine del motore

Struttura del sistema

 Arduino → Driver ULN2003 → Motore Stepper 28BYJ-48 

La scheda driver ULN2003

I microcontrollori come Arduino sono strumenti eccezionali per controllare l'elettronica, ma presentano un limite strutturale: ogni pin GPIO può erogare solo una piccola quantità di corrente, solitamente intorno ai 20–40 mA. Il motore passo-passo 28BYJ-48 richiede invece molta più energia: circa 240 mA per fase. Si tratta di una quantità sei volte superiore a quella che Arduino può fornire in sicurezza senza rischiare di bruciarsi!

Per superare questo limite, il motore viene quasi sempre abbinato a una scheda driver ULN2003. L'ULN2003 è un circuito integrato progettato specificamente per gestire tensioni e correnti elevate, che funge da "ponte" per azionare in sicurezza le bobine del motore sfruttando i segnali a bassa corrente provenienti da Arduino.

Il chip ULN2003 contiene al suo interno sette coppie di transistor Darlington. Ciascuna coppia è in grado di sopportare fino a 500 mA e 50 Volt, valori più che sufficienti per questo motore. La scheda sfrutta quattro di queste sette coppie per controllare le quattro fasi del motore passo-passo.

Esiste anche un secondo motivo fondamentale per utilizzare l'ULN2003: i motori elettrici sono carichi induttivi. Questo significa che, soprattutto durante le fasi di commutazione e spegnimento, possono generare pericolosi picchi ad alta tensione, noti come forza controelettromotrice (back EMF). Questi picchi improvvisi potrebbero distruggere il microcontrollore o gli altri componenti collegati.

Nota di sicurezza: Per evitare danni, il chip ULN2003 integra al suo interno dei diodi di ricircolo (chiamati anche diodi flyback o diodi a ruota libera). Questi diodi hanno il compito di assorbire e dissipare in sicurezza i picchi di tensione, proteggendo l'intero circuito.

Libreria Stepper di Arduino

Arduino mette a disposizione la libreria Stepper.h che semplifica il controllo dei motori passo-passo.

La libreria consente di:

• Impostare la velocità del motore
• Definire il numero di passi
• Invertire la direzione di rotazione
• Controllare il movimento con poche istruzioni

Struttura base del programma

#include <Stepper.h>

const int stepsPerRevolution = 2048;

Stepper myStepper(
    stepsPerRevolution,
    8,
    10,
    9,
    11
);

void setup() {

    myStepper.setSpeed(10);

}

void loop() {

    myStepper.step(2048);

    delay(1000);

    myStepper.step(-2048);

    delay(1000);

}

Analisi del codice

Applicazioni reali

• Stampanti 3D
• Sistemi CNC
• Robotica
• Automazione industriale
• Controllo apertura porte automatiche
• Sistemi di puntamento

#include <Stepper.h>

const int stepsPerRevolution = 2048;

Stepper myStepper(
    stepsPerRevolution,
    8,
    10,
    9,
    11
);

void setup() {

    myStepper.setSpeed(12);

}

void loop() {

    myStepper.step(2048);

    delay(1000);

    myStepper.step(-2048);

    delay(1000);

}

myStepper.step(1024);

if(digitalRead(2) == HIGH){

    myStepper.step(2048);

}