Schrittmotor 28BYJ-48 mit ULN2003 Treiberplatine

Abb. 1: Schrittmotor 28BYJ-48 mit ULN2003 Treiberplatine

Autoren: Prof. Dr.-Ing. Schneider

Einleitung

Bei demSchrittmotor 28BYJ-48 handelt es sich um einen Motor, der sich speziell für kleine Anwendungen mit dem Arduino-Board eignet. Die Besonderheit liegt darin, dass er ohne eine externe Spannungsversorgung betrieben werden kann. Der Motor entwickelt dabei ein relativ hohes Drehmoment. Dies wird durch ein Getriebe realisiert, welches innerhalb des Metallgehäuses vor dem eigentlichen Schrittmotor verbaut wurde. Dadurch wird es in dieser kompakten Bauweise überhaupt erst möglich, dass sich eine ganze Umdrehung der Antriebswelle auf 2048 Einzelschritte aufteilen lässt. Ein kleiner daraus resultierender Nachteil ist die langsame maximale Drehgeschwindigkeit.

Der Schrittmotor wird an die Motorsteuerungsplatine ULN2003 Treiberplatine angeschlossen. Diese versorgt den Motor mit ausreichend elektrischer Energie, damit die Leistung nicht von den digitalen Pins des Arduino-Boards aufgebracht werden muss. Die Steuerungsplatine gibt es in zwei Versionen, bei denen die seitlich angebrachten Pins entweder nach oben oder nach unten aus der Platine herausragen. Die Anschlussbelegung ist jedoch gleich.

Abb. 2: Schrittmotor 28BYJ-48

Abb. 3: ULN2003 Treiberplatine mit SMD bestückt

Abb. 4: Ansteuerung des Schrittmotors

Technische Daten

Tabelle 1: Technische Daten des Schrittmotor 28BYJ-48 mit ULN2003 Treiberplatine (5 V Motorvariante)

Anzahl Phasen/Steuerleitungen	4
Frequenz	100 Hz, höchste Effektivität
Getriebe	64:1 (Untersetzung)
Schritte pro Umdrehung	2048 (Vollschritt-Modus)
	4096 (Halbschritt-Modus)
Winkel pro Vollschritt	11,25 °
Winkel pro Halbschritt*	5,625 °
Drehmoment	34.3 Nm
Nennspannung	5 V
Stromaufnahme pro Spule	100 mA
Stromaufnahme minimale Drehzahl	300 mA
Stromaufnahme minimale Drehzahl	170 mA
Spulenwiderstand	50 Ω
Lautstärke	<40 dB
Kabellänge	24 cm
Leehrlaufgeschwindigkeit	17 UPM
Außendurchmesser Motorgehäuse	28 mm
Abmessungen	⌀28 mm x 19 mm (ohne Schaft)
Gewicht	30 g

^* Beispiel: $5,625^°\cdot4096/64=360^°$

Pinbelegung

Abb. 5: Anschlussplan des Schrittmotors an die Treiberplatine

Abb. 6: Anschlussplan für den Betrieb am Arduino

Tabelle 2: Pinbelegung des Schrittmotors 28BYJ-48

Pin	Belegung	Farbe
1	Spule 4	Pink
2	Spule 2	Blau
3	Versorgungsspannung (VCC, 5 V)	Rot
4	Spule 1	Gelb
5	Spule 3	Orange

Hinweis: Farben können je nach Hersteller abweichen.

Tabelle 3: Pinbelegung des Molex-Verbinders P3 auf der ULN2003 Treiberplatine

Pin	Belegung	Farbe
1	Spule 2	Blau
2	Spule 4	Pink
3	Spule 1	Gelb
4	Spule 3	Orange
5	Versorgungsspannung (VCC, 5 V)	Rot

Treiberplatine ULN2003

Die Treiberplatine ULN2003 gibt es ebenfalls in zwei Ausführungen: THT und SMD. Die Treiber-Platine fungiert als Verstärker und ist deshalb vonnöten, weil der PIC nur mit maximal 25mA belastet werden kann, der Schrittmotor aber - je nach Ausführung - zwischen ca. 140 mA und 300 mA benötigt. Man könnte das Modul durch eine Reihe von Transistoren oder Operationsverstärkern ersetzen. Zwischen Microcontroller und Treiber-Platine fließen übrigens im Betrieb lediglich 700µA.

