A4988: ligação e Vref para definir o limite de corrente

Para que serve realmente o driver

Um A4988 não é um interruptor. É um regulador de corrente que também faz comutação.

Essa distinção importa porque a bobina de um motor de passo é um indutor de baixa resistência — de 2 a 4 ohms é o típico. Conecte diretamente uma bobina de 2,8 Ω a 24 V e a lei de Ohm resulta em 8,6 A, o que destruiria o motor em segundos. O trabalho do driver é fazer o circuito chopper chavear a fonte milhares de vezes por segundo para que a corrente média se estabilize em um valor escolhido por você e, depois, fazer essa corrente alternar entre as duas bobinas de maneira que o campo gire.

Portanto, o driver precisa receber um número: quantos ampères por fase. Esse é o limite de corrente, e defini-lo é o único ajuste na placa. Todo o resto — microstepping, direção, habilitação — é um pino que se configura uma vez.

Ligando

Duas regras de ligação concentram quase todo o risco:

• Um capacitor eletrolítico de 100 µF entre VMOT e GND, próximo da placa. Não é opcional. A folha de dados e a documentação de todas as placas adaptadoras dizem isso, e o motivo é que o circuito chopper consome corrente em picos abruptos; sem um capacitor de reserva próximo, a indutância dos fios da fonte transforma esses picos em surtos de tensão que excedem a tensão nominal de 35 V do chip. As placas morrem na alimentação, não durante a operação, e essa é geralmente a razão.
• Nunca desconecte o motor enquanto o driver estiver ligado. Interromper uma bobina energizada produz um grande surto indutivo sem caminho por onde escoar. Desligue a fonte primeiro, sempre.

Se os quatro fios do motor não estiverem identificados, encontre os pares com um multímetro: dentro de uma bobina você mede alguns ohms e entre bobinas lê circuito aberto. Identifique-os por continuidade e conecte um par a 1A/1B e o outro a 2A/2B.

Definindo o limite de corrente

Há um potenciômetro na placa, e girá-lo altera uma tensão de referência que o chip compara com a tensão através de seus resistores de amostragem de corrente. Meça essa referência — Vref — entre o cursor do potenciômetro e a massa.

A fórmula do A4988 é:

Vref = I_phase × R_sense × 8

Aqui está a armadilha que faz muita gente perder motores. O R_sense não é o mesmo em todas as placas. As placas adaptadoras vêm com resistores de amostragem de corrente de 0,1 Ω ou 0,05 Ω, e a resposta da fórmula muda por um fator de dois:

Leia a marca dos dois resistores SMD pretos próximos à parte inferior da placa antes de calcular qualquer coisa. Definir 1,2 V em uma placa com resistores de 0,05 Ω é pedir 3 A através de um motor de 1,7 A.

O procedimento:

1. Alimente a placa — VMOT conectado, motor desconectado. O chip precisa da tensão do motor para regular, mas você não precisa fazer o motor girar.
2. Consulte a corrente nominal por fase do motor. Um NEMA 17 comum é de 1,5 A ou 1,7 A.
3. Use de 70–85% dela como alvo. A corrente nominal pressupõe as condições de resfriamento especificadas na folha de dados que talvez você não tenha, e os últimos 20% de corrente acrescentam muito pouco torque enquanto produzem muito calor.
4. Calcule Vref a partir da fórmula e do resistor de amostragem de corrente que você realmente tem.
5. Coloque a ponta preta do multímetro em um pino de massa e a ponta vermelha no parafuso metálico do potenciômetro. Gire-o lentamente — um quarto de volta já é uma grande mudança — até o multímetro indicar o valor desejado.

Vale usar uma chave de fenda cerâmica pequena. Uma metálica que faz ponte entre o potenciômetro e outra coisa enquanto a placa está energizada é uma forma comum de danificar o driver de motor.

Vale dizer claramente: o limite de corrente é o T_peak na equação de torque que governa tudo o que um motor de passo faz. Defina-o baixo e o motor ficará cada vez mais atrasado para a mesma carga e perderá passos mais cedo. Defina-o alto e o motor aquece para obter torque que talvez não precise. É o único valor que exige uma decisão criteriosa.

Pinos de microstepping

MS1, MS2 e MS3 têm pull-downs internos, portanto qualquer coisa que você deixe flutuando será lida como nível baixo:

A maioria das montagens conecta os três pinos em alto e os deixa assim. O motivo não é a precisão — microstepping não compra precisão sob carga — mas sim que o décimo-sexto passo reduz as oscilações do motor em cada passo, o que deixa a máquina silenciosa e evita que a ondulação fique visível no trabalho. O custo é que seu microcontrolador agora precisa emitir dezesseis vezes mais pulsos por milímetro, uma restrição real em um Arduino Uno acima de aproximadamente 10 000 passos por segundo.

Acionando-o

O código mínimo útil. Observe que não há biblioteca aqui: um passo é um pulso, e é literalmente isso.

const int STEP_PIN = 3;
const int DIR_PIN  = 4;
const int EN_PIN   = 5;   // active LOW

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

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

Esse código funciona e também é exatamente o que você não deve usar em produção, por dois motivos.

O primeiro é que a taxa de passos salta imediatamente de zero para a máxima. Ao solicitar uma taxa acima do limite de partida do motor, ele vai vibrar sem avançar — com os padrões do simulador de motor de passo, comandar velocidade máxima a partir da parada perde 280 passos completos em um movimento de 60 mm e deixa o eixo em 4 mm. O mesmo movimento com uma rampa chega exatamente ao alvo. Essa é a diferença que um perfil de aceleração faz, e não é um refinamento.

O segundo é que delayMicroseconds bloqueia. Enquanto o laço está dando passos, mais nada no microcontrolador é executado — nenhuma verificação de fim de curso, nenhuma leitura pela serial, nenhum segundo eixo. Para qualquer coisa real, use o padrão de temporização não bloqueante ou entregue a tarefa ao AccelStepper, que implementa a rampa e o agendamento para você:

#include <AccelStepper.h>
AccelStepper axis(AccelStepper::DRIVER, STEP_PIN, DIR_PIN);

void setup() {
  pinMode(EN_PIN, OUTPUT);
  digitalWrite(EN_PIN, LOW);
  axis.setMaxSpeed(8000);        // steps/s  -> 100 mm/s at 80 steps/mm
  axis.setAcceleration(16000);   // steps/s2 -> 200 mm/s2
  axis.moveTo(80 * 50);          // 50 mm
}

void loop() {
  axis.run();                    // returns immediately; call it constantly
}

setMaxSpeed e setAcceleration fornecem um perfil trapezoidal e nada mais — não há opção de curva S. Se quiser um perfil com limite de jerk, gere o valor de referência você mesmo.

A4988 ou uma das alternativas?

O DRV8825 é compatível com os pinos, mas sua fórmula de Vref é diferente — Vref = I × 0.5 — e o potenciômetro gira no sentido oposto. Trocar um sem reler a fórmula é uma forma clássica de queimar um motor.

Os drivers TMC valem o dinheiro assim que uma máquina fica em um lugar onde você pode ouvi-la. Eles fazem o mesmo trabalho com uma forma de onda de corrente mais suave, e é por isso que uma impressora com eles faz ruído de ventilador em vez de ruído de motor.

Quando algo dá errado

Próximo passo

Com o driver definido, a questão restante é quantos pulsos valem um milímetro de deslocamento — o que depende inteiramente do que o eixo está girando. Isso é passos por milímetro, e é o número com o qual todas as outras partes da máquina são calibradas.