Schrittmotor 28BYJ-48 mit ULN2003 Treiberplatine

Einleitung

Bei demSchrittmotor 28BYJ-48 handelt es sich um einen Motor, der sich speziell für kleine Anwendungen mit dem Arduino-Board eignet. Die Besonderheit liegt darin, dass er ohne eine externe Spannungsversorgung betrieben werden kann. Der Motor entwickelt dabei ein relativ hohes Drehmoment. Dies wird durch ein Getriebe realisiert, welches innerhalb des Metallgehäuses vor dem eigentlichen Schrittmotor verbaut wurde. Dadurch wird es in dieser kompakten Bauweise überhaupt erst möglich, dass sich eine ganze Umdrehung der Antriebswelle auf 2048 Einzelschritte aufteilen lässt. Ein kleiner daraus resultierender Nachteil ist die langsame maximale Drehgeschwindigkeit.

Der Schrittmotor wird an die Motorsteuerungsplatine ULN2003 Treiberplatine angeschlossen. Diese versorgt den Motor mit ausreichend elektrischer Energie, damit die Leistung nicht von den digitalen Pins des Arduino-Boards aufgebracht werden muss. Die Steuerungsplatine gibt es in zwei Versionen, bei denen die seitlich angebrachten Pins entweder nach oben oder nach unten aus der Platine herausragen. Die Anschlussbelegung ist jedoch gleich.

Abb. 3: ULN2003 Treiberplatine mit SMD bestückt

Technische Daten

Tabelle 1: Technische Daten des Schrittmotor 28BYJ-48 mit ULN2003 Treiberplatine (5 V Motorvariante)
Anzahl Phasen/Steuerleitungen	4
Frequenz	100 Hz
Getriebe	64:1 (Untersetzung)
Schritte pro Umdrehung	2048 (Vollschritt Modus)
	4096 (Halbschritt Modus)
Schrittweite	11,25 °/64 (Vollschritt Modus)
Drehmoment	34.3 Nm
Nennspannung	5 V
Stromaufnahme pro Spule	100 mA
Stromaufnahme minimale Drehzahl	300 mA
Stromaufnahme minimale Drehzahl	170 mA
Spulenwiderstand	50 Ω
Lautstärke	<40 dB
Kabellänge	24 cm
Leehrlaufgeschwindigkeit	17 UPM
Außendurchmesser Motorgehäuse	28 mm
Abmessungen	⌀28 mm x 19 mm (ohne Schaft)
Gewicht	30 g

Pinbelegung

Tabelle 2: Pinbelegung des Schrittmotors 28BYJ-48
Pin	Belegung	Farbe
1	Versorgungsspannung (VCC, 5 V)	Rot
2	Digitaler Ausgang (GND/5 V)	Orange
3		Gelb
4	Versorgungsspannung VCC	Pink
5	Versorgungsspannung VCC	Blau

Ansteuerung

Die Steuerung von Schrittmotoren erfolgt über elektrische Impulse mit einer bestimmten Frequenz, Sequenz und Länge. So wird bestimmt wie schnell, wie viele Schritte und in welche Richtung der Schrittmotor sich drehen soll. Der Treiber übersetzt die Impulse vom Controller und versorgt den Schrittmotor mit Spannung.

Der Motor verfügt über 2 Spulen, die jeweils einen Mittelabgriff haben (vgl. Abb. 6). Der Mittelabgriff wird als roter Draht herausgeführt und an 5 V DC angeschlossen. Die spulen werden entsprechend Tabelle 3 auf GND gezogen, was den Motor vorantreibt. Der Schrittmotor dreht sich, wenn die Ansteuerung in der angegebennen Schrittfolge erfolgt. Diese Schrittfolge wird mit dem Treibermodul ULN2003 erzeugt. Dieser IC besteht aus einer Anordnung von 7 Darlington Transistorpaaren von denen jeder seine Last von bis zu 500 mA und 50 V treiben kann. Mit dem verdrehsichernen Molex-Stecker wird der Motor an das Treibermodul angeschlossen. Die LEDs zeigen Die Stati in Tabelle 3 an. Es gibt einen on/off Jumper, um den Schrittmotor zu deaktivieren. Der Jumper leitet die an 5 V Betriebsspannung an den Motoren und LEDs weiter (vgl. Abb. 7).

