Stepper motor with slider

I bought five of these on AliExpress. It's a stepper motor attached to a mechanism that makes a lineair movement very easy. I usually try to combine some plastic toy gears, or use a lever and a servo to create a linear actuator, but this seemed like a very neat idea. Too bad that usually these things don't come with a manual or a bit of technical data to get me started. However, this picture gave me enough info to know that I could definitely use it in a small project that will require four of these. I want to make a small platform that moves up and down, and these sliders could just do that.

Here's how it looks in action. This is not a live picture, but a small 360° animation I made while it was moving. But it's actually very close to the working speed of the motor. You can make it go faster, but then it loses a lot of its strength.


The tests I did were actually meant to see how much weight I would be able to move about when I use four of these. Although speed is of no importance for my project, I was also curious how fast it could move with no load attached to it.

In that case, it's a good idea to start the bipolar stepper motor at a lower speed and move it into the slew range (the shaded area in this graph). The highest speed was 18 cm/s, a point in the shaded area. I started at 10 cm/s (in start/stop range) and accelerated in a few steps.

For testing the strength of the mechanism (torque of the motor), I tried a very low speed of 2cm/s, a point far to the left in the start/stop area. The maximum load was 128g before it started skipping steps. This is pretty good for a small motor like this. My four motors would be able to lift 0.5 kg, which should be sufficient for my plans.

This is the result of the test:



The range of the slider is 5 cm. It takes 464 steps of the motor to complete one slide. This gives an accuracy of 0.11 mm per step. The windings have a resistance of 10 Ohm, the test was done with a 6V supply and at its maximum load, it drew about 450mA current from the power source, which would mean about 225mA per winding.

I used an Atmega8 microcontroller (compiled in Arduino environement) like this one and a L293D dual H-bridge to drive the motor. The scheme was exactly the same as in the previous link.

If it sounds too good to be true...

... it usually is!

Dat staat op elke website waar dingen verhandeld worden. Ik had al enige nare ervaringen met een auto die met een valse cheque betaald werd en vorig jaar zelfs één die helemaal niet bestond. Het zinnetje staat ook op websites als 2dehands en e-bay. Maar dus ook op mijn favoriet in China.

Ik weet het, ik heb dat hier al vaker gezegd dat AliExpress echt de max is als je koopjes zoekt in elektronicaland. Dit keer is het een beetje anders, want de prijs van deze stappenmotor was zo laag dat zelfs met alle verontwaardiging die ik al voelde vanwege lage prijzen op die site, dit keer wel écht wist dat het onmogelijk was.

Deze motor is een echte stappenmotor. Het woordje hoort hier thuis omdat ik al veel speelgoed kocht dat ongeveer hetzelfde doet - en waar ik trouwens heel tevreden over was - maar dit aanbieden voor 1.6$ is een typfout. Ik was zo zeker dat de leverancier het fout had ingegeven omdat ie op één dag verschillende types aanbood, allemaal per lot van 10 stuks. Als ik de prijs van de loten vergeleek met andere aanbieders, wist ik zeker dat ie zich vergist had. De prijs van één motor was ingegeven in het vakje 'prijs per lot'.

Dus de 16$ die per lot was aangegeven, moest per motor zijn. Dat is een eerlijke prijs voor een model zoals dit ding. Eerlijk wil dan nog zeggen de helft van de prijs tegenover een Belgische motor. Dan volgt een groot dilemma. Bestel ik de motor en hoop ik op een wonder of doe ik dat niet. Ik kan maximum 16$ besteden en in het slechtste geval heb ik één motor die deze prijs waard is. Wat er echt zou gebeuren? Ik verwachtte een tussenoplossing met een tegemoetkoming van de leverancier omdat ie een fout had gemaakt. Ik heb dat ooit gehad met microcontrollers die fout geprijsd waren: in die situatie betaal je uiteindelijk de prijs die erop staat voor iets waar je samen gelukkig mee bent. Ik deed daar toen ook een goeie zaak aan.

En uiteraard moest ik proberen. Ik bestel de motor en krijg een mailtje dat mijn betaling gebeurd is. De dag daarna ga ik op de site kijken, en ja hoor: nu staat er 16$ per stuk, dus 160$ per lot. Maar mijn bestelling is niet veranderd.

