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Arduino e Motori DC

Struttura motore DC Esploso di un motore DC
Struttura motore DC Motore DC

I motori a corrente continua (DC dall'inglese direct current) hanno soltanto due fili (positivo e negativo). Per farli girare è sufficiente alimentarli con una piccola batteria (in genere 5V sono sufficienti). Al loro interno è presente un magnete permanente, situato sul corpo cilindrico (1), un'elettrocalamita situata sull'asse (2) e dei contatti struscianti (spazzole) che alimentano l'elettrocalamita (3). Applicando una tensione l'elettrocalamita si polarizza in maniera opposta al magnete e tende a ruotare per allineare il suo Nord con il Sud del magnete e viceversa. I contatti struscianti sono disposti in modo tale da invertire la polarità dell'elettrocalamita ogni mezzo giro, quando essa si allinea col magnete. Questo fa sì che l'asse continui a ruotare, finché riceve corrente, senza mai stabilizzarsi.

Le spazzole comportano una spesa in energia, infatti i motori dc assorbono una corrente che Arduino non è in grado di erogare dai suoi pin: per questo si usano uno o più componenti di collegamento fra il cervello e l'attuatore: un transistor oppure un ponte H .

Metodo 1: transistor

Il modo più semplice per far girare un motore DC è usare un transistor, se riesci a procurartene uno, usa un transistor darlington TIP120, altrimenti va bene un generico NPN.

transistor

Il transistor funge da interruttore elettronico: applicando la tensione di 5V sulla base tramite un pin digitale di Arduino, emettitore e collettore vengono "connessi", cortocircuitati, permettendo così il passaggio della corrente. Il motivo per cui è necessario un transistor che preleva la tensione da un connettore esterno è che può sopportare correnti di centinaia di milliAmpere, a differenza di un pin di Arduino che ne può erogare solamente alcune decine, insufficienti a far ruotare un motore. Questo metodo è vantaggioso perché richiede un solo pin di Arduino, ma può far girare il motore in una sola direzione.
Vediamo un primo circuito con un transistor e un pulsante: il programma manterrà il motore acceso finchè il pulsante è premuto.

transistor con bottone

Analizziamo i collegamenti: la base del transistor è collegata al pin 9 attraverso una resistenza, che nello schema vale 1kΩ; l'emettitore a massa; il collettore ad un piedino del motore; l'altro terminale del motore va connesso ad un'alimentazione esterna, come una batteria. Ai due terminali del motore è necessario inoltre collegare un diodo, con polarità contraria a quella della corrente che lo alimenta: serve per evitare cortocircuiti mentre il motore rallenta o in caso venga ruotato manualmente. Infine, colleghiamo un piedino del bottone al pin 2 di Arduino e l'altro piedino a massa.

Questo è il listato di Arduino per il circuito sopra.

const int bottone = 2;     // pin del bottone
const int motore =  9;     // pin del motore

void setup() {
	// inizializza il bottone come input con pull-up
	// e il motore come output
	pinMode(motore, OUTPUT);
	pinMode(bottone, INPUT_PULLUP);
}

void loop(){
	// Il motore ha lo stesso stato del bottore,
	// ovvero se premi il bottone, il motore gira
	digitalWrite(motore, digitalRead(bottone));
}

Un secondo esempio, mostra come è possibile modulare la velocità del motore grazie il PWM ruotando un potenziometro, collegato al pin analogico A0:

transistor con potenziometro
const int potenziometro = 0;	// pin del potenziometro
const int motore = 9;	// pin del motore

void setup() {
	// inizializza il motore come output
	pinMode(motore, OUTPUT);
}

void loop(){
	// Riporta il valore analogico da 0-1023 a 0-255
	byte valore = map(analogRead(potenziometro),0,1023,0,255);
	// Il motore gira con velocità proporzionale alla rotazione del potenziometro
	analogWrite(motore,valore);
}

Metodo 2: Ponte H

Il ponte H è un chip che contiene un po' di transistor di potenza e diodi di sicurezza, e consente di pilotare due motori DC (in entrambi i versi). In questo esempio si usa un L293D, ma il funzionamento è analogo per il SN754410NE, adatto per motori che richiedono più corrente.

Pinout e collegamenti ponte H Vista breadboard ponte H

Anche se i collegamenti dovrebbero essere chiari, mi soffermo su alcuni dettagli che ritengo importanti: l'alimentazione dei motori (motor supply, pin 8) non dovrebbe essere connessa ai 5V di Arduino perché, come spiegato prima, non eroga corrente a sufficienza. Va invece collegato al pin VIN, oppure ad una batteria esterna;
I pin di enable (1 e 9) servono per attivare i due motori: si presuppone che questi siano sempre in funzione, per cui puoi collegarli ai 5V; Infine, se vuoi usare solo un motore, basta omettere i pin che riguardano il motore2 (9-10-11-14-15);

Gli input controllano lo stato dei relativi output: il motore gira applicando segnali opposti sulla coppia di input, e negli altri casi il motore è fermo.

Input 1 Input 2 Motore
HIGH LOW Senso "orario"
LOW HIGH Senso "antiorario"
LOW LOW Stallo
HIGH HIGH Stallo
#define motorel 9
#define motorer 10

void setup() {
	// inizializza il bottone come input
	// e il motore come output
	pinMode(motorel, OUTPUT);
	pinMode(motorer, OUTPUT);
	pinMode(bottone, INPUT);
}

void loop(){
	// Tenendo premuto il bottone si inverte il senso di rotazione
	digitalWrite(motorel, digitalRead(bottone));
	digitalWrite(motorer, !digitalRead(bottone));
	delay(50);	// Una piccola pausa per evitare "rimbalzi di segnale"
}

Anche con il ponte H puoi utilizzare i piedini PWM per variare la velocità dei motori.

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