Driver de motor de passo A4988

O que é

A placa adaptadora A4988 tem o tamanho de um selo postal e fica entre um microcontrolador e um motor de passo bipolar. Você fornece dois sinais—um pulso e uma direção—e ela cuida do resto: energizar os enrolamentos na sequência correta e, o que é essencial, regular a quantidade de corrente que entra neles.

Esse segundo trabalho é o que importa e também é o que as pessoas ignoram. Um enrolamento de motor de passo é um indutor de baixa resistência, normalmente de 2 a 4 Ω. Aplicar 24 V a 2,8 Ω resulta, pela lei de Ohm, em 8,6 A, que destruirá um motor especificado para 1,7 A em segundos. O A4988 evita isso comutando a alimentação dezenas de milhares de vezes por segundo e mantendo a corrente média no valor definido.

Portanto, a placa tem exatamente um ajuste: um potenciômetro que define o limite de corrente. Se o ajuste estiver correto, o driver fica invisível. Se estiver errado, você terá um motor fraco que perde passos ou um motor que aquece e queima.

Pinagem

Dois pinos explicam a maioria dos relatos de “não faz nada”: ENABLE flutuante ou em HIGH (ele é ativo em nível baixo, portanto precisa ser puxado para baixo) e RESET flutuante (precisa estar em HIGH, razão pela qual todo guia de conexão manda ligar RESET a SLEEP por um jumper).

Conectando a um 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

Inegociáveis:

• 100 µF eletrolítico entre VMOT e GND, fisicamente próximo à placa. Esta é a causa mais comum de uma placa que morre na energização.
• Massa comum entre o Arduino e a alimentação dos motores. Sem ela, o sinal STEP não tem referência e o driver vê ruído.
• Nunca desconecte o motor com a placa ligada. Um enrolamento energizado interrompido produz um pico sem destino.
• O pareamento dos enrolamentos importa; a polaridade dentro de um par não. Se o motor zunar sem girar, os pares estão errados. Se girar ao contrário, troque dois fios de um par.

Definindo o limite de corrente — os números

Vref = I_phase × R_sense × 8

Meça o Vref entre o parafuso metálico do potenciômetro e um pino de massa, com VMOT alimentado e o motor desconectado. Ajuste para 70–85% da corrente nominal do motor: o último quinto de corrente acrescenta pouco torque e muito calor.

Leia a marcação dos dois resistores SMD pretos próximos à borda inferior antes de calcular. Definir 1,2 V em uma placa R050 faz o driver solicitar 3 A a um motor especificado para 1,7 A.

Use uma chave de fenda cerâmica. Uma metálica que faz ponte entre o potenciômetro e outro ponto da placa energizada é uma maneira rotineira de destruir um driver.

Na prática, você está definindo o torque de pico que o motor pode produzir—o T_peak na lei do seno que governa tudo o que um motor de passo faz. Se for baixo demais, o rotor fica mais defasado para a mesma carga e patina antes; se for alto demais, você obtém calor desnecessário.

Micropassos

Os três em HIGH são a escolha normal. Vale deixar claro o motivo: micropassos não tornam a máquina mais precisa sob carga—o erro causado pela carga não muda com a divisão do passo. O que eles fazem é impedir que o rotor ressoe a cada passo, a diferença entre uma máquina que zumbe de forma aguda e outra que zumba, e entre uma superfície com ondulação visível dos passos e outra sem.

O custo é a taxa de pulsos. Com 1/16 em um eixo de 80 passos/mm, 100 mm/s exigem 8 000 pulsos por segundo. Um Arduino Uno gerando os pulsos por software esgota a capacidade em torno de 10 000–15 000 por segundo, o que é um limite real para um eixo de fuso a 400 passos/mm.

Corrente, calor e orçamento de potência

O próprio A4988 dissipa pouca potência—o problema é a densidade térmica, não a potência total. Aproximadamente 0,5 W por fase a 1 A em um encapsulamento com quase nenhum cobre para conduzir o calor. Na prática, os limites são:

O desligamento térmico não se anuncia. O driver para, o motor para no meio do movimento, o driver esfria e reinicia, e o que se observa é um eixo que perde aleatoriamente um trecho da posição. Um eixo que falha com mais frequência no fim de um trabalho longo, ou em uma sala quente, é um problema térmico, a menos que se prove o contrário.