En dit werd vanmorgen geleverd:

Ja hoor, tien stuks voor 16$. Het zijn er tien hoor, de tiende staat op de vorige foto. Geen mailtje, geen "sorry ik heb iets verkeerd geprijsd, maar laten we iets regelen". Gewoon leveren wat ik besteld heb. Geniaal!

En ze werken echt goed hoor. Je ziet wellicht wel dat ze niet nieuw zijn, maar dat was ook aangegeven in de advertentie en dat stoort me niet, ze zijn in heel goede staat.

Eén klein tegenvallertje, maar dat is mijn schuld. Ik had zo op de foto kunnen nameten hoe groot dat tandwiel is, en besloot dat de motor moest passen op de speelgoedtandwieltjes die ik hier en mass heb liggen. Helaas scheelt het één maatje. Het beweegt wel, maar het maakt een vreemd geluid omdat de tandjes niet exact passen. Links is hoe het moet, rechts is de motor nu.

Maar dat kan de pret niet derven, ik los dat wel op. Nu de volgende vraag: wat ga ik in godsnaam doen met tien stappenmotoren? Ik riep een tijd geleden hier nog dat ik een CNC machine wou. Ik begin al te denken. Een kleintje zou toch moeten lukken hè. Ik heb motoren ;-)

If it sounds too good to be true... it usually is.

Usually hè !

Change unipolar 28BYJ-48 to bipolar stepper motor

Now here's something I was not expecting. Previously, I tried to drive this stepper motor with the driver board that came with the motor. My main goal was of course keeping the accuracy of the tiny motor safe and then testing at which speed I could get the maximum torque it could produce. Depending on the driving method, I came up with 300gcm when it was driven using half stepping and 380gcm when I switched to full stepping. Those were actually good results considering that the datasheet predicted these numbers more or less.

Now this kind of motor is not really up-to-date with modern technology. Unipolar stepper motors are not that common anymore. Bipolar steppers are twice as efficient with the same amount of copper on the internal windings. Even in full stepping mode, a unipolar stepper still has 2 out of four wires not active all the time. So basically, if there was a way to run current through all windings in the motor at all times, the thing would be stronger and faster.

That's what happens in a bipolar stepper motor. It has only two windings instead of four in a unipolar stepper. Both windings can be activated all the time, but their polarity is switched in four steps. This means that this kind of motor only has four wires instead of 5 (or 6 or 8). The tricky part is changing the polarity. That cannot be achieved by the simple driver board that came with this motor. It only activates one or two out of four outputs, but current always flows in one direction.

What if we could change the wiring of this motor, thus converting it to a bipolar model? All you would need to do is cut the red wire in the scheme above and then ignore the center connection marked 2+3+6+7. The result would be something like the left drawing.

I found out that this is very easy with this motor. All you need is a sharp knife and a tiny screwdriver. Use the latter to remove the blue plastic cap that hides a small PCB. On this PCB, you can see eleven solder points. All it does is fixate the wiring of this stepper (which can be either unipolar or bipolar by design) into a unipolar type by connecting the center of the two windings. If we cut this connection and ignore it in our scheme, what's left is a real bipolar stepper motor.






This is what the PCB looks like in detail. The red connection in the scheme above is actually the copper connection in this picture that I cut with a cutter knife. That's all you need to do! Well, for your own peace of mind, you could also try to re-attach the blue plastic cover. And now, ignore the red wire of the motor. We don't need it anymore.




But now we have a motor without a driver board. What you need is a H-bridge type which luckily exists in small packages if you're not going to drive heavy machinery. I used a L293D 16 pins DIP chip which I found online for $5.5 for ten chips.

I drew up this scheme that I used to drive the motor with an Arduino (actually I used an Atmega8 on a breadboard doing exactly the same thing, only a bit slower). I'm using 9V on the motor in this test since windings are twice as long as in the original version. I guess you could go much higher than that, this thing never heated up in my test.

My simple code example to drive it can be found here.

Finally, most importantly, my torque test resulted in :

800gcm !!

which is at least twice as much as full stepping unipolar (380gcm) and almost 3x more powerful than my half stepping unipolar test (300gcm)

Basically, if I cut one wire in the motor, it gains almost 3 times its original strength.

I like it! A lot! :)

Stepper motor 28BYJ-48

This is the English version of this earlier blogpost.
Also check this blogpost on how to change the motor into a bipolar model with a lot more torque.

