模組介紹 : faya步進馬達模組

學習目標 : 認識faya步進馬達模組的功能及使用方式
學習時間 : 50min
示範模組 : (1) fayaduino UNO
                 (2) faya 電源底板
                 (3) faya 步進馬達模組
工具 : (1) 樂高積木底板 (相容)

====================功能介紹====================
步進馬達的優點在於能夠穩定的控制馬達旋轉位置與速度，在無須了解背後原理的情形下，用Arduino準確的控制步進馬達的速度與位置再簡單也不過了，faya步進馬達模組提供了4個輸入埠(A,B, /A, /B)，用來連接Arduino的數位腳位，再結合函式庫準確地控制位置與速度。

控制步進馬達前，須透過Arduino的函式下指令 ，本段僅解釋用法，只要學會下面三個指令(簡單的數學關係)就能控制這顆步進馬達了，詳細說明可參考原理知識:

• #include<Stepper.h>;

使用步進馬達函示庫之前，記得先指示此函示標頭檔

• Stepper fayaStepper(stepsPerRevolution, pinA, pinAbar, pinB, pinBbar);

此指令宣告了步進馬達的機構與接線，其中:
-fayaStepper為物件名稱，可自行命名
- stepesPerRevolution = 32 (後解釋)
- pinA, pinAbar, pinB, pinBbar 分別填入連接馬達 A, /A, B, /B 的4個Arduino 腳位

• fayaStepper.setSpeed(rpms);

此指令透過rpms值設定步進馬達的轉速，其中

(例1): fayaStepper.setSpeed(256);
此時步進馬達每分鐘轉 256/64 = 4圈，也就是15秒會轉一圈

(例2): fayaStepper.setSpeed(384);
此時步進馬達每分鐘轉 384/64 = 6圈，也就是10秒會轉一圈

• fayaStepper.step(steps);

此指令透過steps值設定步進馬達的步數，此馬達每2048步走一圈(後解釋)，因此:



(例1): fayaStepper.steps(1024);
此時步進馬達會走 (1024/2048)x360=180度 = 0.5圈

(例2): fayaStepper.steps(5120);
此時步進馬達會走 (5120/2048)x360= 900度 = 2.5圈

====================原理知識====================
以下解釋提供給有需要知道背後原理的人:

faya步進馬達模組採用的是型號28BYJ-48的步進馬達，它是一個5V-4相5線的步進馬達，透過ULN2003來驅動，電路圖如下:

馬達的轉動透過A,B,/A,/B訊號輪流激磁，激磁方式有:

• 一相激磁：1000-0100-0010-0001
• 二相激磁：1100-0110-0011-1001
• 一/二相激磁：1000-1100-0100-0110-0010-0011-0001-1001

不同的激磁方式對於輸出力矩和輸出角度會不同，我們會寫一篇文章(待補連結)，讓大家了解這個有趣的實驗! 

以下解釋 fayaStepper(stepsPerRevolution, pinA, pinAbar, pinB, pinBbar);
由馬達的datasheet可看到一重要的參數，內部轉子的步距角(Stride Angle) =5.625/64，它的意思是轉子一次走5.625度的步距角度，也就是當轉子走64步時(5.625x64=360)，會繞一圈，但5.625步距角度是一／二相激磁才會走的度數。當使用純一相激磁或二相機磁時，步距角會多一倍，此時步距角=11.25/32時，也就是轉子走32步(11.25x32=360)，會繞一圈。Arduino的Stepper 函式庫，採用二相激磁的方式，因此，我們必須在stepsPerRevolution裡面填入32，告知轉子32步就走一圈。

以下解釋 fayaStepper.step(steps);
馬達datasheet裡的另一個重要的參數是減速齒輪比 64:1，也就是當轉子轉64圈時，馬達的外部轉軸才轉一圈，轉子走一圈需要32步，因此我們可算出達外部轉軸轉一圈時，轉子需走2048步時(32x 64 = 2048)。

結合以上兩個概念，換個方式再解釋一次: 當用兩相激磁方式驅動馬達時，每次激磁 (也就是一組A, B, /A, /B Pulse訊號)，會讓轉子走一步，前進11.25度。當送出2048組激磁(pulse)時，轉子總共前進了11.25*2048 = 23040度。但是經過64:1的減速齒輪後，外部的轉軸變成只前進了23040/64 = 360度，也就是一圈。

