Нагрев и удержание: обмотки под током или обесточить

Подъёмный стол моего гравёра простоял включённым всю ночь: накануне я поднял его под лазер на двадцать миллиметров, выключил компьютер и ушёл. Утром от платы ULN2003 пахло горячим пластиком, корпус моторчика не давал ладони покоя, а стол всё это время просто стоял на высоте. Ни одного шага за восемь часов — и почти два ватта тепла непрерывно. Это главная странность шагового двигателя, о которую спотыкаются все, кто пришёл от моторчиков постоянного тока: ему не нужно двигаться, чтобы жрать ток. Он греется ровно тогда, когда ничего не делает.

Почему так. Шаговик не умеет «держать слабее»: обмотка запитана на всё напряжение, и ток в ней задаёт закон Ома, а не нагрузка на валу. У моторчика постоянного тока в простое ток падает почти до нуля — крыльчатку никто не тормозит. У серво без внешней силы тоже наступает покой. А у шагового двигателя стоячий вал — это режим работы, а не пауза: две фазы под напряжением, ротор зажат магнитным полем, ток идёт по кругу, и тепло рассеивается в корпус размером с напёрсток. Сам мотор я разбирал по винтикам в первом уроке раздела, здесь — только его темперамент.

Считаем на 28BYJ-48 в версии на 5 вольт. Сопротивление обмотки — около 50 Ом, значит одна фаза тянет примерно 100 мА. В удержании включены две фазы, итого около 200 мА непрерывно — примерно ватт тепла в корпусе диаметром 28 миллиметров. Мультиметр в разрыве питания это подтвердит; если прибор показывает 300-400 мА, проверьте, не трёхвольтовый ли мотор вы посадили на пятёрку. Плата ULN2003 добавляет свою долю: ключи-дарлингтоны роняют на себе примерно по вольту, четыре канала по 100 мА — ещё 0,4 ватта на чипе. Поэтому плата греется почти наравне с мотором, и это тоже норма, а не дефект партии.

Корпус 60-70 °C после часа работы — не авария, а штатный режим: изоляция обмоток рассчитана заметно выше. Не случайно в паспортных таблицах серьёзных производителей рабочий ток занижен примерно до 70% от тока удержания — именно ради температуры, а не ради скромности. Палец при этом плохой термометр: 65 °C ощущаются как «вот-вот загорится», а для меди с лаком обмотки это прохладный вторник. Ориентируйтесь на мультиметр и нос, не на ощущения.

Что действительно убивает мотор — время на пределе плюс глухой отвод тепла. Моторчик, замотанный в термоусадку и спрятанный в закрытый корпус, греется сильнее того же мотора на открытом столе при том же токе. Мой ночной инцидент кончился ничем: обмотки выжили, драйвер тоже. Но с тех пор все мои скетчи обесточивают катушки сами, без напоминаний — и дальше я покажу, как это устроено.

Стратегия первая — оставить как есть. Оправдана, когда вал обязан держать позицию и сам её не удержит: вертикальная ось на ремне, фокусёр телескопа под весом окуляра, заслонка с пружиной. Стратегия вторая — сторож простоя: если за отведённый интервал не приходило ни одной команды, все четыре входа ULN2003 уходят в LOW, ключи закрываются, ток падает до нуля, вал начинает крутиться от руки. Стратегия третья — механическая: винтовая пара с малым ходом держит груз сама, и обесточивание становится бесплатным — об этом целиком третий урок ниже.

В Stepper.h кнопки «отпусти» нет: библиотека держит последнюю фазу под током после каждого шага, так задумано. Обесточивание делается руками — digitalWrite в LOW на все четыре пина, для ULN2003 LOW на входе значит закрытый ключ. В AccelStepper есть готовый disableOutputs(). Физику нагрева и цифры по току покоя я разбирал в уроке про нагрев и ток покоя, а экономию и все подводные камни снятия напряжения — в уроке про отключение катушек; здесь же — про решение «когда», а не «как». Тонкость, о которую я сам спотыкался: после обесточивания счётчик шагов в скетче живёт дальше, но физический вал можно провернуть — позиция в программе и позиция в мире расходятся. На шторке неважно, на вертикальном столе это падающий груз.

Список у меня короткий. Вертикальная ось без самоторможения — при снятии тока груз опустится, и никакой скетч его не поймает. Ось под пружиной или противовесом — та же история. Камера на фокусёре: сместился полмиллиметра — кадр плывёт всю съёмку, и никакая программа это не заметит. Всё остальное — слайдеры, поворотные столы (мой — из урока про поворотный стол для фото), шторки, сортировщики — живёт без тока: либо трение механики, либо самотормозящий винт, либо открытая позиция никому не мешает до следующей команды.

Полезный побочный эффект удержания — жёсткость. Под током ротор стоит намертво: можно выбрать люфт, прижать шестерню, подтянуть крепёж, не боясь, что каретка уедет от случайного толчка. Обесточенная ось — это ось со свободным ходом, и во время юстировки я часто сознательно оставляю ток включённым именно ради этого: манипулировать безопаснее, когда всё зафиксировано. А после настройки — сторож в дело: полминуты тишины, и скетч отпускает катушки сам.

И спорное мнение, чтобы вы не копировали его вслепую: я не оставляю удержание на ночь даже на вертикальных осях. Если механика винтовая и самотормозит, сон с током — это нагрев на ровном месте. Если у вас ремень — это другое дело: ремень не держит ничего, и тогда либо ток, либо механический фиксатор. Считайте цену ночи честно: 200 мА на 5 В — ватт мощности круглые сутки, за месяц таких ночей набегает киловатт-час с мотора и лишний износ драйвера.

Итоговая сетка помещается в три вопроса. Держит ли механика груз сама? Тогда обесточивайте сразу — сторож простоя окупается с первого дня. Держит ли скетч задачу в паузе — камера ждёт кадр, стол ждёт гравировку? Тогда таймер на millis, 30-60 секунд тишины — и спать; заготовку такого планировщика я показывал в уроке про millis вместо delay. Нужен жёсткий захват позиции под нагрузкой? Держите током и закладывайте нагрев в конструкцию: вентилируемый корпус, ток в районе 70-80% от паспортного и никакой термоусадки на драйвере. А проверка после любого сна одна: вал крутится пальцем — катушки молчат, и позицию восстанавливаем ходом к нулевой точке.

Про питание — одна строка, которую я усвоил на своём ночном инциденте. Удержание — не пиковая нагрузка, а постоянная: блок питания на 5 В и 1 А закрывает и мотор, и Uno, и плату ULN2003 с запасом. USB-порты и дешёвые повербанки на 500 мА просаживаются — мотор теряет момент, и вы ловите срывы, которых на стационарном блоке нет. Сторож простоя здесь работает и как энергоменеджер: спящий скетч снижает средний ток в разы, и запас питания снова становится запасом, а не надеждой. И помните про 65 °C: тёплый корпус — штатный режим, а не сигнал к панике; сигнал — запах и срывы шагов.