A4988 Stepper Driver

Présentation

Une carte A4988 est une carte grand comme un timbre-poste entre un microcontrôleur et un moteur pas-à-pas bipolaire. Vous lui donnez deux signaux — une impulsion et une direction — et elle gère tout le reste : alimenter les bobines dans le bon ordre, et surtout réguler le courant qui y entre.

Ce second travail est celui qui compte et celui que l’on saute. Un enroulement de pas-à-pas est une inductance de faible résistance, typiquement 2 à 4 ohms. Brancher 24 V sur 2,8 Ω donne selon la loi d’Ohm 8,6 A, ce qui détruit un moteur 1,7 A en quelques secondes. L’A4988 l’évite en hachant l’alimentation des dizaines de milliers de fois par seconde, maintenant le courant moyen à la valeur réglée.

La carte n’a donc qu’un seul réglage : un potentiomètre qui fixe la limite de courant. Bien réglé, le pilote est invisible. Mal réglé, vous avez soit un moteur faible qui perd des pas soit un moteur chaud qui cuit.

Brochage

Deux broches expliquent la plupart des rapports « ça ne fait rien » : ENABLE laissée en l’air ou au haut (elle est active au bas, donc à tirer vers le bas), et RESET laissée en l’air (elle doit être au haut, d’où la consigne de ponter RESET vers SLEEP dans chaque guide).

Câblage vers un Arduino

Arduino 5V  ──── VDD
Arduino GND ──── GND (logic)  ──┬── GND (motor)
                                └── PSU −
PSU + (12–24 V) ──── VMOT ──┬── 100 µF electrolytic ──┘
                            
Pin 3  ──── STEP            RESET ──┬── SLEEP
Pin 4  ──── DIR                     
Pin 5  ──── ENABLE          MS1, MS2, MS3 ──── 5 V  (1/16 stepping)

Motor coil A ──── 1A, 1B
Motor coil B ──── 2A, 2B

Non-négociables :

• Électrolytique 100 µF entre VMOT et GND, physiquement proche de la carte. C’est la cause la plus fréquente d’une carte qui meurt à la mise sous tension.
• Masse commune entre l’Arduino et l’alimentation moteur. Sans elle, le signal STEP n’a pas de référence et le pilote ne voit que du bruit.
• Ne débranchez jamais le moteur sous tension. Une bobine alimentée interrompue produit un pic sans nulle part où aller.
• L’appariement des bobines compte ; la polarité dans une paire non. Si le moteur vibre sans tourner, les paires sont fausses. S’il tourne à l’envers, inversez deux fils d’une paire.

Régler la limite de courant — les nombres

Vref = I_phase × R_sense × 8

Mesurez Vref entre la vis métallique du potentiomètre et une broche de masse, avec VMOT alimenté et le moteur déconnecté. Visez 70–85 % du courant nominal du moteur : le dernier cinquième apporte très peu de couple et beaucoup de chaleur.

Lisez le marquage sur les deux résistances CMS noires près du bord inférieur avant de calculer. Régler 1,2 V sur une carte R050 demande 3 A dans un moteur prévu pour 1,7 A.

Utilisez un tournevis céramique. Un tournevis métallique qui ponte le potentiomètre vers autre chose sur une carte sous tension est une façon classique de détruire un pilote.

Ce que vous réglez, physiquement, est le couple crête que le moteur peut produire — le T_peak dans la loi en sinus qui gouverne tout ce que fait un pas-à-pas. Trop bas et le rotor traîne davantage pour la même charge et décroche plus tôt ; trop haut et vous avez de la chaleur inutile.

Micro-pas

Les trois au haut est le choix normal. Il faut être clair sur le pourquoi : le micro-pas ne rend pas la machine plus précise en charge — l’erreur causée par une charge est inchangée quelle que soit la finesse du pas. Ce qu’il fait, c’est empêcher le rotor de résonner à chaque pas, ce qui fait la différence entre une machine qui hurle et une qui ronronne, et entre une surface à ondulation visible et une sans.

Le coût est la fréquence d’impulsions. En 1/16 sur un axe à 80 pas/mm, 100 mm/s exigent 8 000 impulsions par seconde. Un Arduino Uno générant les pas en logiciel s’essouffle vers 10 000–15 000 par seconde, ce qui est un vrai plafond sur un axe à vis à 400 pas/mm.

Courant, chaleur et budget d’alimentation

La dissipation propre de l’A4988 est modeste — le problème est la densité thermique, pas les watts totaux. Environ 0,5 W par phase à 1 A dans un boîtier sans presque aucun cuivre pour diffuser. Les limites en pratique :

La protection thermique ne s’annonce pas. Le pilote s’arrête, le moteur s’arrête en plein mouvement, le pilote refroidit et redémarre, et ce que vous observez est un axe qui perd « aléatoirement » un bout de position. Un axe qui échoue plus souvent en fin de long travail, ou dans une pièce chaude, est thermique jusqu’à preuve du contraire.