Bitte beachten: Die Treiber-Platine invertiert die Polarität. Wird vom Microcontroller her Plus eingespeist, dann liegt am Ausgang des ULN2003-Moduls Minus an.

Ansteuerung

Die Steuerung von Schrittmotoren erfolgt über elektrische Impulse mit einer bestimmten Frequenz, Sequenz und Länge. So wird bestimmt wie schnell, wie viele Schritte und in welche Richtung der Schrittmotor sich drehen soll. Der Treiber übersetzt die Impulse vom Controller und versorgt den Schrittmotor mit Spannung.

Der Motor verfügt über 2 Spulen, die jeweils einen Mittelabgriff haben (vgl. Abb. 6). Der Mittelabgriff wird als roter Draht herausgeführt und an 5 V DC angeschlossen. Die Spulen werden entsprechend Tabelle 3 auf GND gezogen, was den Motor vorantreibt. Der Schrittmotor dreht sich, wenn die Ansteuerung in der angegebennen Schrittfolge erfolgt. Diese Schrittfolge wird mit dem Treibermodul ULN2003 erzeugt. Dieser IC besteht aus einer Anordnung von 7 Darlington Transistorpaaren von denen jeder seine Last von bis zu 500 mA und 50 V treiben kann. Mit dem verdrehsichernen Molex-Stecker (vgl. Tabelle 3) wird der Motor an das Treibermodul angeschlossen. Die LEDs zeigen die Stati in Tabelle 4 an. Es gibt einen on/off Jumper, um den Schrittmotor zu deaktivieren. Der Jumper leitet die an 5 V Betriebsspannung an den Motoren und LEDs weiter (vgl. Abb. 7).

Der Motor verfügt über Spulen, die nacheinander mit Strom versorgt werden, um die magnetische Motorwelle in Drehung zu versetzen. Bei der Vollschrittmethode werden bei jedem Schritt 2 der 4 Spulen mit Strom versorgt. Die Standard-Stepper-Bibliothek, die mit der Arduino IDE vorinstalliert ist, verwendet diese Methode. Das 28BYH-48-Datenblatt gibt an, dass die bevorzugte Methode zum Antreiben dieses Schrittmotors die Verwendung der Halbschrittmethode ist, bei der wir zuerst nur Spule 1, dann Spule 1 und 2 zusammen, dann nur Spule 2 usw. mit Strom versorgen. Mit 4 Spulen bedeutet 8 verschiedene Signale, wie in der Tabelle unten.

Zwischen den einzelnen Schritten liegt jeweils eine Pause zwischen 1 ms bis 4 ms, die die Drehgeschwindigkeit/Frequenz festlegt.

Tabelle 4: Sequenz der Steuersignale für die 4 Anschlussdrähte, Vollschritt mit Drehung im Uhrzeigersinn

Schritt	IN1	IN2	IN3	IN4	D1	D2	D3	D4	P3 Pin1	P3 Pin2	P3 Pin3	P3 Pin4	P3 Pin5
1	1	0	1	0	1	1	0	0	3 V	3 V	0,6 V	0,6 V	5 V
2	0	1	1	0	0	1	1	0	3 V	0,6 V	0,6 V	3 V	5 V
3	0	1	0	1	0	0	1	1	0,6 V	0,6 V	3 V	3 V	5 V
4	1	0	0	1	1	0	0	1	0,6 V	3 V	3 V	0,6 V	5 V

Tabelle 5: Vollschritt mit Drehung gegen den Uhrzeigersinn

Schritt	IN1	IN2	IN3	IN4	D1	D2	D3	D4
1	1	0	0	1	1	0	0	1
2	0	1	0	1	0	0	1	1
3	0	1	1	0	0	1	1	0
4	1	0	1	0	1	1	0	0

Tabelle 6: Halbschritt mit Drehung im Uhrzeigersinn

Schritt	IN1	IN2	IN3	IN4	D1	D2	D3	D4
1	1	0	0	0	1	0	0	0
2	1	0	1	0	1	1	0	0
3	0	0	1	0	0	1	0	0
4	0	1	1	0	0	1	1	0
5	0	1	0	0	0	0	1	0
6	0	1	0	1	0	0	1	1
7	0	0	0	1	0	0	0	1
8	1	0	0	1	1	0	0	1

