Драйвер шагового двигателя A4988

Что это такое

Плата A4988 размером с почтовую марку располагается между микроконтроллером и биполярным шаговым двигателем. На него подаются два сигнала — импульс и направление, — а он выполняет всё остальное: подаёт напряжение на обмотки в правильной последовательности и, что особенно важно, регулирует поступающий в них ток.

Вторая задача важнее первой, и именно её пропускают. Обмотка шагового двигателя — катушка с малым сопротивлением, обычно от 2 до 4 ом. При подключении 24 V к 2.8 Ω по закону Ома получится 8.6 A, что уничтожит двигатель 1.7 A за секунды. A4988 предотвращает это, десятки тысяч раз в секунду включая и выключая питание и удерживая средний ток на заданном значении.

Таким образом, у платы есть только одна регулировка: подстроечный резистор, задающий предел тока. Правильная настройка делает драйвер невидимым; неправильная приводит либо к слабому двигателю, теряющему шаги, либо к перегреву.

Расположение выводов

Большинство сообщений «ничего не работает» вызваны двумя выводами: оставленным в плавающем состоянии или высоким уровнем на ENABLE (поскольку активный низкий уровень требует подтяжки вниз) и оставленным в плавающем состоянии RESET (ему нужен высокий уровень, поэтому каждое руководство по подключению предлагает соединить RESET с SLEEP).

Подключение к 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

Обязательные условия:

• Электролитический конденсатор 100 µF между VMOT и GND, физически рядом с платой. Это самая частая причина гибели платы при включении.
• Общая земля между Arduino и источником двигателей. Без неё сигнал STEP не имеет опорного напряжения, и драйвер видит шум.
• Никогда не отключайте двигатель при включённом питании. Прерывание тока в под напряжением обмотке создаёт выброс, которому некуда деваться.
• Сопоставление обмоток важно; полярность внутри пары не важна. Если двигатель гудит без вращения, пары определены неверно. Если он вращается не туда, поменяйте два провода одной пары.

Задание предела тока — расчёт

Vref = I_phase × R_sense × 8

Измеряйте Vref между металлическим винтом подстроечного резистора и выводом земли при включённом VMOT и отключённом двигателе. Нацеливайтесь на 70–85% номинального тока двигателя: последняя пятая часть даёт очень мало момента, но много нагрева.

Перед расчётом прочитайте обозначение двух чёрных SMD-резисторов у нижнего края. Установка 1.2 V на плате R050 потребует 3 A через двигатель с номиналом 1.7 A.

Используйте керамическую отвёртку. Металлическая, замыкающая подстроечный резистор на другую точку под напряжением, — обычный способ уничтожить драйвер.

Физически вы задаёте пиковый момент, который может создать двигатель, — T_peak в синусоидальном законе, определяющем всё поведение шагового двигателя. Слишком низкое значение увеличивает отставание ротора при той же нагрузке и ускоряет срыв; слишком высокое создаёт ненужный нагрев.

Микрошаги

Обычный выбор — все три высоких уровня. Причина стоит проговорить: микрошаги не повышают точность машины под нагрузкой — ошибка от нагрузки не зависит от дробности деления шага. Они устраняют звон ротора на каждом шаге, что отличает кричащую машину от гудящей и поверхность с заметными ступенями от ровной.

Цена — частота импульсов. При делении 1/16 на оси 80 steps/mm для скорости 100 mm/s требуется 8 000 импульсов в секунду. Arduino Uno при программной генерации шагов теряет производительность примерно после 10 000–15 000 в секунду, что создаёт реальный предел для оси с шаговым винтом при 400 steps/mm.

Ток, нагрев и энергетический баланс

Собственное рассеивание A4988 невелико; проблема заключается в плотности тепловыделения, а не в общей мощности. Примерно 0.5 W на фазу при токе 1 A в корпусе почти без меди для отвода тепла. Практические пределы:

Тепловая защита не сообщает о себе. Драйвер останавливается, двигатель замирает посреди перемещения, драйвер остывает и запускается снова, и наблюдается ось, «случайно» теряющая часть положения. Если отказ чаще возникает в конце долгой работы или в тёплой комнате, считайте причину термической, пока не доказано иное.