This must be the cheapest stepper motor I know. I guess the reason why it's so popular among hobbyists is simple: its price. I don't know many real steppers cheaper than 20€ and if you find one, you still need to take into account that it usually runs at high currents, so driving the thing with a microcontroller takes some high power circuitry which again is way too expensive for my purposes. I just want to have some fun with small projects where torque and speed are not really main issues. Accuracy is, though!

That's why I bought a whole bunch of these on AliExpress.com. If you buy larger quantities (which usually is the only option on that site), these babies only cost $2.5 each.

That's even including this small driver board equipped with a ULN2003 chip. That little thing makes driving the motor with an Arduino real easy and really really really cheap.


I found this datasheet which is actually describing the 12V version of the motor, but I don't see any difference between the two versions, other than its voltage. I prefer my 5V version though because it gives me the opportunity to use the thing in battery operated projects. There's no need for seperate power sources for the motor and the project that it belongs to. I also found this wiki page online with a lot of info on the motor.

Using the driverboard on an Arduino is real easy. All you need is four outputs that connect to four of the seven circuits in the ULN2003 chip on the small board. Actually three inputs of the chip remain unused, you could even drive some extra high power things like a power LED or a relay with the board. The inputs are there (inputs 5,6,7) but accessing the outputs might be a bit more tricky.

Now basically, all you should do is switching on the four outputs you defined in your Arduino program one by one. That's what makes the motor turn in on direction. Reversing the order would change its direction. If you repeat these steps about 500 times, then the motor should do almost one revolution. The word almost is a bit strange when used in this context, I'll try to clear that up a bit further. All this seems pretty straight forward and of course: it is. Too bad that it doesn't work that way. Ik had to search a bit further, because driving a thing like this (a unipolar stepper motor) can be done in a few different manners, as I found out later.

My gut feeling was not wrong. It just doesn't work on this motor. This table shows four different ways of driving a unipolar stepper, and the first one is called wave drive. That's what my initial thougts were, but again: it doesn't work with this motor. I tried it, but most of the time it didn't even start. When it did, there was no torque whatsoever and it made the little thing completely useless.

Half stepping is what it should be according to the manufacturer. That's number three in this table. It's a bit more complicated, but not that big a deal. All you need to do is use 8 steps instead of 4. If you would name the wires A,B,C and D, then the scheme would be the following: first activate wire A, then A and B together, then only B, then B and C together... and so on. So half the time, there's one wire active and the rest of the time there's two wires active. It should give the motor the smoothest movement and that's probably the reason why this is what the datasheet recommends. Well, actually it just says to do it like this. There's no alterative in the sheet. According to this table, there's a better way if you worry about torque, because half stepping only provides about 70% of the maximum torque available.

If you really want the full potential, try the second option called Full stepping. Get back to four steps, but this time always put a voltage on two of the four wires. The scheme would be AB, BC, CD an DA. This gives the motor its full torque.

There's a fourth way to drive a stepper motor, that's using Microstepping. That takes expensive circuitry, so I won't bother about that for this page.

But my first concern was definitely its accuracy and torque. Though moving heavy objects is not really my goal, the worst nightmare when driving stepper motors must be that the thing skips steps due to a heavy load. You probably wouldn't notice this phenomenon at first, but when you want to move an object at an angle of exactly 46,7° in one direction, then this is a major concern. The application that I have in mind for this motor requires this kind of accuracy, and if a part that only costs $2.5 could accomplish that, it would make me one happy camper.

That's why I did the following tests. I made this little Youtube clip which only shows half stepping. I tried measuring the real torque of the motor, because the initial tests using this wave drive method went completely wrong. With half stepping being the prefered method according to the datasheet, this would be my next approach. I want to know what torque to expect in real life, and equally important: at which speed it can do this. This is the result:



First of all, I measured one piece of important information. Its current is about 120mAmps in half stepping. Theoretically, that would take it to 160mAmps in full stepping, but I never measured this.

But again, the major concern was torque and speed. A torque of 300 gcm (0,03 Nm / 4.25 oz inch - nice conversion website here) can be measured by applying 300g weight on a lever of exactly one cm distance away from the center of the rotor. This is not very convenient in real life, so I tried a lever of 10cm with a weight of 30g attached at the end.

