NEMA 17: мощный шаговик для серьёзных задач

Шторку теплицы я вешал на 28BYJ-48: метр на метр плёнки на леске через ролик. Через полвитка мотор сорвался — счёт шагов продолжил врать молча, рама уехала набок и порвала плёнку. Пересчитал на бумажке: рычаг ролика полтора сантиметра, на плёнку с каркасом уходит килограмма два — момент около 30 Н·см, а мелкий моторчик держит три. Десятикратная разница не лечится ни скетчем, ни скоростью: это граница железа, за ней начинается другой мотор.

NEMA 17 — не бренд и не модель, а размер фланца по американскому стандарту: 17 означает 1,7 дюйма, это около 43 миллиметров. На рынке мотор ходит как сорок второй — фланец 42×42 мм, крепёжные отверстия с межосевым шагом 31 мм, вал 5 мм. Стандартизация — половина ценности: кронштейны, кэм-клампы, шкивы GT2 и ремни продаются под этот размер в любом магазине, и всё встаёт друг на друга без напильника.

Внутри — две биполярные обмотки и четыре провода без общего плюс-провода, как у 28BYJ-48: пара A+, A- и пара B+, B-, различаются звонком мультиметра — между собой провода пары свистят, между парами тишина. Разберём число шагов, ток паспорта, выбор драйвера под ток и границы, за которыми мелкий моторчик сдаётся окончательно.

Стандартный NEMA 17 делает 1,8 градуса на шаг — двести шагов на оборот, без всякого редуктора. Бывают версии на 0,9 градуса и четыреста шагов: точнее, дороже и медленнее на том же напряжении. Вал идёт напрямую: люфт меньше, чем через пластиковый редуктор, скорость выше — и момент не умножается, потому что умножать нечем. Против двух тысяч сорока восьми позиций 28BYJ-48 двести выглядят бедно, но у мелкого моторчика эти 2048 куплены ценой редуктора с его люфтом и потолком в пятнадцать об/мин, вымеренным в первом уроке раздела.

Ток фазы — вот где разница паспортов. Мелкий моторчик ест около 0,1 А на катушку, NEMA 17 — от 0,4 до 1,7 А в зависимости от модели, то есть в четыре-семнадцать раз больше. Ни пин Arduino, ни плата ULN2003 с её пятьюстами миллиамперами на канал такое не протащат: нужен драйвер с чоппером, который держит ток винтом независимо от напряжения питания. Момент удержания у ходовых моделей — 0,2-0,6 Н·м: в десять-двадцать раз выше мелкого моторчика, и это уже тяга для шторок, роликов и поворотных головок.

Драйвер подбирается под паспортный ток с запасом около тридцати процентов. Мотор на 1,2 А: A4988 без радиатора (до 1 А) — впритык-мимо, с радиатором до 2 А — можно, но лучше с обдувом; DRV8825 на 2,2 А — спокойный выбор; TB6600 на 4 А — для тяжёлых версий по 1,5-1,7 А. Ток винтом настраивается по Vref, формула и порядок действий — в уроке про подключение A4988. Тот же A4988 умеет микрошаг до 1/16, что для гладкого хода нужно не меньше, чем запас по току.

Границу я для себя провёл так: требуемый момент считайте как груз в килограммах, умноженный на плечо в сантиметрах и на десять — получите ньютон-сантиметры с приличным запасом. Два килограмма на полутора сантиметрах — 30 Н·см; у 28BYJ-48 — три, у ходового NEMA 17 — от двадцати до шестидесяти. Расчётный момент выше 2 Н·см или нужная скорость выше тридцати об/мин — я сразу беру NEMA 17 с драйвером: пересадка на середине проекта стоит дороже, чем сразу правильный мотор.

Где мелкий моторчик по-прежнему король: заслонки, кормушки, счётчики, шторки камер — всё, где момент в пределах пары Н·см и скорость не выше пятнадцати об/мин. Он дешевле в несколько раз, питается пятью вольтами и не поджигает чип. Пересаживать на NEMA 17 автокормушку — стрелять из пушки по воробьям: ток фазы вырастает в десять раз, питание приходится городить отдельное, а выигрыша по задаче — ноль.

Питание и монтаж — то, о чём забывают при переезде с 5 В на 12. VMOT просит свой адаптер: 12 В на 2 А с запасом, земля общая с платой, иначе STEP и DIR висят в воздухе. Не пытайтесь питать мотор от пина 5V — плата будет перезагружаться на первом же шаге, лимит USB-порта вы уже проходили. Правила общей земли и отдельного источника я разбирал на примере серво — они те же, только ток побольше.

Пауза между импульсами берётся с потенциометра: map пересчитывает 0-1023 в 2-12 миллисекунд, constrain страхует края шкалы. Двести шагов с паузой 12 мс — оборот за 2,4 секунды, это 25 об/мин; с паузой 2 мс — оборот за 0,4 секунды и около 150 об/мин. Вторая цифра для многих экземпляров на 12 В уже на грани срыва без разгона: мотор гудит, вал стоит — растите паузу или ставьте AccelStepper с разгоном; граница срыва вымеряется тем же способом, что мы применяли в уроке про скорость.

Замер millis вокруг серии импульсов — привычка, которую стоит утащить в свои скетчи: скетч сам отчитывается, сколько занял оборот, и врать не умеет. Сравните с расчётом на бумажке: 200 шагов, умноженные на паузу, плюс мелочь на накладные расходы. Расходится в разы — ищите, кто тормозит: длинные провода, слабое питание или срыв, который выглядит как медленная езда, но звучит гулом.

ENABLE здесь по-прежнему свободен: между ходами драйвер держит позицию полным током, и за полчаса простоя чип и вал становятся неприятными на ощупь. Для подъёмных механизмов это плюс — шторка не сползёт. Для всего остального подавайте HIGH на ENABLE после хода и LOW перед следующим: обмотки отпустит, нагрев уйдёт в ноль. Сон через SLEEP работает так же, но дешевле по току — ценой миллисекунды на пробуждение; я держу оба способа в одной функции уставки и включаю нужный строкой.

Честно: ни A4988, ни токов фаз движок не эмулирует — в симуляторе живёт модель на библиотечном Stepper с двумястами шагами на оборот, как у настоящего NEMA 17. Потенциометр A0 задаёт скорость от 3 до 15 об/мин, светодиод D12 горит на пол-оборота, зуммер D8 пикнет на каждом обороте, Serial печатает номер оборота и скорость. На настоящей плате этой модели соответствуют импульсы на STEP с установленным DIR — тот же скетч из code-блока выше.

Что смотреть: пропорцию скорости и времени. Крутите ручку — темп меняется, обороты считаются, зуммер отчитывается каждый круг. Диапазон 3-15 об/мин — безопасная зона для шторки без разгона; когда механизму понадобится быстрее, придётся добавлять разгон через AccelStepper, но это уже отдельная история с собственным уроком — сначала пусть мотор хотя бы тянет вашу нагрузку на малых оборотах.

Три урока сложились в маршрут: драйвер с Step и Dir, деление шага до 1/16 и мотор, который тянет по-настоящему. Дальше маршрут расходится: кому — разгон через AccelStepper и неблокирующие ходы на millis, кому — счёт позиции между включениями в EEPROM, кому — реперы для длинных серий оборотов. Свой маршрут я начал со шторки: она теперь поднимается за двенадцать секунд, ровно и без срывов, а счёт шагов с той ночи я перепроверяю плечом ролика — честный счёт начинается с честной механики.