Driver per motore passo-passo A4988

Che cos’è

Una scheda portante A4988 è una scheda piccola come un francobollo che si colloca tra un microcontrollore e un motore passo-passo bipolare. Le dai due segnali, un impulso e una direzione, e fa il resto: eccita le bobine nella sequenza giusta e, soprattutto, regola quanta corrente fluisce in esse.

Questo secondo compito è quello importante, ed è quello che le persone saltano. Un avvolgimento di un motore passo-passo è un induttore a bassa resistenza, tipicamente da 2 a 4 ohm. Colleghi 24 V a 2.8 Ω e la legge di Ohm dà 8.6 A, che distrugge in pochi secondi un motore da 1.7 A. A4988 lo evita attivando e disattivando l’alimentazione decine di migliaia di volte al secondo e mantenendo la corrente media al valore impostato.

Quindi la scheda ha esattamente una regolazione: un trimmer che imposta il limite di corrente. Se è corretta, il driver è invisibile. Se è sbagliata, hai un motore debole che perde passi oppure uno caldo che si rovina.

Piedinatura

Due pin spiegano la maggior parte dei report «non fa nulla»: ENABLE lasciato flottante o alto (è attivo a livello basso, quindi deve essere portato verso massa) e RESET lasciato flottante (deve essere alto, motivo per cui ogni guida al cablaggio dice di collegare RESET a SLEEP).

Cablaggio ad 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

Requisiti non negoziabili:

• 100 µF elettrolitico tra VMOT e GND, fisicamente vicino alla scheda. È la causa più comune della morte di una scheda all’accensione.
• Massa in comune tra Arduino e alimentazione del motore. Senza di essa il segnale STEP non ha riferimento e il driver vede rumore.
• Non scollegare mai il motore mentre è alimentato. Un’interruzione di una bobina eccitata produce un picco senza destinazione.
• L’accoppiamento delle bobine conta; la polarità all’interno di una coppia no. Se il motore ronzza senza girare, le coppie sono sbagliate. Se gira nel verso opposto, scambia due fili di una coppia.

Impostazione del limite di corrente: i numeri

Vref = I_phase × R_sense × 8

Misura Vref tra la vite metallica del trimmer e un pin di massa, con VMOT alimentato e il motore scollegato. Punta al 70–85% della corrente nominale del motore: l’ultimo quinto aggiunge pochissima coppia e molto calore.

Leggi la marcatura sulle due resistenze SMD nere vicino al bordo inferiore prima di calcolare. Impostare 1.2 V su una scheda R050 chiede 3 A attraverso un motore nominale da 1.7 A.

Usa un cacciavite ceramico. Uno metallico che collega il trimmer a qualcos’altro su una scheda alimentata è un modo ordinario di distruggere un driver.

Quello che stai impostando fisicamente è la coppia di picco che il motore può produrre, il T_peak nella legge del seno che governa tutto ciò che fa un motore passo-passo. Troppo bassa e il rotore ritarda ulteriormente rispetto allo stesso carico e scivola prima; troppo alta e ottieni calore inutile.

Micro-passi

Tutti e tre a livello alto è la scelta normale. Vale la pena chiarire il perché: i micro-passi non rendono la macchina più precisa sotto carico; l’errore causato dal carico non cambia con la finezza della divisione del passo. Evita invece che il rotore risuoni a ogni passo: è la differenza fra una macchina che urla e una che ronzia, e fra una superficie con ondulazioni di passo visibili e una senza.

Il costo è la frequenza degli impulsi. A 1/16 su un asse da 80 passi/mm, 100 mm/s richiedono 8 000 impulsi al secondo. Un Arduino Uno che genera i passi manipolando direttamente i bit esaurisce la capacità intorno ai 10 000–15 000 al secondo, un limite reale per un asse a vite senza fine a 400 passi/mm.

Corrente, calore e budget di alimentazione

La dissipazione propria dell’A4988 è modesta: il problema è la densità termica, non il totale in watt. Circa 0.5 W per fase a 1 A in un contenitore con quasi nessun rame su cui diffonderlo. I limiti pratici:

La protezione termica non si annuncia. Il driver si ferma, il motore si ferma a metà movimento, il driver si raffredda e riparte, e ciò che osservi è un asse che perde apparentemente a caso un tratto di posizione. Un asse che fallisce più spesso verso la fine di un lavoro lungo, o in una stanza calda, è un problema termico finché non viene dimostrato il contrario.