300 gcm was no problem, but when I tried 350, the motor hesitated. It was missing steps, as you can see when it returned and pushed away the whole construction. These tests were done at a a speed of 333pps (pulses per second in some datasheets) or 3ms delay between pulses. At this speed, one revolution takes 12.6 seconds.

I tried to speed things up to 500pps (2ms delay between steps), but then the motor also failed the test. The maximum speed without any load was 800 pps (1.2 ms delay or 5.0 seconds for one revolution). At higher pulses, the motor just stopped.

I also tried full stepping when no camera was running, and I found that 380 gcm was its maximum torque at 333 pps (3ms delay). Those numbers produce the absolute max torque this motor can produce (when connected as unipolar with the driver board that's included, check this blogpost to see how I converted this motor into a bipolar model, which increased its torque even more dramatically!!). Why full stepping is not the preferred method is not clear to me, it just says so in the datasheet. I found no downside to this method, the motor does not seem to make more noise or run less fluently than in half stepping.

The number of steps in one revolution is a bit of a mystery to me. I found different numbers online, but all tests I did resulted in 508 or 509 steps for one revolution. 508 doesn't really make a complete turn, and 509 overshoots the 360° a bit.

The truth no doubt lies somewhere between the two. What bothered me was the fact that it's not an integer value. Probably this is due to the fact that these motors are geared internally. Also, there seem to be a few versions of the motor on the market and not all models seem to have the same gearset inside. I found this topic that talks about this strange phenomenon.

Another really major problem is the fact that I measured a lack of almost 6° when the motor changes direction. This problem is huge when I need to be as accurate as I mentionned earlier. There's an easy solution though, and I plan to make a manual correction with the software that drives the motor. My plan is to always move the motor in one direction for accurate positioning. If I do need to move back, I'll overshoot 10° and move back. This keeps the gears always positioned in one exact direction.

I wrote some very simple Arduino code, which you can find here. Four functions define the two methods half stepping and full stepping. You can choose to test one function by uncommenting it in the major loop(). The half stepping functions are called forwards() and backwards(), full stepping is accomplished by uncommenting forwardsFull() or backwardsFull(). It may be a good idea to set all outputs back to LOW afterwards (function motorOff()).

Lightbox 360: The making of

1 2 3 4

Uiteraard is daar aardig wat werk in gekropen, maar het is dan ook een project waar ik een hele tijd geleden al mee startte.

En het fijne was zeker dat het helemaal niet enkel over elektronica gaat, maar ook zowat alles wat een nerd kan doen om zich wat bezig te houden. Dat ging van het zoeken naar een oplossing om het gat van de display een beetje netjes uit te frezen (in deze blog) tot het testen van het fototoestel met als extra funfactor een ultrasone sensor die een foto neemt als je op één meter afstand een voorwerp voor je toestel brengt (in deze blog). Ik deed ook wat testjes van componenten, vooral dan de goedkope Chinese stappenmotor (in deze blog) die nu vaak wordt gelezen via Google Translate. Ik had dus de pagina beter in het Engels gemaakt, zoals ik het origineel had gepland ;-)

Verder was het natuurlijk vooral solderen, programmeren en zelfs één keer spelen met een laser. Waarom dat nodig was, kan je onder andere zien in dit 'making of' filmpje.

Stepper motor 28BYJ-48

This page is written in Dutch. The English version can be foud here.

Wellicht is dit de meest verkochte stappenmotor ter wereld onder de hobbyisten. Daar is maar één enkele, doch zeer goede reden voor: de prijs. Een echte stappenmotor die naam waardig kost al gauw 20€ zonder besturing. Als je die apart moet aanschaffen en de kosten van een degelijke goede voeding rekent, kom je al snel aan 50€.

Het spreekt voor zich dat het voor de meeste toepassingen die in de hobbysfeer zitten niet haalbaar is. Zeker niet als je meer dan één motor nodig hebt. Of als je zoveel plannen hebt dat je best een lot van tien stuks bestelt.



Op AliExpress.com kocht ik hier zo'n lot aan 2,5$ per motor, dat is inclusief het driverbordje.