Со стороны питания помните, что преобразователь работает как понижающий преобразователь: ток от источника 24 V значительно ниже тока фазы, поэтому рассчитывайте по мощности, а не складывайте токи фаз. Каждый двигатель с пределом 1.2 A и обмотками 2.8 Ω рассеивает около 8 W всякий раз, когда находится под напряжением, в том числе стоя на месте. См. энергетический баланс робота.

Минимальный рабочий код

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);
}

Для проверки на стенде код хорош, для машины — неверен: частота шагов сразу достигает максимальной, и выше частоты захвата двигателя возникает гул без движения. Для любой машины, которая должна прийти в заданную точку, используйте AccelStepper или собственный профиль движения. Точное влияние команды без разгона на ротор можно увидеть в симуляторе шагового двигателя.

Какой ток действительно задавать

Номинальный ток на табличке двигателя предполагает условия охлаждения испытательного стенда: крепление к большой алюминиевой плите, неподвижный воздух и 25 °C. Ваша машина — печатный кронштейн в тёплой комнате.

Рабочее правило с обоснованием, а не только числом:

Причина экономии на нижнем конце содержится во втором столбце. Момент пропорционален току, а нагрев — току в квадрате. Снижение с 1.7 A до 1.2 A сокращает момент на 29% и устраняет половину нагрева:

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

Если расчёт выбора показывает использование 12% доступного момента, отказ от 29% ничего не менял.

Снятие напряжения и вывод, который игнорируют большинство конструкций

ENABLE существует потому, что шаговый двигатель потребляет полный номинальный ток даже при полной неподвижности. Это отличает его от всех остальных двигателей, с которыми сталкивается новичок, и имеет следующие последствия:

// 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

Когда применять:

• Между заданиями на осях X и Y. Графопостроителю или лазерному порталу незачем удерживать позицию в простое, а 16 W нагрева печатной рамы за час уже существенны.
• Никогда на оси Z, удерживающей массу, если механизм не самоблокирующийся. Шаговый винт T8 не допускает обратного вращения, поэтому снятие напряжения безопасно. Ременная ось Z опустится, как только ток будет отключён.
• Никогда посреди перемещения. Ротор продолжит вращаться, а поле остановится, и вы потеряете положение без возможности узнать, насколько. Сначала остановитесь, затем отключайте.

Неожиданная особенность: после снятия напряжения ротор останавливается в ближайшем устойчивом положении — магнитном положении покоя при нулевом токе, — возможно на целый шаг от места удержания. На ременной оси с 80 steps/mm это перемещение 0.2 mm без уведомления, поэтому либо повторяйте поиск исходного положения после каждого отключения, либо примите, что отключение в простое и точность менее десятой доли миллиметра несовместимы.

SLEEP действует глубже: он отключает также внутренний регулятор и снижает потребление с миллиампер до микроампер, но требует около 1 ms для пробуждения и сбрасывает внутреннее положение шага драйвера в исходный микрошаг. Именно последняя деталь — ловушка: выход из SLEEP может сдвинуть двигатель на целый шаг. Для почти любой хобби-машины нужен ENABLE, а SLEEP следует перемычкой поднять вверх и забыть.

Диагностика

A4988 или альтернативы?

Строки L298N и TB6612FNG приведены потому, что оба технических описания упоминают шаговые двигатели и оба формально могут повернуть такой двигатель. Ни один не регулирует ток, поэтому получится лишь часть момента и много паразитного нагрева. Это драйверы двигателей постоянного тока; используйте их для приводных колёс.

Драйверы TMC стоят дополнительных денег, как только машина находится в помещении, где её слышно. Та же работа, более гладкая форма тока, а принтер с ними создаёт шум вентилятора вместо шума двигателя.

Где применяется

Этот драйвер питает обе оси конструкции графопостроителя, а его правильная настройка — контрольная точка дорожной карты точного движения. Полное руководство по подключению и настройке Vref подробно описывает процедуру.