Скорость и точное позиционирование шаговика

Турникет в мастерскую я собрал за вечер и почти неделю стыдился его работы. Логика простая: вал шаговика поворачивается ровно на девяносто градусов, пропускает человека, возвращается. На столе всё было красиво. В первый рабочий день турникет встал посреди поворота, загудел и замер: я выставил setSpeed(25), и на 25 оборотах в минуту мотор сорвал шаги — ротор с редуктором просто не успевал за импульсами. Через день повторилось наоборот: я снизил скорость до 5, всё поехало плавно, но Serial-лог показывал, что между стартом и финишем прошло вдвое больше времени, чем я планировал, и всё это время плата не отвечала ни на что — программа стояла внутри step().

Обе проблемы лечатся пониманием того, как библиотека Stepper обращается со временем и числом шагов. Посмотрим на скорость под микроскопом, научимся переводить градусы в шаги и сделаем движение туда-обратно, которое не замораживает плату. Заодно закроем историю с горячим мотором из прошлого урока — снимем 240 мА удержания с питания.

RPM — revolutions per minute, оборотов в минуту. Вызов stepper.setSpeed(10) обещает: вал сделает десять полных оборотов за 60 секунд. Переведём в шаги: 10 × 2048 / 60 ≈ 341 шаг в секунду, то есть один шаг каждые 2,9 миллисекунды. Библиотека сама считает задержку между переключениями обмоток — в loop() для этого делать ничего не нужно.

Почему нельзя задрать скорость до бесконечности? У каждого шага есть физический лимит: обмотке нужно время, чтобы магнитное поле наросло, а инерционная масса ротора и шестерёнок редуктора — чтобы доехать до следующего положения. Если импульсы идут чаще, чем механизм успевает, ротор не доезжает: мотор гудит, дрожит, а вал стоит на месте. Это и есть срыв шагов, и он коварен тем, что не считается ошибкой: программа честно отчиталась, что шаги сделаны, — а счёт позиции с этого момента врёт.

Практическая шпаргалка для 28BYJ-48 на 5 вольтах. Без нагрузки уверенно ходит 10-12 RPM; с небольшой нагрузкой — 5-8; после 15 начинается лотерея, отдельные экземпляры срываются уже на старте. Момент тоже не константа: чем выше RPM, тем меньше тяга — мотор может не провернуть на высокой скорости то, что спокойно тащит на низкой.

Формула одна: шаги = угол × 2048 / 360. Девяносто градусов — 512 шагов, ровно и красиво. Тридцать градусов — 170,67, и здесь первый подвох: step() принимает целое число, дробь приходится округлять. Насколько это больно? Один шаг — 0,176 градуса, значит, ошибка округления никогда не превысит 0,09°. Для кормушки, турникета или заслонки — ничто; даже для поворотного столика предметной съёмки — приемлемо.

В коде формулу я записываю через дробную константу STEPS_PER_REV / 360.0 — и вот тут внимание к деталям. Если написать 360 без точки, C++ сначала выполнит целочисленное деление 2048 / 360, получит 5 — и вся точность полетит в мусорку: 45 градусов превратятся в 225 шагов, а это уже не 45°. Точка в 360.0 заставляет компилятор считать в дробях. Результат умножения я привожу к long — целому большого разрядности: на 2048 шагов хватило бы и int, но привычка не экономить разрядность спасает, когда число шагов за один вызов перевалит за 32 767.

Ещё один нюанс — накопление ошибки. Если механизм делает сотни ходов туда-обратно, каждая половинка шага от округления складывается: после тысячи циклов платформа уползёт на несколько шагов. Лекарство — репер в нулевой точке: концевик, геркон или оптопара. Раз в N циклов возвращаемся к реперу, обнуляем счёт и спим спокойно. На моём шлагбауме геркон появился именно поэтому, а не из паранойи.

Метод step() не возвращается, пока не сделает все шаги. При 5 RPM полный оборот — это минута тишины: Serial молчит, кнопки не опрашиваются, датчики копят злость. Внутри step() — цикл «переключить обмотки, подождать рассчитанные миллисекунды, повторить», и всё это время loop() не живёт.

Лечение — дробить ход на порции. Заводим остаток маршрута и таймер; в loop() каждые несколько миллисекунд просим мотор step(4) — четыре шага, — вычитаем их из остатка и сразу возвращаемся к остальным делам. Остаток кончился — меняем знак направления и едем обратно. Паузы на краях тоже делаются таймером: запомнили millis() момента прибытия и ждём, пока разница не перевалит за три секунды.

Получается концепт «двигатель как фон»: loop() крутится быстро, мотор понемногу едет, Serial живёт. Расплата — чуть более хитрый код и контроль порции: step(4) при 12 RPM занимает около 10 миллисекунд, и эта десятка не должна ломать остальную логику цикла.

Мотор теперь послушный: едет на заданный угол, живёт в millis-цикле и не поджигает источник питания. Следующая ступень — драйверы с микрошагом (A4988 и моторы NEMA 17), где шаг дробится на шестнадцатые и мотор перестаёт гудеть; им будет посвящён отдельный раздел. А пока закрепите эксперименты — особенно поиск предела скорости: знание возможностей своего экземпляра избавляет от половины загадочных отказов.