Обзор драйвера шагового двигателя A4988

Обзор драйвера шагового двигателя A4988

Сегодня расскажу о драйвере A4988, данный драйвер подойдет тем, кто планирует создать свой собственный 3D-принтер или станок ЧПУ с управлением шаговым двигателям.

Технические параметры

► Напряжения питания: от 8 до 35 В
► Установка шага: 1, 1/2, 1/4, 1/8, 1/16
► Напряжение логики: 3 В или 5.5 В
► Защита от перегрева: Есть
► Максимальный ток на фазу: 1 А без радиатора, 2 А с радиатором.
► Габариты модуля: 20 мм х 15 мм х 10 мм
► Габариты радиатора: 9 мм х 5 мм х 9 мм

Общие сведения о драйвере A4988

Основная микросхема модуля это драйвер от Allegro — A4988, которая имеет небольшие размеры (всего 8 мм х 6 мм), хоть микросхема и маленькая, но она может работать с выходным напряжение до 35 В с током до 1 А на катушку без радиатора и до 2 А с радиатором (дополнительным охлаждением). Для управления шаговым двигателем, необходимо всего два управляющих контакта (по сравнению с L298N необходимо четыре), один используется для управления шагами, второй для управления вращения двигателем.
Драйвер позволяет использовать пять вариантов шага, полный шаг, полшага, четверть шага, восьмой шаг и шестнадцатый шаг.

Распиновка драйвера A4988:
На драйвере A4988 расположено 16 контактов, назначение каждого можно посмотреть ниже:

► EN — включение и выключение модуля (0 — включен, 5 В — выключен).
► MS1, MS2 и MS3 — выбор режима микро шаг (смотрите таблицу ниже).
► RST — сброс драйвера.
► SLP — вывод включения спящего режима, если подтянуть его к низкому состоянию драйвер перейдет в спящий режим.
► STEP — управляющий вывод, при каждом положительном импульсе, двигатель делает шаг (в зависимости от настройки микро шага), чем быстрее импульсы, тем быстрее вращаться двигатель.
► DIR — управляющий вывод, если подать +5 В двигатель будет вращается по часовой стрелке, а если подать 0 В против часовой стрелки.
► VMOT & GND — питание шагового двигателя двигателя от 8 до 35 В (обязательное наличие конденсатора на 100 мкФ ).
► 2B, 2A, 1B, и 1A — подключение обмоток двигателя.
► VDD & GND — питание внутренней логики от 3 В до 5,5 В.

Если не планируете использовать вывод RST необходимо подключить его к выводу SLP, чтобы подтянуть его к питанию, тем самым включить драйвер.

Настройка микрошага
Драйвер A4988 может работать микрошаговом режиме, то есть может подавать питание на катушки с промежуточным уровням. Например, если взять двигатель NEMA17 с шагом 1.8 или 200 оборотов, в режиме 1/4, двигатель будет выдавать 800 шагов за оборот
Дня настройки микрошагов, драйвер A4988 имеет три выхода, а именно MS1, MS2 и MS3. Установив соответствующие логические уровни для этих выводов, можно выбрать режим микрошага.

Вывода MS1, MS2 и MS3 в микросхеме A4988 подтянуты резистором к земле, поэтому, если не подключать их, двигатель будет работать в режиме полного шага.

Система охлаждения A4988
При интенсивной работе микросхемы A4988 начинает сильно греется и если температура превысит придельные значение, может сгореть. По документации A4988 может работать с током до 2 А на катушку, но на практике микросхема не греется если ток не превышает 1 А на катушку. Поэтому если ток выше 1 А необходимо устанавливать радиатор охлаждения, который идет в комплекте.

Настройка тока A4988
Перед использованием мотора нужно сделать небольшую настройку, необходимо ограничить максимальную величину тока, протекающего через катушки шагового двигателя и ограничить его превышение номинального тока двигателя, регулировка осуществляется с помощью небольшого потенциометра.
Существует два способа настройки:
1. Замерить ток, для этого возьмем амперметр и подключим его в разрыв любой из обмоток (двигатель должен работать в полношаговом режиме), так же, при настройки ток должен составлять 70% от номинального тока двигателя.
2. Расчет значение напряжения Vref, согласно документации на A4988, есть формула I_TripMax = Vref / (8 × Rs), из которой мы можем получить формулу.

