28BYJ-48: самый популярный шаговик в наборах

Кормушку для кота я делал из того, что было: шнек из сантехнической трубы, банка из-под кофе и моторчик, который лежал в каждой посылке с Arduino за последние десять лет, — 28BYJ-48. Кот ел по расписанию, мотор отмерял порции четвертью оборота, и всё это стоило мне полторы сотни рублей вместе с платой драйвера. Через месяц я полез в интернет за более серьёзным мотором, чтобы заменить «игрушку», — и с удивлением прочитал, что именно эти моторчики миллионами стоят в кондиционерах: они двигают заслонки, которые направляют воздух по комнате.

Это главный факт об этом моторе: он не игрушка, а массовая деталь бытовой техники, на которую свалилась вторая жизнь в хобби-наборах. Дешёвый настолько, что его кладут в комплект даром, безопасный настолько, что сгорит раньше вашего пина, и медленный настолько, что новичок на нём не сломает ни пальца, ни механизм. У всего этого есть обратная сторона, и о ней честно — ниже.

Здесь вскроем корпус: что там за четыре шестерни, почему на оборот выходит не ровно 2048 шагов, сколько он тянет на валу и в каких проектах его хватит с головой, а в каких — нет. И заодно закроем вопрос, который мне задают чаще всего: чем пятивольтовая версия отличается от двенадцативольтовой и какую брать в набор.

Мотор и вал в 28BYJ-48 связаны редуктором: ротор делает 64 оборота, пока вал делает один. Редуктор — четыре пластиковые шестерни в корпусе без смазки на подшипниках. Отсюда все его плюсы и минусы. Плюс — момент: вал тянет так, как маленькому моторчику не положено, порядка трёхсот грамм-сантиметров. Минус — люфт: зубья шестерёнок имеют зазор, и вал болтается туда-обратно на долю градуса. Для заслонки неважно, для точного столика — заметно, а для сервоприводов с их обратной связью эта тема выглядит иначе, мы её касались в уроке про SG90.

Теперь честная арифметика, которую я в первый раз пропустил. Редуктор здесь не ровно 64:1, а около 63,683:1 — так складываются четыре ступени с их отношениями зубьев. Умножаем 32 шага ротора на реальное отношение и получаем примерно 2038 шагов на полный оборот вала — именно это число встречается в даташитах. Но весь мир, все библиотеки и все рецепты используют 2048. Разница на полном обороте — десять шагов, чуть больше полутора градусов; на половине оборота — вдвое меньше. Мои кормушки и шторки этой ошибкой не задушились, поэтому моё мнение: пишите 2048, как пишет библиотека Stepper из первого урока раздела, а про десяток шагов помните, когда проект потребует честного круга — например, замок, который должен возвращаться в исходное положение точно.

Ещё внутри редуктора сидит шум. Пластик по пластику на 5-8 оборотах в минуту тарахтит вполне слышно, на высоких скоростях — трещит. Для ночного проекта (кормушка рядом со спальней) я ставил мотор на резиновые прокладки и снизил скорость до 4 RPM — стало почти тихо. Металлический корпус или металл в редукторе тут не спасут: шум идёт от самой передачи.

Про износ — отдельная песня. Пластиковые зубья при постоянной работе на пределе момента выкрашиваются первыми: мой шнек кормушки после зимы нёсся с заметным люфтом, хотя катушки были как новые. Лечится режимом с запасом — если механизму нужно триста грамм-сантиметров, берите мотор с запасом вдвое или уходите на металлический редуктор NEMA-класса. Со смазкой аккуратно: капля литола на шестерни снижает и шум, и износ, но добавляет вязкое сопротивление, которое на пяти вольтах мотор преодолевает неохотно. Я смазываю только редукторы, которые работают по несколько часов в день, — кормушке с двумя выдачами в сутки хватит и без неё.

Электрика у него старой школы: униполярная схема с центральным отводом. Красный провод — общий плюс, четыре цветных (оранжевый, розовый, жёлтый, синий) — концы двух катушек. Каждую катушку включаем, сажая её конец на землю через канал драйвера. Сопротивление между красным и любым цветным — 50-60 Ом, между двумя цветными одной катушки — вдвое больше. Если шлейф отрезан и маркировки нет, эта разница на мультиметре восстанавливает распиновку за пять минут, и вот тут пригождается умение читать номиналы из урока про цветовой код резисторов — только тут резистор у вас с валом.

Ток каждой катушки получается законом Ома из этих же чисел: 5 вольт на 55 Ом — порядка 90 мА, и это не предел мечтаний, но вдвое-втрое выше, чем может выдать пин. Сложите удержание двух катушек, нагрев и просадки — и станет ясно, почему без драйвера ULN2003 этот мотор не подключают, и почему миллис-цикл вместо задержек для него не роскошь: мотор, который стоит и держит, ест ток постоянно. Мнение с границей: питать мотор от пина 5V можно, пока это демо на пару секунд; для дежурного удержания нужен отдельный источник — это не перестраховка, а опыт с самоперезагрузками платы.

Моё правило, оплаченное парой переделок: 28BYJ-48 берите, когда нужно медленно, точно и дёшево поворачивать что-то лёгкое. Заслонки и шторки, дозаторы крупы и корма, поворотный столик для фотосъёмки, стрелочные приборы, задвижки аквариумных кормушек — все эти задачи он закрывает на пять. Медленно — потому что выше 12-15 RPM начинается срыв шагов, и мы это число вымеряли в уроке про скорость и позиционирование. Точно — потому что 0,176° на шаг покрывает потребности любого хобби-механизма с запасом.

Где он плох: всё, что требует скорости или силы. Колёса тележки, вентиляторы, подъёмники, привод робота — нет. Момента хватит на лёгкую заслонку, но не на поднятый груз; на скорости он сдаётся сразу после 15 RPM. Для этого мира существуют NEMA 17 с микрошаговыми драйверами — им будет отдельный раздел, а пока позвольте себе не переплачивать: если задача влезает в пять оборотов в минуту и сто грамм на валу, моторчик за полторы сотни рублей сделает её не хуже.

Пара слов про версии. Маркировка 28BYJ-48-5V означает пять вольт и катушки по 50-60 Ом; существует ещё двенадцативольтовая, у которой катушки около 250 Ом — она питается от 12 вольт и ест примерно 50 мА на фазу. Схема подключения у них одинаковая, отличается только источник питания, а перепутать их при покупке легко: смотрите маркировку в конце наименования, а не на фото продавца. Для Arduino универсальнее пятивольтовая: общий плюс с логикой и отдельный источник нужен только при серьёзной нагрузке.

Мотор вы теперь знаете до последней шестерни: от честного передаточного числа до люфта, шума и версий на пять и двенадцать вольт. Остался последний герой связки — плата ULN2003, через которую все эти обмотки вообще получают ток: на ней сидят четыре светодиода, по которым механизм видно не глядя в Serial. Ей и посвящён следующий урок.