Самодельный шаговый двигатель на 3D-принтере: строим свой precision-привод

Компоненты и материалы

Arduino UNO	×1
Неодимовые магниты 1/4" (6 мм)	×6
Гвозди 8d 2-3/8" (для якорей электромагнитов)	×8
Транзисторы (PNP или MOSFET по току)	×4
Подшипник 608ZZ	×1

О проекте

Вдохновленный 3D-печатаемым коллекторным двигателем, автор решил пойти дальше — сделать шаговый двигатель. Конструкция: 8 электромагнитов, 6 неодимовых магнитов на роторе, 3D-печатанные статор и ротор. Это постоянномагнитный шаговый двигатель с шагом 15° (полный шаг) и 7.5° (полушаг). Образовательный демонстратор принципа работы шаговых двигателей. Работает от 5–12 В DC (совместимо с USB-питанием).

Розыгрыш: На YouTube-канале автора разыгрывается Arduino, транзисторы и переключатели. Подробности в последнем шаге.

Шаг 1: Что понадобится

1. 6 неодимовых магнитов 1/4"
2. Подшипник 608ZZ
3. 8 гвоздей 8d 2-3/8" (любые подходящие по размеру)
4. МАГнитная проволока (0.315 мм использовано, не критично)
5. Arduino Uno
6. 4 транзистора (PNP или MOSFET — по даташиту на ток ваших катушек). На 5В потребление ~1 А, на 12В — ~3 А.
7. 3D-печатанные ротор (двенадцатиугольник) и статор (восьмиугольник)
8. Клей, изолента, компас (для полярности магнитов)

Шаг 2: Печать ротора и статора

STL-файлы доступны на странице проекта (печать через 3D Hubs или свой принтер).

Шаг 3: Установка магнитов на ротор

Компасом определите полюса. Приклейте магниты северными полюсами наружу. Компас в смартфоне тоже подойдет.

Шаг 4: Сборка ротора и статора

Вдавите подшипник в статор (отверстия при печати слегка уменьшаются — автор заранее увеличил их). Затем вдавите ротор в подшипник. Ось вращается свободно.

Шаг 5: Намотка электромагнитов

Отрежьте 9 кусков проволоки по 25 футов (~7.6 м). Намотайте на гвозди с помощью дрели. Компасом и батареей определите, какой конец — южный полюс (он должен смотреть внутрь). Пометьте минусовый вывод маркером или термоусадкой. Изолируйте катушки изолентой в местах контакта со статором — фиксация и теплоизоляция. Пара катушек потребляет ~1 А на 5В, ~3 А на 12В.

Внимание! Проект рассчитан на 5–12 В. При изменении параметров используйте закон Ома: U = I×R. Меньше витков — меньше сопротивление — больше ток. Риск сжечь транзисторы или БП!

Шаг 6: Установка электромагнитов в статор

Вставьте катушки до зазора ~6 мм (1/4") от магнитов ротора. Можно регулировать. Гвозди со временем намагничиваются — эффективность падает. Сварные электроды — лучшая альтернатива, если есть.

Шаг 7: Пайка и подключение к Arduino

Соедините пары катушек последовательно так, чтобы южные полюса всех электромагнитов смотрели внутрь. Резистор 1 кОм на базе транзистора предотвращает «висение» входа в высоком состоянии. Загрузите код в Arduino — двигатель готов!

Шаг 8: Pay It Forward (розыгрыш)

В розыгрыше: Arduino, транзисторы, переключатели, перемычки.

Условия: Подпишитесь на YouTube-канал, поставьте лайк видео, напишите в комментариях, что хотите увидеть следующим. 1 сентября случайный победитель получит призу бесплатно!

Программный код

/* 3D Printed Stepper Motor by Anthony Garofalo (Proto G) */
int Delay;
int reverseSwitch;

void setup() {
  pinMode(9, OUTPUT);
  pinMode(10, OUTPUT);
  pinMode(11, OUTPUT);
  pinMode(12, OUTPUT);
  pinMode(13, OUTPUT); // LED индикатор
  pinMode(6, INPUT);   // Переключатель направления на пине 6
}

void loop() {
  reverseSwitch = digitalRead(6);
  if (reverseSwitch == HIGH) {
    // Против часовой стрелки
    Delay = analogRead(0);
    Delay = map(Delay, 0, 1023, 60, 2000);
    digitalWrite(12, HIGH); digitalWrite(13, HIGH); delay(Delay);
    digitalWrite(12, LOW);  digitalWrite(13, LOW);  delay(5);
    Delay = analogRead(0); Delay = map(Delay, 0, 1023, 60, 2000);
    digitalWrite(11, HIGH); delay(Delay); digitalWrite(11, LOW); delay(5);
    Delay = analogRead(0); Delay = map(Delay, 0, 1023, 60, 2000);
    digitalWrite(10, HIGH); digitalWrite(13, HIGH); delay(Delay);
    digitalWrite(10, LOW);  digitalWrite(13, LOW);  delay(5);
    Delay = analogRead(0); Delay = map(Delay, 0, 1023, 60, 2000);
    digitalWrite(9, HIGH); delay(Delay); digitalWrite(9, LOW); delay(5);
  } else {
    // По часовой стрелке
    Delay = analogRead(0); Delay = map(Delay, 0, 1023, 60, 2000);
    digitalWrite(9, HIGH);  digitalWrite(13, HIGH); delay(Delay);
    digitalWrite(9, LOW);   digitalWrite(13, LOW);  delay(5);
    Delay = analogRead(0); Delay = map(Delay, 0, 1023, 60, 2000);
    digitalWrite(10, HIGH); delay(Delay); digitalWrite(10, LOW); delay(5);
    Delay = analogRead(0); Delay = map(Delay, 0, 1023, 60, 2000);
    digitalWrite(11, HIGH); digitalWrite(13, HIGH); delay(Delay);
    digitalWrite(11, LOW);  digitalWrite(13, LOW);  delay(5);
    Delay = analogRead(0); Delay = map(Delay, 0, 1023, 60, 2000);
    digitalWrite(12, HIGH); delay(Delay); digitalWrite(12, LOW); delay(5);
  }
}

Скорость регулируется потенциометром на аналоговом входе A0. Переключатель на пине 6 меняет направление.

3D-модели

STL-файлы ротора и статора доступны на странице проекта (раздел Custom parts).

Схемы