H H O O B B B B Y Y R R O O B B O O T T . . c c z z A4988
Stepper Motor Driver Carrier modul pro řízení krokových motorů
Nepřekročitelné hodnoty:
Napájecí napětí ... max. +35 V Pracovní teplota ... -20 až 85° C
Výstupní proud ... 2 A na jednu fázi motoru Napěťové úrovně vstupů
STEP, DIR, RST a EN... 0 až +5,5 V Sense Voltage, VSENSE ... 0,5 V Reference Voltage, VREF .... 5,5 V
Pracovní podmínky:
Napájecí napětí ... +8 až 35 V
Výstupní proud ... 1 A na jednu fázi motoru (viz níže) Napěťové úrovně
vstupních napětí ... 0 až +5,5 V Maximální frekvence pulzů
na vstupu STEP ... 50 kHz
Proudový odběr ...maximálně 2,15 A (viz níže)
Modul ovladače umožňuje řídit rychlost a směr otáčení jednoho bipolárního krokového motoru s proudem až 1 A na fázi. Jeho hlavní součástí je výkonový řídící obvod A4988 firmy Allegro s mikrokrokováním a nadproudovou ochranou. Modul obsahuje všechny součásti, potřebné pro správnou činnost řídícího obvodu.
Tímto ovladačem mohou být řízeny kromě bipolárních krokových motorů se čtyřmi vodiči i unipolární krokové motory se šesti vodiči a univerzální krokové motory s osmi vodiči. Pro unipolární krokové motory s pěti vodiči není tento ovladač vhodný.
Před použitím je doporučeno se seznámit v katalogovém listu výrobce s parametry a vlastnostmi integrovaného obvodu A4988.
Základní vlastnosti:
• Ovladač řídí pohyb krokového motoru signály STEP a DIR.
• K dispozici je pět různých režimů krokování: celokrok (1/1) a mikrokrokování s dělením kroku na 1/2, 1/4, 1/8 a 1/16
• Napájecí proud pro statorová vinutí motoru je možno nastavit plynule potenciometrem
• Inteligentní pulsní řízení proudu automaticky řídí způsob průběh odbuzení fázových vinutí (fast decay, slow decay)
• Ve výkonovém obvodu jsou vestavěny ochrany proti přehřátí, podpětí a přepětí.
• Obvod je chráněn proti zkratu výstupu se zemí a proti zkratu na fázovém vinutí
Zapojení modulu do obvodu
Vodiče je možno k modulu připojit pájením přímo do připravených otvorů, ale součástí dodávky je i lámací pinová lišta, kterou je možno zapájet do otvorů a tak modul upravit pro snadné zasunutí do nepájivého kontaktního pole nebo do dutinkových lišt.
- 2 - Zapojení ovladače v základním režimu celokroku (full-step):
Napájení
Kromě napájecího napětí VMOT pro motory, které může být v rozsahu +8 až 35 V musí být k modulu připojeno ještě napětí VDD o velikosti +3 až 5,5 V pro napájení vnitřních logických obvodů. Obě tato napětí je vhodné těsně u modulu blokovat proti vysokofrekvenčnímu rušení keramickými kondenzátory. Zdroj musí být schopen dodat odpovídající proud pro napájení motoru, nejméně tedy 2,5 A.
Modul je osazen keramickými kondenzátory s nízkým ekvivalentním sériovým odporem (low-ESR), které mohou být poškozeny napěťovými špičkami s amplitudou, přesahující 35 V , zvláště v případě, že přívodní vodiče jsou dlouhé. Tyto napěťové špičky vznikají při běhu motoru indukcí napětí na jeho vinutí a mohou se na napájecím vedení objevovat i v případě napájení modulu mnohem nižším, než maximálním napětím.
Jedním způsobem ochrany před těmito špičkami je připojení elektrolytického kondenzátoru co největší kapacity na výkonové napájení (VMOT) těsně k modulu.
Rozložení pinů konektoru
GND Zem
VDD Napájecí napětí +3 až 5 V. Napětí musí být stabilizováno! Napětí vyšší než 5,5 V, přivedené na tento vstup, obvod zničí.
VMOT Napětí +8 až 35 V pro napájení motorů.