Côté alimentation, rappelez-vous que le hacheur se comporte comme un convertisseur abaisseur : le courant tiré d’une alimentation 24 V est bien inférieur au courant de phase, alors budgetez en puissance plutôt qu’en additionnant les courants de phase. Chaque moteur à une limite de 1,2 A sur des enroulements 2,8 Ω dissipe environ 8 W, et cela quand il est alimenté — y compris à l’arrêt. Voir le budget d’alimentation du robot.

Code minimal fonctionnel

const int STEP_PIN = 3, DIR_PIN = 4, EN_PIN = 5;

void setup() {
  pinMode(STEP_PIN, OUTPUT);
  pinMode(DIR_PIN, OUTPUT);
  pinMode(EN_PIN, OUTPUT);
  digitalWrite(EN_PIN, LOW);        // active low — energise the coils
  digitalWrite(DIR_PIN, HIGH);
}

void loop() {
  for (int i = 0; i < 3200; i++) {  // one revolution at 1/16
    digitalWrite(STEP_PIN, HIGH);
    delayMicroseconds(2);           // datasheet minimum is 1 us
    digitalWrite(STEP_PIN, LOW);
    delayMicroseconds(300);         // this delay is the speed
  }
  delay(1000);
}

Bon pour un essai sur table, faux pour une machine : le rythme des pas passe directement à fond, ce qui au-delà du taux d’accrochage du moteur produit un bourdonnement sans mouvement. Utilisez AccelStepper ou votre propre profil de mouvement pour tout ce qui doit arriver quelque part. Vous pouvez voir exactement ce que cette commande non rampée fait au rotor dans le simulateur pas-à-pas.

Quel courant régler réellement

Le courant nominal sur l’étiquette d’un moteur suppose les conditions de refroidissement d’un banc d’essai — boulonné sur une grande plaque d’aluminium, dans de l’air calme à 25 °C. Votre machine est un support imprimé dans une pièce chaude.

Une règle pratique, avec le raisonnement plutôt que juste le nombre :

La raison pour laquelle le bas de gamme coûte moins cher qu’il n’y paraît est dans la seconde colonne. Le couple est proportionnel au courant, mais la chaleur est proportionnelle au courant au carré. Passer de 1,7 A à 1,2 A abandonne 29 % du couple et supprime la moitié de la chaleur :

1.7 A: P = 2 × 1.7² × 2.8 = 16.2 W per motor
1.2 A: P = 2 × 1.2² × 2.8 =  8.1 W per motor

Si le calcul de dimensionnement dit que vous utilisez 12 % du couple disponible, les 29 % abandonnés ne faisaient jamais rien.

Désalimenter, et la broche que la plupart des montages ignorent

ENABLE existe parce qu’un pas-à-pas brûle tout son courant réglé en restant parfaitement immobile. C’est le contraire de tout autre moteur rencontré par un débutant, et cela a des conséquences :

// Two energised NEMA 17s at 1.2 A dissipate ~16 W doing nothing at all.
digitalWrite(EN_PIN, HIGH);   // active low, so HIGH = coils off

Quand l’utiliser :

• Entre les travaux sur X et Y. Un traceur ou un portique laser n’a aucune raison de tenir sa position au repos, et 16 W de chaleur dans un cadre imprimé pendant une heure comptent.
• Jamais sur un axe Z portant une charge, sauf si le mécanisme est autobloquant. Une vis trapézoïdale T8 ne reculera pas, donc couper est sûr. Un Z par courroie chutera dès que vous coupez le courant.
• Jamais en plein mouvement. Le rotor continue, le champ non, et vous avez jeté la position sans moyen de savoir de combien. Arrêtez, puis désactivez.

Le piège qui surprend : après coupure, le rotor se cale sur le détent le plus proche — la position de repos magnétique sans courant — qui peut être jusqu’à un pas entier de là où il était tenu. Sur un axe courroie à 80 pas/mm cela fait 0,2 mm de mouvement non annoncé, donc soit refaites la prise d’origine après chaque coupure, soit acceptez que coupure au repos et précision sub-dixième ne vont pas ensemble.

SLEEP est la version plus profonde : elle coupe aussi le régulateur interne, tirant des microampères au lieu des milliampères, mais il lui faut environ 1 ms pour se réveiller et elle réinitialise la position de micro-pas interne du pilote au micro-pas d’origine. Ce dernier point est le piège — sortir de SLEEP peut décaler le moteur jusqu’à un plein pas. Pour presque toute machine loisir, ENABLE est la broche voulue et SLEEP est celle à ponter au haut et oublier.

Dépannage

A4988, ou les alternatives ?

Les lignes L298N et TB6612FNG figurent parce que les deux fiches techniques mentionnent les pas-à-pas, et les deux en feront techniquement tourner un. Ni l’un ni l’autre ne régule le courant, donc une fraction du couple et beaucoup de chaleur perdue. Ce sont des pilotes de moteurs CC ; utilisez-les pour entraîner des roues.

Les pilotes TMC valent le surcoût dès que la machine vit quelque part où on peut l’entendre. Même travail, forme de courant plus douce, et une imprimante équipée fait du bruit de ventilateur au lieu du bruit moteur.

Où il est utilisé

Ce pilote entraîne les deux axes de la construction traceur, et bien le régler est une étape du parcours mouvement de précision. Le guide complet de câblage et Vref détaille la procédure pas à pas.