Vref = I_TripMax x 8 x Rs

где,
I_TripMax — номинальный ток двигателя
Rs — сопротивление на резисторе.

В моем случаи на драйвере A4988 установлены резисторы Rs = 0,100 Ом (R100), а номинальный ток двигателя 17HS4401 равняется 1,7 А.

Vref = 1,7 х 8 х 0,100 = 1,36 В

Мы рассчитали максимальное значение для двигателя 17HS4401, но при таком напряжение двигатель будет греться в режиме ожидания, необходимо уменьшить это значение на 70%, то есть:

Vref х 0,7 = 0,952 В

Осталось только настроить, берем отвертку и вольтметр, плюсовой шуп вольтметра устанавливаем на потенциометр, а шуп заземления на вывод GND и выставляем нужное значение.

Подключение драйвера шагового двигателя A4988 к Arduino UNO

Необходимые детали:
► Arduino UNO R3 x 1 шт.
► Драйвер шагового двигателя A4988 x 1 шт.
► Шаговый двигатель 17HS4401 x 1 шт.
► Комплект проводов DuPont 2.54 мм, 20 см x 1 шт.

Подключение:
Теперь, можно приступить к сборке схемы. Первым делом, подключаем VDD и GND к 5 В и GND на Arduino. Контакты DIR и STEP подключим к цифровым контактам 2 и 3 на Arduino. Подключение шагового двигатель к контактам 2B, 2A, 1A и 1B.

Предупреждение: Подключение или отключение шагового двигателя при включенном приводе может привести к его повреждению.

Затем необходимо подключить контакт RST к соседнему контакту SLEEP, чтобы включить драйвер. Так-же контакты выбора микрошага необходимо оставить не подключенными, чтобы работал режим полный микрошаг. Теперь осталось подключить питание двигателя к контактам VMOT и GND, главное не забудьте подключить электролитический конденсатор на 100 мкФ, в противном случаи при скачке напряжение, модуль может выйти из строя.

Программа:
Теперь можно приступки к программной части и начать управлять шаговым двигателем с помощью драйвера A4988, загружайте данный скетч в Arduino.

Шаговый двигатель с управлением

Эта модель показывает, как использовать Драйвер Шагового двигателя, и Шаговый двигатель блокируется вместе, чтобы реализовать управляемый шаговый двигатель постоянного магнита. Модель обеспечивает два параметра контроллера: один, чтобы управлять положением и один, чтобы контролировать скорость. Чтобы изменить тип контроллера, щелкните правой кнопкой по блоку Controller, выберите Variant-> использование Override-> и выберите Position или Speed.

Степпер имеет полный размер шага 1,8 градусов. В модели управления положения вход Ref является желаемым количеством шагов. В режиме регулировки скорости вход Ref является желаемым количеством шагов в секунду.

Эта модель является системной моделью, подходящей для изучения динамики степпера и уменьшится ли угол шага при управлении данной загрузкой. Это может также использоваться, чтобы настроить контроллер степпера, чтобы улучшать шаговую производительность. Часто контроллер или частично или полностью реализован на стандартном контроллере степпера модуль.

Альтернатива для реализации алгоритма на микропроцессоре (таком как PIC) дает большую гибкость, и микропроцессор может также использоваться, чтобы управлять другими частями полной системы. В этом случае части Блока драйверов Шагового двигателя могут также быть реализованы в на микропроцессоре, оставив только этап усилителя мощности в аналоговой электронике.

Модель

Результаты симуляции от Simscape Logging

Контрольный тест положения

Угол вала двигателя по сравнению с сигналом спроса. Алгоритм управления положения принимает команду положения как многие шаги и преобразует ее в последовательность импульсов, которая управляет драйвером шагового двигателя. Скачки на графике скорости вращения происходят, когда вал приспосабливается к своему положению, которым управляют.

Тест регулировки скорости

Графики ниже показа угол вала двигателя по сравнению с сигналом спроса. Алгоритм регулировки скорости принимает команду скорости как многие шаги в секунду и преобразует ее в последовательность импульсов, которая управляет драйвером шагового двигателя. Скачки на графике скорости вращения происходят, когда вал приспосабливается к текущему шагу.

График ниже показов, как состояния контактов на драйвере степпера влияют на движение шагового двигателя. Драйвер инициирует шаг каждый раз, когда сигнал ENA повышается выше Разрешать порогового напряжения.

Ремонт шагового двигателя и драйвера ш.д. в сервисном центре

Сервисный центр «Кернел» предлагает услуги по ремонту промышленной электроники и оборудования такого как шаговые двигатели и драйвера шаговых двигателей. В виду малого ресурсного запаса драйвера ш.д. не редко выходят из строя, обратившись в нашу компанию вы гарантированно получите глубокую диагностику промышленного оборудования, которая покажет причину выхода из строя оборудования и последующий профессиональный ремонт драйвера шагового двигателя в сжатые сроки.

Наш сервисный центр уделяет максимальное внимание на качество исполнения ремонта. Мы производим ремонт шаговых двигателей и драйверов ш.г. на компонентном уровне с использованием только оригинальных запасных частей, мы уверены в качестве выполненных работ и смело даем гарантию на все ремонтные работы 6 месяцев.

Особенности схемы и детали

• управление четырехфазным шаговым двигателем
• плавная регулировка скорости вращения в пределах всего диапазона
• изменение направления вращения мотора
• возможная остановка двигателя
• блок питания 12 В постоянного тока

Детали — IC1: 4070, IC2: 4093, IC3: 4027, T1-T4: BUZ10, BUZ11

Блок драйвер шагового двигателя собран на печатной плате, показанной на рисунке. Монтируем, как правило, начиная с припайки резисторов и панелек для интегральных микросхем, а под конец электролитические конденсаторы и транзисторы большой мощности.

Блок, собранный из проверенных компонентов, не требует настройки и запускается сразу после подачи питания. Со значениями элементов, указанными на схеме, позволяет работать двигателю 5,25” и выполняет изменение скорости вращения в интервале от 40 об./мин. до 5 об./мин.

Работа шагового двигателя и описание драйвера

Как работает шаговик?

Для практических задач с точным перемещением объекта обязательно требуется ШД. Это мотор, который перемещает свой вал в зависимости от заданных шагов в программе контроллера. Чаще всего их применяют в станках ЧПУ, робототехнике, манипуляторах, 3D-принтерах.

Мы же с вами рассмотрим конкретный двигатель 28BYj-48 с драйвером управления ULN2003 . Он достаточно дешёвый, прост в сборке и легко писать программу.

В 4-шаговом режиме он может совершать 2048 шагов, в 8-шаговом 4096 шагов. Питание 5 В, ток потребления 160 мА. Передаточное число 1:64 , то есть один шаг он совершит на 5,625 градусов. Крутящий момент составляет 34 мН.м. Средняя скорость 15 об/мин, с помощью программного кода можно ускорить до 35 об/мин, но вы должны понимать, что мы при этом теряем мощность и точность.

Размеры двигателя указаны из первоисточника — даташита производителя Kiatronics.

А вот таким образом он выглядит изнутри:

Для небольших технических проектов — 28BYj-48 идеальный вариант. Его главным преимуществом является дешевизна и простота. Прилагаю спецификацию:

8-шаговая управляющая сигнальная последовательность — 5.625º/шаг

ШД имеет четыре обмотки, которые запитываются последовательно:

Для того, чтобы заставить мотор двигаться по часовой стрелке, нужно попеременно подавать на обмотки напряжение. Движок работает в двух режимах в шаговом и полушаговом, чем они отличаются, мы сейчас разберём.

1.Шаговый режим — это когда две из четырех обмоток запитываются на каждом шаге. Смотрите карту включения обмоток: Для этого способа используется библиотека my Stepper.h.