Tabelle 7: Halbschritt mit Drehung gegen den Uhrzeigersinn

Schritt	IN1	IN2	IN3	IN4	D1	D2	D3	D4
1	1	0	0	1	1	0	0	1
2	0	0	0	1	0	0	0	1
3	0	1	0	1	0	0	1	1
4	0	1	0	0	0	0	1	0
5	0	1	1	0	0	1	1	0
6	0	0	1	0	0	1	0	0
7	1	0	1	0	1	1	0	0
8	1	0	0	0	1	0	0	0

Abb. 7: Schaltplan

Stepper.h - Stepper library for Wiring/Arduino - Version 1.1.0 

// ensure this library description is only included once
#ifndef Stepper_h
#define Stepper_h

// library interface description
class Stepper {
  public:
    // constructors:
    Stepper(int number_of_steps, int motor_pin_1, int motor_pin_2);
    Stepper(int number_of_steps, int motor_pin_1, int motor_pin_2,
                                 int motor_pin_3, int motor_pin_4);
    Stepper(int number_of_steps, int motor_pin_1, int motor_pin_2,
                                 int motor_pin_3, int motor_pin_4,
                                 int motor_pin_5);

    // speed setter method:
    void setSpeed(long whatSpeed);

    // mover method:
    void step(int number_of_steps);

    int version(void);

  private:
    void stepMotor(int this_step);

    int direction;            // Direction of rotation
    unsigned long step_delay; // delay between steps, in ms, based on speed
    int number_of_steps;      // total number of steps this motor can take
    int pin_count;            // how many pins are in use.
    int step_number;          // which step the motor is on

    // motor pin numbers:
    int motor_pin_1;
    int motor_pin_2;
    int motor_pin_3;
    int motor_pin_4;
    int motor_pin_5;          // Only 5 phase motor

    unsigned long last_step_time; // time stamp in us of when the last step was taken
};

#endif

Getriebe

Abb. 8: Betriebe des Schrittmotors

Der Motortreiber unterscheidet zwischen Voll- und Halbschrittmodus. Im Vollschrittmodus entspricht jeder Schritt einer Drehung von 11,25 °. Es gibt somit $360\,°/11,25\,°=32$ Schritte pro Umdrehung.

Der Motor ist mit einem 64:1 Untersetzungsgetriebe ausgestattet (vgl. Tabelle , Abb. 8).

$\frac{32}{9} \cdot \frac{22}{11} \cdot \frac{26}{9} \cdot \frac{31}{10} = 63,68395$

Tabelle 4: Untersetzungsgetriebe des 28BYJ-48 Motors

Motor	#1	#2	#3	#4	Multipl.	Übersetzung
Eingang	32	22	26	31	567424	63,68395
Ausgang	9	11	9	10	8910

Im Vollschrittmodus gibt es $32\cdot63,68395=2037,8864$ Schritte. Je nach Getriebemodell rechnet man mit einer Übersetzung von 64:1 und 2048 Schritten pro Umdrehung.

Im Halbschrittmodus entspricht jeder Schritt einer Drehung von 5,625 °. Es gibt somit $360\,°/5,625\,°=64$ Schritte pro Umdrehung. Inklusive Getriebe entspricht dies 4096 Schritte pro Umdrehung.

Demos

• SVN: DemoSchrittmotor28BYJ-48.ino
• SVN: Vollschritt Ansteuerung - vorwärts
• SVN: Vollschritt Ansteuerung - rückwärts
• SVN: Halbschritt Ansteuerung - vorwärts

Videos

Video 1: Der 28BYJ-48 Schrittmotor einfach erklärt, mit drei Beispiele

Video 2: 28BYJ-48 Stepper Motor Disassembly

Video 3: Arduino kurzgefasst - 28BYJ-48 der preiswerte Schrittmotor

Video 4: 28BYJ-48 stepper motor and ULN2003 Arduino

Video 5: The Cheapest Stepper Motor And How You Use It

Hilfreiche Links

• Funduino Anleitung
• Arduino.cc: Stepper
• Arduino Reference: Stepper
• Moving the 28BYJ-48 Stepper Motor
• Marc Schmidt: Schrittmotor mit Arduino ansteuern
• Arduino and Stepper Motor Configurations
• Schrittmotor 28BYJ-48 ansteuern / testen

Datenblatt

• Datenblatt: Schrittmotor 28BYJ-48
• Datenblatt: ULN2003 Treiberplatine
• 28BYJ-48 - 5V Stepper Motor