以下解釋 fayaStepper.setSpeed(rpms);
此函式裡的rpm值代表轉子每分鐘轉的圈數，經過64:1的減速齒輪後，外部轉軸每分鐘轉的圈數需除以64，因此，當下了指令fayaStepper.setSpeed(64)，此時外部轉軸的轉速為每分鐘轉64/64 = 1圈；當下了指令fayaStepper.setSpeed(256)，此時外部轉軸的轉速為每分鐘轉四圈，也就是每15秒鐘就轉一圈。

註: stepsPerRevolution 和 rpms 值息息相關，有些網站範例的stepsPerRevolution填入的是"外部轉軸的步數"，也就是32x64=2048，此時，rpms 就代表著外部轉軸的rpm，因此rpm=1，代表外部轉軸每分鐘轉一圈，填入4代表每分鐘轉四圈，感覺起來很方便直覺，但此時無法填入0.5、1.2等等有小數的rmp值(小數點後會被省略)，因此我喜歡套用這篇文章套用公式的方式增加控式的彈性。

另外step為正值時馬達順時鐘轉，負值時馬達逆時鐘轉!

最後介紹faya步進馬達模組貼心的在面板上設計了4顆LED，當A,B,/A,/B 相位收到訊號時，相對應的LED會點亮，當馬達速度放很慢很慢時，讓使用者能很清楚地觀察目前激磁的相位。以下圖為例，拍攝的時候正在執行A、B兩相的激磁階段。

二相激磁：1100-0110-0011-1001

===================範例實作(1)===================
了解模組功能(原理)後，我們用以下範例來展示模組的功能:

目標: 
(1)步進馬達順時針旋轉一圈(360度)，所用時間為10秒鐘
(2)休息2秒鐘
(3)步進馬達逆時針旋轉一圈(90度)，所用時間為7.5秒鐘

接線:
(1) 電源線連接
     如下圖所示，連接的說明請看這篇文章 或簡易版

(2) 訊號線連接
      Arduino_11  ===>  步進馬達_A
      Arduino_10  ===>  步進馬達_B
      Arduino_9    ===>  步進馬達_/A
      Arduino_8    ===>  步進馬達_/B

範例程式:

	// 2017/4/24
	// Faya-Nugget 範例程式 (StepMotor_1.ino)
	// 單元: 模組介紹-faya步進馬達模組
	/////// 網址: http://fayalab.blogspot.com/2017/04/faya_24.html
	// 目標: (1)馬達順時針旋轉1圈，費時10秒
	// (2)停2秒
	// (2)馬達逆時針旋轉1/4圈，費時7.5秒
	// 接線: Arduino ==> faya模組
	// 11 ==> A (步進馬達)
	// 10 ==> B (步進馬達)
	// 9 ==> /A (步進馬達)
	// 8 ==> /B (步進馬達)
	#include<Stepper.h>
	int motorPin_A = 11;
	int motorPin_B = 10;
	int motorPin_AP = 9;
	int motorPin_BP = 8;
	//定義Stepper函示庫中的參數
	//轉子每32steps轉一圈
	//埠 A B /A /B 分別接到 11 10 9 8
	Stepper fayaStepper(32, motorPin_A, motorPin_AP, motorPin_B, motorPin_BP);
	void setup() {
	//設定連接Arduino的腳位為輸出
	pinMode(motorPin_A, OUTPUT);
	pinMode(motorPin_B, OUTPUT);
	pinMode(motorPin_AP, OUTPUT);
	pinMode(motorPin_BP, OUTPUT);
	fayaStepper.setSpeed(384); //轉子384rpm = 馬達轉軸384/64 = 6rpm = 10秒轉一圈
	fayaStepper.step(2048); //轉子走2048步時，外部轉軸轉1圈 = 360度
	delay(2000); //休息2秒
	fayaStepper.setSpeed(128); //轉子128rpm = 馬達轉軸128/64 = 2rpm = 30秒轉一圈 = 7.5秒轉90度
	fayaStepper.step(-512); //轉子走512步時，外部轉軸轉1/4圈 = 90度
	}
	void loop() {
	}

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備註:
- 執行程式前，記得將馬達開關移到"ON"位置
- 大家可以發現真正控制馬達動作的程式只有(L32~L36)5行，是不是很簡單?

範例結果:

討論:

• 步進馬達的激磁需要時間反應的，因此當fayaStepper.setSpeed(rpms)中的rpms直設得太高時，步進馬達反應不過來，有時會以卡卡的感覺，甚至停住不動，大家可以把rpms直設到512甚至更高，比較結果如何!

• 28BYJ-48的步進馬達的減速齒輪比例不是剛剛好1/64，實際上約是1/63.x，所以當持續轉幾圈後，就會發現開始位移，但對於一般的應用/學習，這顆馬達的C/P算是物超所值了!

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