STEP Vstup; krok se provede po náběžné hraně impulzu.
DIR Vstup; směr otáčení.
/RESET Vstup; při logické úrovni L na vstupu /RESET se odpojí výkonové výstupy, vnitřní sekvenční logika se nastaví do stavu home position a impulsy, přicházející na vstup STEP, budou ignorovány. Pokud není vstup /RESET nikam připojen, je v neurčitém stavu a motor se proto nemůže otáčet!
/ENABLE Vstup; logická úroveň H na vstupu /ENABLE odpojí výkonové výstupy, ale vstupy STEP, DIR, a MS1 až 3 i vnitřní sekvenční logika zůstávají aktivní.
/SLEEP Vstup; logická úroveň L na vstupu /SLEEP minimalizuje spotřebu modulu odpojením všech nepotřebných vnitřních bloků včetně výstupů, regulace proudu a nábojové pumpy. Po přivedení logické úrovně H se modul vrátí do provozního stavu, je však třeba počítat s tím, že doba náběhu může být až 1 ms.
MS1, MS2, MS3 Vstupy; volba módu mikrokrokování.
1A, 1B Výstup pro připojení prvního vinutí motoru 2A, 2B Výstup pro připojení druhého vinutí motoru
- 3 - Vhodné motory
K řídícímu obvodu mohou být připojeny krokové motory se čtyřmi, šesti a osmi vodiči takto:
Upozornění: Připojení motoru k řídícímu obvodu pod napětím může způsobit poškození obvodu!
Mikrokrokování
Běžné krokové motory mají obvykle v katalogu uváděnou velikost kroku 1,8° (neboli 200 kroků na otáčku). Tento údaj se vždy vztahuje k řízení motoru v celých krocích (full-step). Obvod A4988 umožňuje zvýšit počet kroků motoru na otáčku mikrokrokováním, tedy tím, že napájí obě fáze motoru přesně řízeným proudem. Tím se dosahuje vyššího rozlišení – při nastavení nejjemnějšího mikrokrokování je možno hřídel motoru nastavit do 16x více poloh, než v režimu celokroku.
K nastavení dělícího poměru mikrokroku jsou určeny vstupy (MS1, MS2, MS3), které umožňují nastavit některý z pěti režimů mikrokrokování podle níže uvedené tabulky.
MS1 MS2 MS3 Velikost kroku GND GND GND Celokrok (Full step)
VDD GND GND 1/2 základního kroku (Half step) GND VDD GND 1/4 základního kroku (Quarter step) VDD VDD GND 1/8 základního kroku (Eighth step) VDD VDD VDD 1/16 základního (Sixteenth step)
Vstupy MS1 a MS3 mají ve vnitřní struktuře obvodu zapojeny pull-down rezistory o velikosti 100 kΩ, MS2 má zapojen pull-down rezistor 50 kΩ, takže pokud není ani jeden z nich nikam zapojen, je na nich logická úroveň L a je vybrán režim celokroku (full-step). Aby režim mikrokrokování fungoval správně, je třeba motoru nastavit odpovídající pracovní proud, aby mohlo pracovat proudové omezení, jinak budou některé mikrokroky přeskočeny.
Ovládací vstupy
Každý impulz na vstupu STEP odpovídá jednomu mikrokroku krokového motoru ve směru, který je zvolen logickou úrovní na vstupu DIR. Logické úrovně pinů STEP a DIR nejsou nijak interně ošetřeny, takže ve vaší aplikaci musíte zajistit, aby byly trvale připojeny na správných logických úrovních. Pokud nepotřebujete měnit směr otáčení motoru, můžete vstup DIR spojit přímo s VCC nebo GND.
Vstup /RESET nemá žádné ošetření logické úrovně, takže pro správnou funkci modulu je nutné ho připojit na logickou úroveň H, nebo ho spojit se sousedním vstupem /SLEEP.
Vstup /ENABLE je ošetřen pull-down rezistorem o velikosti 100 kΩ, takže je trvale držen v logickém stavu L a pokud není využíván, nemusí se nikam připojovat.
Vstup /SLEEP je ošetřen pull-up rezistorem o velikosti 100 kΩ, takže je trvale držen v logickém stavu H a pokud není využíván, nemusí se nikam připojovat.