Een datasheet kan je hier vinden. Dit is wel de 12V versie, maar buiten de spanning is er geen verschil tussen de motoren. Het leuke aan mijn 5V versie is dat ik ze mee op de batterijvoeding kan aansluiten die de microcontroller van spanning voorziet. Er bestaat ook een wiki pagina waar je alle details kan vinden. Die vind je hier

Je kan de motor via het driverbordje aansluiten op een Arduino of eender welke microcontroller. Het driverbordje bevat een ULN2003 chip. Het enige dat die doet is de vier kanalen meer stroom geven omdat een standaard uitgang van de Arduino slechts 40mA kan jeveren. Vier uitgangen van je Arduino sluit je aan op het bordje en die kan je dan één na één onder spanning zetten waardoor de motor één stapje zal maken in één richting. Doe je dit zo'n 500 keer na elkaar (niet exact 500, zie verder), dan heeft de motor één omwenteling gemaakt. Als je de volgorde omkeert, zal de motor in de andere richting draaien. Iets wat op 't eerste zicht erg simpel leek, bleek toch heel wat voeten in de aarde te hebben. Er zijn namelijk enkele manieren om dit soort motor (een unipolaire stappenmotor) te besturen.

Mijn buikgevoel zei dus om het op de manier die ik net beschreef te doen. Dat is wat men in deze tabel wave drive noemt. Voor deze motor is dat heel simpel: het werkt niet! Als de motor al enige moeite deed om te starten, dan gaf hij geen enkele kracht en hij was sowieso nutteloos met deze sturing.

Dan heb ik toch maar de manier gevolgd die in de datasheet staat. Half stepping is de derde in de tabel. Je gaat nu 8 stappen doen in plaats van 4. Het is de meest elegante manier om de motor te laten draaien. Als je even de draadjes A,B,C en D zou benoemen, ga je eerst A activeren, dan A en B samen, dan B, dan B en C samen, enzovoort. Je zal dus de helft van de tijd 2 draden onder spanning zetten en de andere helft van de tijd maar één draad. Omdat er nu acht stapjes zijn, zal de motor niet gemakkelijk schokken en de beweging is heel erg vloeiend. Maar op deze manier haal je niet de maximale kracht (koppel) uit de motor (70%).

Dat kan je wél met de tweede manier uit de tabel. Full stepping wil zeggen dat altijd twee van de vier draadjes onder spanning staan. Nu bereikt de motor zijn maximale koppel.

De vierde manier , Microstepping, vraagt dure elektronica om de motor te besturen, dus daar houden we ons zeker niet mee bezig.

Wat me nu vooral bezighield was toch wel de nauwkeurigheid en het koppel. Niet dat ik zo'n zware objecten in beweging wil zetten, maar de nachtmerrie bij het besturen van een stappenmotor is het feit dat ie stapjes overslaat omdat de belasting te groot is. Je merkt dat niet op het eerste gezicht, maar als je bijvoorbeeld de motor exact 46,7° wil draaien in één bepaalde richting, dan is dat van levensbelang. En de toepassing in mijn hoofd heeft nood aan zo'n nauwkeurigheid. Als dat met een onderdeel van 2,5$ zou kunnen, dan zou ik daar heel erg vrolijk van worden.

Vandaar de volgende testjes. De testjes in het filmpje gaan enkel over half stepping. Ik wou het echte koppel nameten met een test. En ik wou vooral weten met welke snelheid die kracht nog haalbaar is. Als de motor te snel draait, kan hij minder kracht verplaatsen. Dat zijn gegevens die ik nergens in datasheets kon terugvinden. Dit is het resultaat:



Eerst en vooral, en dat was voor mij belangrijk om weten, de motor verbruikt een stroom van rond de 120mA in half stepping. Bij full stepping zal dat in principe 160mA zijn, maar dat heb ik niet getest.

Maar het was hem te doen om de belasting en snelheid. Een koppel van 300 gcm kan je nameten door aan een hefboom op de motor een gewicht van 300g op één centimeter van het midden van de rotor de hangen. Als de motor dat aankan, is ie dus sterk genoeg om dat koppel te leveren. In de praktijk is dat te moeilijk, dus ik neem een hefboom van 10 cm en een gewicht van 30g.

300gcm haalde hij dus makkelijk, bij 350gcm begon de motor te sputteren (hij miste stappen). Dit gebeurde bij een snelheid van 333pps (pulses per second in sommige datasheets) of 3ms tussen de pulsen. Bij deze snelheid duurt één omwenteling 12,6 seconden.

Ik heb de snelheid opgedreven tot 500pps (2ms vertraging tussen de stappen), maar dan kon de motor ook niet meer volgen. De maximale snelheid zonder belasting was bij mij zo'n 800 pps (1,2 ms delay of 5,0 seconden voor één omwenteling). Bij hogere pulsen valt de motor helemaal stil.

Full stepping heb ik buiten beeld ook uitgetest, en het maximum koppel dat ik kon halen was 380gcm bij 333pps (3ms delay). Met deze laatste cijfers haal je dus het meeste kracht uit de motor, maar het is niet de aangeraden manier van besturen. Waarom precies weet ik niet, het staat gewoon zo in de datasheet.

Het aantal stappen per omwenteling is een beetje een mysterie. Ik vond verschillende waarden online terug, maar de testjes die ik deed gaven telkens 508 of 509 aan. Bij 508 haalt ie net geen volledige omwenteling, en 509 is dan weer iets meer dan 360°.

De waarheid ligt dus in 't midden, alleen is het vreemd dat dit niet op een geheel getal uitkomt. Het feit dat er een sterke vertraging ingebouwd zit, heeft er wellicht mee te maken. Er zijn blijkbaar ook verschillende versies van dit motortje te vinden, en de vertraging variëert van model tot model. Hier vond ik een topic dat dit vreemde gedrag aankaart.

Er komt nog een behoorlijk groot probleem bij, en dat is het feit dat ik een speling meet van wel 6° op de rotor. Dat komt natuurlijk door die tandwieltjes en daar kan je weinig aan veranderen. Ik ben van plan om dit softwarematig te omzeilen door slechts in één bepaalde richting te draaien om een juiste positie te bepalen. Als de motor toch een exacte positie moet innemen in de andere richting, laat ik hem eerst 10° terugdraaien om zo telkens in dezelfde draairichting de motor te stoppen.

Je kan hier mijn Arduino code bekijken. Er zijn vier functies voorzien die je kan kiezen in het hoofdprogramma loop() door ze uit commentaar te halen. De standaard functies voor half stepping heten forwards() en backwards(), de full stepping varianten heb ik forwardsFull() en backwardsFull() genoemd.

Thermostaat 3/3

pagina 1 2 3

Het is pas als je klaar bent dat je doorhebt wat je allemaal beter had kunnen doen. De truuk met de condensator en het toetsenbord kan eenvoudiger als ik enkel weerstanden gebruik en één analoge ingang. Helaas waren die al opgebruikt toen ik begon aan het toetsenbord. De sensoren kan ik nog veel efficiënter inlezen. Nu gebruik ik 4 ingangen om 2 temperaturen te lezen, als ik me erop toeleg kan dat zelfs met één ingang.

Maar vooral: alles kan zeker tien keer goedkoper. Ik zou nu nooit nog een stappenmotor van meer dan 30€ kopen en tandwielen die nog eens zoveel kosten. Voor een paar dollar koop ik een kleine DC motor met een gigantische ingebouwde vertraging. Dan heb ik geen tandwielen meer nodig, geen zware voeding, geen motorshield. Het openen en sluiten van de verwarming kan nu op 2 seconden, maar dat is zinloos. Het mag best 2 minuten zijn, dat maakt geen enkel verschil. Alleen, toen ik ermee begon wist ik nog niks van tandwielen, vertragingen, DC motors en servo's. Je begint met wat je al kent, da's niet abnormaal.

De volgende stap is de Arduino omzeilen en rechtstreeks de Atmega microcontroller programmeren. De stap daarna is hetzelfde doen in machinetaal. Met die microcontrollers was ik al een tijd geleden begonnen maar ook nu laten de nodige onderdelen op zich wachten. Solderen lukte dus al, programmeren nog niet.

En er zijn de extra ideetjes voor het project zelf: ik heb draadloze verbindingen klaar om de temperatuur buiten te meten. Een USB verbinding om de temperaturen op de PC te meten en grafieken te tonen. Een Ethernet shield om de thermostaat in mijn netwerk te plaatsen en te besturen via een webinterface.

Maar voor nu: ik heb een thermostaat die werkt. Dit is in 't kort wat ie allemaal regelt:



En hij draait! Daar zijn bewijzen van :-)