Na alimentação, lembre-se de que o circuito de comutação se comporta como um conversor abaixador: a corrente consumida de uma fonte de 24 V fica bem abaixo da corrente de fase; portanto, dimensione o conjunto pela potência, não somando as correntes de fase. Cada motor com limite de 1,2 A em enrolamentos de 2,8 Ω dissipa cerca de 8 W, e faz isso sempre que está energizado—inclusive parado. Veja o orçamento de potência do robô.

Código mínimo funcional

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);
}

Bom para um teste na bancada, errado para uma máquina: a taxa de passos salta diretamente para o máximo e, acima da frequência de partida do motor, produz zumbido sem movimento. Use AccelStepper ou seu próprio perfil de movimento para qualquer movimento que precise chegar a algum ponto. Você pode ver exatamente o que esse comando sem rampa faz no rotor no simulador de motores de passo.

Que corrente definir de fato

A corrente nominal na etiqueta de um motor pressupõe as condições de resfriamento de um banco de testes—fixado a uma grande placa de alumínio, em ar parado a 25 °C. Sua montagem é um suporte impresso em uma sala morna.

Uma regra prática, com o raciocínio e não apenas o número:

O motivo para o limite inferior custar menos do que parece está na segunda coluna. O torque é proporcional à corrente, mas o calor é proporcional ao quadrado da corrente. Reduzir de 1,7 A para 1,2 A reduz o torque em 29% e elimina metade do calor:

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 a aritmética de dimensionamento diz que você está usando 12% do torque disponível, os 29% de torque que você reduziu nunca contribuíam para nada.

Desenergizando e o pino que a maioria das montagens ignora

ENABLE existe porque um motor de passo consome toda a corrente nominal mesmo parado. Isso é diferente de todo outro motor que um iniciante conhece, e tem consequências:

// 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 usar:

• Entre trabalhos nos eixos X e Y. Um plotter ou pórtico de laser não tem motivo para manter a posição enquanto está ocioso, e 16 W de calor em uma estrutura impressa durante uma hora são suficientes para importar.
• Nunca em um eixo Z que sustenta peso, a menos que o mecanismo seja autobloqueante. Um fuso T8 não gira sob a ação da carga, portanto desenergizar é seguro. Um eixo Z com correia cairá no instante em que a corrente for cortada.
• Nunca no meio de um movimento. O rotor continua girando, o campo não; você descartou a posição sem saber de quanto. Pare e só então desabilite.

A surpresa é que, depois de desenergizar, o rotor se acomoda no detente mais próximo—a posição de repouso magnético que ele tem sem corrente alguma—que pode estar até um passo completo de onde estava sendo mantido. Em um eixo de correia a 80 passos/mm, isso representa 0,2 mm de movimento não anunciado; portanto, redefina a posição inicial após cada desenergização ou aceite que desenergização ociosa e precisão abaixo de décimos de milímetro não combinam.

SLEEP é uma opção ainda mais completa: desliga também o regulador interno, consumindo microamperes em vez de miliamperes, mas leva cerca de 1 ms para acordar e redefine a posição interna de passo do driver para o micropasso inicial. Esse último detalhe é a armadilha—acordar de SLEEP pode deslocar o motor até um passo completo. Para quase toda máquina de iniciação, ENABLE é o pino que você quer e SLEEP é o pino que você mantém em HIGH e do qual se esquece.

Solução de problemas

A4988 ou as alternativas?

As linhas do L298N e do TB6612FNG estão aí porque ambas as folhas de dados mencionam motores de passo, e ambos realmente conseguem girar um motor de passo. Nenhum regula corrente; portanto, você obtém uma fração do torque e muito calor desperdiçado. São drivers de motores CC; use-os para acionar rodas.

Os drivers TMC valem o dinheiro extra assim que a máquina estiver em um lugar onde você possa ouvi-la. Mesma função, forma de onda de corrente mais suave, e uma impressora equipada com eles faz ruído de ventilador em vez de ruído de motor.

Onde é usado

Este driver alimenta os dois eixos da montagem do plotter de caneta, e configurá-lo corretamente é um ponto de verificação no roteiro de movimento de precisão. O guia completo de conexão e Vref cobre o procedimento passo a passo.