Aktivní omezení velikosti proudu vinutím motoru
Aby bylo možno dosáhnout co největší rychlosti otáčení motoru, musí být napájecí napětí mnohem vyšší, než jaké by bylo možno použít bez aktivního řízení proudu. Jako příklad si můžeme uvést typický krokový motor, jehož jmenovitý proud fáze je 1 A a odpor vinutí 5 Ω. To by svádělo k domněnce, že maximální napájecí napětí tohoto motoru může být 5 V. Abychom takový motor mohli napájet napětím 12 nebo 24 V, musíme proud jeho vinutím aktivně omezit, abychom ho nepoškodili.
- 4 -
Obvod A4988 toto aktivní omezení proudu umožňuje a trimrem na desce je možno nastavit jeho velikost.
Jedním ze způsobů nastavení velikosti pracovního proudu je nastavit na řídícím obvodu režim celokroku (full-step) a měřit v klidovém stavu (kdy na vstup STEP nejsou přiváděny pulsy) velikost proudu, tekoucího jedním vinutím motoru. Měřený proud bude 0,7 násobkem skutečně nastaveného proudu, protože v režimu full-step jsou napájeny současně obě vinutí motoru a proud, který jimi protéká, je obvodem A4988 omezován na 70% proudu maximálního.
Změnou velikosti napájecího napětí logických obvodů VDD se mění i nastavená velikosti proudu, protože stabilizované napětí pro napájení logických obvodů se používá zároveň jako napětí referenční.
Jiným způsobem nastavení správné velikosti proudového omezení je změřit napětí na pinu "ref" a vypočítat výslednou velikost proudu (odpor snímacích rezistorů je 0,05Ω). Pin ref je označen kroužkem, natištěným na spodní straně desky.
Vztah mezi referenčním napětím a velikostí proudu, protékajícího vinutím je:
Pracovní proud = 2,5 × VREF
Například pokud je referenční napětí 0,3 V, je velikost proudu vinutími nastavena na 0,75 A. Jak již bylo uvedeno výše, v režimu celokroku (full-step) je proud vinutími omezen na 70% maximálního, takže pro plný proud 1 A by mělo být referenční napětí nastaveno na 0,56 V. Další podrobnosti naleznete v katalogovém listu obvodu A4988.
Poznámka: Proud vinutím se může značně lišit od proudu napájecího, pro nastavování proudového omezení tedy neměřte proud v napájecí větvi, ale vždy v přívodním vodiči k jednomu z vinutí krokového motoru.
Odvod tepla a ztrátový výkon
Obvod A4988 má v katalogovém listu uveden maximální jmenovitý proud 2 A pro jedno vinutí motoru, ve skutečnosti ale maximální velikost proudu dodávaného obvodem závisí na mnoha vnějších podmínkách. Integrovaný obvod je chlazen měděnou plochou plošného spoje, ale při odběru proudu větším než 1 A na vinutí motoru je už nutno použít přídavný chladič nebo jiný způsob chlazení.
Při manipulaci se zapojeným modulem buďte opatrní, protože obvod je velmi teplý i v běžném provozu. Pamatujte proto při konstrukci vašeho zařízení na dobrý odvod tepla.
Měření velikosti proudu, tekoucího napájecí větví neposkytuje dostatečně přesné udaje o skutečné velikosti proudu, který protéká vinutím motoru. Vzhledem k tomu, že vstupní napětí řídícího obvodu je většinou výrazně vyšší, než je jmenovité napětí vinutí motoru, může být proud, měřený v napájecím přívodu ve skutečnosti dokonce o něco nižší, než proud, protékající vinutím (řídící obvod v kombinaci s indukčností vinutí motoru pracuje jako jednoduchý step-down regulátor napětí).
V případě, že napájecí napětí je mnohem vyšší než jmenovité napětí vinutí motoru, bude střída pwm regulace proudu velmi malá a v takovém případě se střední hodnota proudu, kterou měří levnější měřící přístroje, velmi liší od efektivní (RMS) hodnoty, která je pro výkon motoru směrodatná.
Schéma zapojení modulu:
