Униполярный и биполярный: обмотки и провода

Мотор из разобранного сканера с шестью проводами я воткнул в ULN2003 по привычной схеме 28BYJ-48: четыре цветных на входы, два оставшихся скрутил и подвесил в воздухе. Мотор гудел, дёргался на месте и грелся, а светодиоды платы честно мигали по кругу — электрика была в порядке, схема нет. Вечер ушёл на перебор комбинаций, пока я не сел с мультиметром и листом бумаги: за десять минут стало ясно, что у этого мотора обмотки с отводами, и подключать их в униполярную схему наугад — лотерея с шестью проводами.

Схемы включения обмоток — та тема, где моторы делятся на два лагеря, а провода — на три группы. Не понять разницу — значит собирать драйвер наугад, а для шаговика наугад означает гул вместо вращения. В уроке про принцип работы по фазам мы уже видели, что происходит, когда порядок фаз сломан: тут к этому добавится вопрос, какой ток и куда вообще можно пускать.

Разберёмся по порядку: сколько проводов у какой схемы, как за пять минут прозвонить незнакомый мотор, зачем у 28BYJ-48 красный провод и что меняется, если его отрезать. Практика — модель мультиметра в симуляторе и скетч для переделанного мотора на H-мосте.

Униполярный мотор устроен так: каждая обмотка имеет отвод из середины, и ток в ней всегда течёт в одну сторону — то через одну половину, то через другую. Драйверу достаточно замыкать концы на землю, никакого переполюсования: поэтому и схема дешёвая, и ULN2003 с его транзисторами-ключами на землю подходит идеально. Плата — две обмотки, каждая с отводом: шесть выводов. У 28BYJ-48 выводов пять, потому что оба отвода соединены внутри в один красный провод — общий для обеих обмоток.

Биполярный мотор проще снаружи и хитрее внутри: у обмоток отводов нет, четыре провода — это два конца двух катушек. Чтобы поле меняло направление, ток в обмотке обязан течь то в одну, то в другую сторону, а значит, драйвер должен уметь переполюсовывать — это работа H-моста из четырёх ключей. Принтерные моторы и NEMA 17 — биполярные; их четыре провода в ULN2003 не втыкаются никак.

Практическое следствие: пять или шесть проводов — мотор униполярный, и его можно гонять через ULN2003, а у шестипроводного остаётся выбор — использовать отводы или игнорировать их. Четыре провода — биполярный, выбор драйвера уже сделан за вас: нужен мост. При этом униполярный мотор можно превратить в биполярный, отказавшись от отводов, — а вот наоборот не выходит: целую обмотку пополам не разрежешь.

Прозвонка опирается на один факт: обмотка по отношению к току — резистор, и мультиметр в режиме омметра показывает, кто с кем соединён. Пара выводов с ненулевым сопротивлением между ними — обмотка; у моторов из наборов числа лежат в диапазоне от 20 до 100 Ом на половину обмотки. У 28BYJ-48 мы меряли обмотки в уроке про анатомию: между красным и любым цветным — 50-60 Ом (половина), между концами целой обмотки — вдвое больше, 100-110 Ом. Пропорция один к двум между половиной и целой — признак отвода из середины.

У пятого провода есть ловушка, о которую я споткнулся на том сканерном моторе: на 28BYJ-48 сопротивление между любыми двумя цветными одинаково — около 110 Ом. Всё замкнуто через общий красный: путь току есть всегда, откуда бы вы ни мерили. Мультиметр на пятом проводе выделяет только красный — единственный, который звенит с четырьмя остальными по 55 Ом. Какие два цветных образуют одну обмотку, прибор вам не скажет: пары узнают по даташиту, по стандартной цветовой распиновке или пробной гонкой фаз — трясётся на месте, значит, пара перепутана с соседней.

Шестипроводному мотору повезло больше: отводы там раздельные, и омметр раскладывает всё сам. Нашли вывод, который даёт 50-60 Ом сразу с двумя другими, — это отвод первой обмотки; повторили для второй — и распиновка у вас на бумажке. Сопротивления у незнакомых моторов не обязаны совпадать с 55: смотрите на пропорцию и на то, что обмотка не оборвана и не короткозамкнута. Цветовой код резисторов тут пригодится как навык чтения номиналов — только резистор у вас с валом.