Sul lato dell’alimentazione, ricorda che il chopper si comporta come un convertitore buck: la corrente prelevata da un’alimentazione a 24 V è ben inferiore alla corrente di fase, quindi dimensiona in base alla potenza, non sommando le correnti di fase. Ogni motore con avvolgimenti da 2.8 Ω e limite di 1.2 A dissipa circa 8 W, e lo fa ogni volta che è eccitato, anche da fermo. Vedi il budget di alimentazione del robot.

Codice funzionale minimo

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);
}

Ottimo per un test sul banco, sbagliato per una macchina: la frequenza dei passi sale direttamente al massimo e, sopra la velocità di richiamo del motore, produce un ronzio senza movimento. Usa AccelStepper o il tuo profilo di movimento per qualsiasi cosa che debba arrivare da qualche parte. Puoi osservare esattamente che cosa fa al rotore quel comando senza rampa nel simulatore di motori passo-passo.

Quale corrente impostare davvero

La corrente nominale sull’etichetta del motore presuppone le condizioni di raffreddamento di un banco di prova: bloccato su una grande piastra di alluminio, in aria ferma a 25 °C. La tua macchina è una staffa stampata in una stanza calda.

Una regola operativa, con il ragionamento e non soltanto il numero:

Il motivo per cui l’estremo inferiore costa meno di quanto sembra è nella seconda colonna. La coppia è proporzionale alla corrente, ma il calore è proporzionale al quadrato della corrente. Passare da 1.7 A a 1.2 A sacrifica il 29% della coppia ed elimina metà del calore:

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

Se il calcolo di dimensionamento dice che stai usando il 12% della coppia disponibile, il 29% cui hai rinunciato non stava facendo nulla.

De-eccitazione e il pin che quasi tutte le costruzioni ignorano

ENABLE esiste perché un motore passo-passo consuma la propria corrente nominale anche da perfettamente fermo. A differenza di ogni altro motore che un principiante incontra, questo comporta conseguenze:

// 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

Quando usarlo:

• Tra un lavoro e l’altro sugli assi X e Y. Un plotter o un portale laser non ha motivo di mantenere la posizione mentre è inattivo, e 16 W di calore in una struttura stampata per un’ora sono sufficienti.
• Mai su un asse Z che sostiene un peso, a meno che il meccanismo non sia autorecante. Una vite senza fine T8 non consente il movimento in senso inverso, quindi la de-eccitazione è sicura. Un asse Z a cinghia cade appena interrompi la corrente.
• Mai a metà movimento. Il rotore continua a girare, il campo no, e hai perso la posizione senza sapere di quanto. Fermati, poi disabilita.

La particolarità che colpisce è che dopo la de-eccitazione il rotore si assesta sul dente di riposo più vicino, la posizione magnetica che ha senza alcuna corrente, che può essere fino a un passo intero di distanza da dove veniva trattenuto. Su un asse a cinghia da 80 passi/mm sono 0.2 mm di movimento non annunciato, quindi o esegui di nuovo l’azzeramento dopo ogni disabilitazione oppure accetta che disabilitazione a riposo e accuratezza sub-decimale non convivono.

SLEEP è la versione più profonda: spegne anche il regolatore interno, assorbendo microampere anziché milliampere, ma richiede circa 1 ms per svegliarsi e ripristina la posizione interna del driver rispetto al micro-passo di riferimento. Quest’ultima parte è la trappola: risvegliarsi da SLEEP può spostare il motore fino a un passo intero. Per quasi ogni macchina hobbistica vuoi ENABLE e SLEEP è il pin che porti a livello alto con un ponticello e dimentichi.

Risoluzione dei problemi

A4988 o le alternative?

Le righe L298N e TB6612FNG ci sono perché entrambe le schede tecniche menzionano i motori passo-passo e entrambe tecnicamente riescono a girarne uno. Nessuna regola la corrente, quindi ottieni una frazione della coppia e molto calore sprecato. Sono driver per motori DC; usali per pilotare ruote.

I driver TMC valgono i soldi in più appena la macchina vive in un luogo in cui puoi sentirla. Stesso compito, forma d’onda di corrente più uniforme e una stampante che li usa produce il rumore della ventola anziché quello del motore.

Dove viene usato

Questo driver alimenta entrambi gli assi della costruzione del plotter a penna e configurarlo correttamente è un punto di controllo nel percorso di apprendimento sul movimento di precisione. Il cablaggio completo e la procedura per Vref illustrano ogni passaggio.