2.Полушаговый режим — это когда запитывается первая обмотка, потом вторая и третья вместе, потом четвёртая и т.д. В Даташите разработчика указано, что предпочтительнее режим полушага для мотора. Подробно изображено на карте подключений:

Описание драйвера ULN2003

Плата представляет собой силовой модуль, который содержит в себе семь независимых транзисторов Дарлингтона. Каждая пара представляет собой каскад из двух биполярных транзисторов. ULN2003 является неким усилителем с током нагрузки 500 мА и напряжением 50 В. На изображении отображена сама плата и описание выводов к ней.

Управляющие входы IN1,IN2,IN3,IN4 подключаются к любым дискретным выводам Arduino Uno. Если кому интересно, можете прочитать статью здесь . Светодиоды отображают, какой шаг совершил двигатель. Выводы для подключения внешнего источника питания. Рекомендую запитывать отдельной батареей, так как нагрузка может возрастать до 1 А. Только не забудьте переставить джампер на внешнее питание двигателя.

Сморите видео

Несмотря на то, что драйвер, обеспечивающий микрошаговый режим, намного сложнее обычного драйвера, всё равно система может оказаться более простой и дешевой, чем шаговый двигатель, плюс редуктор. Конструкция в поперечном разрезе напоминает шестерню с зубцами. Полная схема, приведенная в [ 10 ] и многократно повторенная на интернет-сайтах, пригодна для использования в качестве тестовой платы. С помощью подстроечного резистора видно на правом фото можно задавать выходной ток.

Схема содержит описанный ранее двунаправленный двухфазовый формирователь на D-триггерах Рисунок

Современные микроконтроллеры иногда имеют встроенные ЦАПы, которые можно использовать для реализации микрошагового режима взамен специальных контроллеров.

Увеличение или уменьшение питающего напряжения ни к чему не приведет, так как обороты задаются частотой сети. Направление магнитного поля зависит от того, на какой именно вывод обмотки подан положительный потенциал.

Соответственно, в режиме удержания поскольку используются 8 разрядов ЦАП , максимальный ток составит 1 А. При этом используется номинальное число шагов.

Синусоидальный ток фаз может быть обеспечен применением специальных драйверов.

Это означает, что в таком режиме не может быть получен полный момент. Внутри находятся полюсные наконечники в виде ламелей.
Шаговый двигатель БЕЗ ДРАЙВЕРА!

Номинальное напряжение и напряжение питания

Наверное, одним из самых запутанных моментов является несоответствие напряжения на обмотке, указанного в паспорте машины, и реального напряжения источника питания, используемого для питания электрической машины. Если в техпаспорте указывается напряжение обмотки равное 3,4 В, то как получается, что электродвигатель подключается к источнику 48 В постоянного тока? Или иногда и к 80 В.

Номинальное напряжение не настолько критично, обратите внимание на ток.

Такое подключение стало возможным благодаря тому, что большинство современных драйверов имеют встроенное ШИМ управление выходным напряжением. Драйверы контролируют ток обмотки. Когда ток доходит до максимального значения (определяется максимальным током электрической машины), драйвер отключает питание, или снижает значение тока. При этом превышать максимальное напряжение драйвера нельзя.

Рассмотрим небольшой пример на основе шагового электродвигателя с номинальными данными: U_н = 12 В, I_н = 0,33 А, активное сопротивление обмотки R = 32,6 Ом, реактивное сопротивление обмотки L = 48 мГн.

12 В – это не максимально допустимое напряжение. Это напряжение нормальной работы, при котором в обмотке будет протекать ток равный 0,33 А.

Если вы управляете электрической машиной с помощью очень простого или Н-мостового драйвера, то вам необходимо ограничивать напряжение 12 В для предотвращения превышения номинального тока.

В случае использования драйвера с прерывателем (chopper drive), превышение номинального напряжения не является проблемой. Чем выше будет напряжение – тем быстрее машина достигнет магнитного насыщения. Приведенная ниже формула это иллюстрирует:

Приведенная формула вычисляет ток обмотки электродвигателя за определенный промежуток времени.

Ток, через катушку индуктивности 50 мГн, в течении 1 мс увеличивается пропорционально напряжению.

Если двигатель «перешагнет» прежде, чем сможет достаточно насытиться для развития необходимого момента, он начнет «терять» шаги. Если вы обнаружите, что такое происходит с вашей машиной на большом ходу – рассмотрите вариант повышения напряжения питания.