Der Motor verfügt über 4 Drahtspulen, die nacheinander mit Strom versorgt werden, um die magnetische Motorwelle in Drehung zu versetzen. Bei der Vollschrittmethode werden bei jedem Schritt 2 der 4 Spulen mit Strom versorgt. Die Standard-Stepper-Bibliothek, die mit der Arduino IDE vorinstalliert ist, verwendet diese Methode. Das 28BYH-48-Datenblatt gibt an, dass die bevorzugte Methode zum Antreiben dieses Schrittmotors die Verwendung der Halbschrittmethode ist, bei der wir zuerst nur Spule 1, dann Spule 1 und 2 zusammen, dann nur Spule 2 usw. mit Strom versorgen. Mit 4 Spulen bedeutet 8 verschiedene Signale, wie in der Tabelle unten.

Tabelle 3: Sequenz der Steuersignale für die 4 Anschlussdrähte
Schritt	IN1	IN2	IN3	IN4
1	1	0	1	0
2	0	1	1	0
3	0	1	0	1
4	1	0	0	1

Stepper.h - Stepper library for Wiring/Arduino - Version 1.1.0

// ensure this library description is only included once
#ifndef Stepper_h
#define Stepper_h

// library interface description
class Stepper {
  public:
    // constructors:
    Stepper(int number_of_steps, int motor_pin_1, int motor_pin_2);
    Stepper(int number_of_steps, int motor_pin_1, int motor_pin_2,
                                 int motor_pin_3, int motor_pin_4);
    Stepper(int number_of_steps, int motor_pin_1, int motor_pin_2,
                                 int motor_pin_3, int motor_pin_4,
                                 int motor_pin_5);

    // speed setter method:
    void setSpeed(long whatSpeed);

    // mover method:
    void step(int number_of_steps);

    int version(void);

  private:
    void stepMotor(int this_step);

    int direction;            // Direction of rotation
    unsigned long step_delay; // delay between steps, in ms, based on speed
    int number_of_steps;      // total number of steps this motor can take
    int pin_count;            // how many pins are in use.
    int step_number;          // which step the motor is on

    // motor pin numbers:
    int motor_pin_1;
    int motor_pin_2;
    int motor_pin_3;
    int motor_pin_4;
    int motor_pin_5;          // Only 5 phase motor

    unsigned long last_step_time; // time stamp in us of when the last step was taken
};

#endif

Getriebe

Der Motortreiber unterscheidet zwischen Voll- und Halbschrittmodus. Im Vollschrittmodus entspricht jeder Schritt einer Drehung von 11,25 °. Es gibt somit $360\,°/11,25\,°=32$ Schritte pro Umdrehung.

Der Motor ist mit einem 64:1 Untersetzungsgetriebe ausgestattet (vgl. Tabelle , Abb. 8).

$\frac{32}{9} \cdot \frac{22}{11} \cdot \frac{26}{9} \cdot \frac{31}{10} = 63,68395$

Tabelle 4: Untersetzungsgetriebe des 28BYJ-48 Motors
Motor	#1	#2	#3	#4	Multipl.	Übersetzung
Eingang	32	22	26	31	567424	63,68395
Ausgang	9	11	9	10	8910

Im Vollschrittmodus gibt es $32\cdot63,68395=2037,8864$ Schritte. Je nach getriebemodell rechnet man mit einer Übersetzung von 64:1 und 2048 Schritten pro Umdrehung.

Im Halbschrittmodus entspricht jeder Schritt einer Drehung von 5,625 °. Es gibt somit $360\,°/5,625\,°=64$ Schritte pro Umdrehung. Inklusive Getriebe entspricht dies 4096 Schritte pro Umdrehung.