Зачем вообще резать? В униполярной схеме в каждый такт работает только половина обмотки — вторая болтается в воздухе. Уберите отвод и гоните ток через целую обмотку туда-обратно — медь начнёт работать вся, и момент на валу вырастает примерно вдвое при том же токе. Энтузиасты вымеряли: униполярный 28BYJ-48 даёт порядка 300 г·см в полушаге и около 380 в полном, а биполярная переделка при правильном питании поднимает обе цифры ощутимо выше. Плюс открывается дорога к микрошаговым драйверам типа A4988 — правда, пластиковый редуктор съедает часть выигрыша своей неидеальностью.

Драйвер меняется обязательно: ULN2003 умеет только замыкать канал на землю, реверсировать ток он не способен — это работа моста. Пара обмоток идёт на выходы L298N, сигнальные линии IN1-IN4 — на четыре пина Arduino, и запись в конструкторе Stepper остаётся той же четырёхпинной: 2048 шагов на оборот никуда не денутся, полная обмотка не меняет арифметику шага. Меняется питание: целая обмотка имеет 110 Ом вместо 55, и на 5 В ток упал бы до 45 мА — мотор стал бы вялым. Поэтому переделанный моторчик кормят 12 В: 12 на 110 — около 109 мА, ровно тот ток, к которому обмотки привыкли в униполярной схеме.

Граница у всей этой экономии одна: редуктор. Выигрыш момента упирается в пластиковые шестерни, которые на пределе выкрашиваются, — мы это уже проходили в анатомии мотора. Моё мнение с условием: резать стоит, когда мотор уже куплен и нужен запас по моменту на лёгкой нагрузке; для нового проекта с серьёзной механикой честнее сразу взять биполярный NEMA 17 — он и построен под мост, и редуктор у него приличный.

Скетч не изменился ни на строчку против униполярного — и в этом главная мысль: переделка живёт в железе, а не в коде. Библиотека по-прежнему гонит четыре фазы по кругу, просто теперь каждая фаза переполюсовывает целую обмотку через мост, а не заземляет половину через ULN2003. Проверяйте сборку по той же диагностике, что и раньше: четыре светодиода на плате L298N должны перекликаться по кругу, а вал — ехать, а не трястись.

Единственное, что стоит перепроверить после переделки, — нагрев. Полные обмотки на 12 В вернули ток на прежний уровень, но рассеивать тепло теперь помогают обе половины, а не одна: мотор остаётся тёплым, а не обжигает. Если экземпляр всё же горячий на ощупь после десяти минут работы — снижайте напряжение или ставьте драйвер с ограничением тока.

Симулятор собирает модель мультиметра: пять проводов 28BYJ-48, попарные сопротивления и кнопка D2, которая отрезает красный — то есть переключает модель из униполярной схемы в биполярную. Светодиод D12 горит в биполярном режиме. После каждого переключения Serial печатает всю таблицу пар: десять измерений, где видны и обмотки, и разрывы, и итоговая строка с выводом.

Сравните две таблицы внимательно — в этом весь урок. Пока красный на месте, любые два цветных звенят одинаково по 110 Ом: общий соединяет всё со всем, и пары обмоток на приборе не видны. Отрежьте красный — таблица честнеет: остаются две пары по 110 Ом, а всё остальное превращается в разрыв. Настоящий мультиметр покажет вам ровно то же самое за пять минут; модель в симуляторе — репетиция, чтобы за столом понимать, что вы меряете.

Пары найдены, мост подключён, момент подрос — мотор стал на голову выше своей униполярной версии. Остался последний сюжет раздела: проект, где таких моторчиков нужно два сразу. Координатная машина из двух шаговиков — ось X и ось Y — покажет, зачем всё это счастье нужно: рисовать круг без единой библиотеки G-кода, по массиву координат из синуса и косинуса. И честно покажет, где у макетки предел.