Pololu A4988 Stepper Motor Driver Carrier, Black Edition

Dieses Produkt ist eine Trägerplatine bzw. ein Breakout-Board für den A4988 DMOS-Mikroschritt-Treiber mit Translator und Überstromschutz von Allegro; wir empfehlen daher, vor der Verwendung dieses Produkts das A4988-Datenblatt (380k pdf) sorgfältig zu lesen. Mit diesem Schrittmotortreiber können Sie einen bipolaren Schrittmotor mit bis zu 2 A Ausgangsstrom pro Spule ansteuern (weitere Informationen finden Sie im Abschnitt zur Verlustleistung weiter unten). Hier einige der wichtigsten Merkmale des Treibers:

Dieses Produkt wird mit allen SMD-Bauteilen – einschließlich des A4988-Treiber-ICs – bestückt geliefert, wie auf dem Produktbild gezeigt.

Die Black Edition hat dieselbe Bauteilanordnung und Pinbelegung wie unsere A4988-Schrittmotortreiber-Trägerplatine und kann daher in Anwendungen, die für unsere ursprünglichen Treiber ausgelegt sind, als leistungsstärkerer Direktersatz verwendet werden. Die höhere Leistung erreicht die Black Edition durch ihre vierlagige Leiterplatte, die die Wärme besser vom A4988-Treiber ableitet – während unsere ursprüngliche Trägerplatine im Vollschrittbetrieb ohne Kühlkörper oder Luftstrom bis zu etwa 1 A pro Phase liefern kann, schafft die Black Edition unter denselben Bedingungen bis zu etwa 1.2 A. 

Für eine noch leistungsfähigere Alternative empfehlen wir unsere DRV8825-Schrittmotortreiber-Trägerplatine, die mehr Strom über einen größeren Spannungsbereich liefern kann. Für Anwendungen mit niedrigerer Spannung eignet sich unsere DRV8834-Trägerplatine, die mit Motorversorgungsspannungen ab 2.5 V arbeitet. Beide Platinen können in vielen Anwendungen als Direktersatz für die Black Edition verwendet werden.

Hinweis: Einige unipolare Schrittmotoren (z. B. solche mit sechs oder acht Anschlussleitungen) können mit diesem Treiber als bipolare Schrittmotoren angesteuert werden. Weitere Informationen finden Sie in den häufig gestellten Fragen. Unipolare Motoren mit fünf Anschlussleitungen können mit diesem Treiber nicht verwendet werden.

Technische Daten:

• Größe: 0.6″ × 0.8″Gewicht:1.6 g¹
• Minimale Betriebsspannung: 8 V
• Maximale Betriebsspannung: 35 V
• Dauerstrom pro Phase: 1.2 A²
• Maximaler Strom pro Phase: 2 A3
• Minimale Logikspannung: 3 V
• Maximale Logikspannung: 5.5 V
• Mikroschrittauflösungen: Vollschritt, 1/2, 1/4, 1/8 und 1/16
• Verpolungsschutz?: N

Hinweise:

• 1. Ohne beiliegende optionale Header.
• 2. Ohne Kühlkörper oder erzwungenen Luftstrom.
• 3. Bei ausreichender zusätzlicher Kühlung.

Die A4988-Schrittmotortreiber-Trägerplatine wird mit einer abbrechbaren 1×16-poligen Stiftleiste im 0.1"-Raster geliefert. Die Stiftleisten können für die Verwendung mit lötfreien Breadboards oder 0.1"-Buchsenleisten eingelötet werden. Sie können Ihre Motorleitungen und andere Verbindungen auch direkt an die Platine löten.

Minimaler Schaltplan für den Anschluss eines Mikrocontrollers an eine A4988-Schrittmotortreiber-Trägerplatine (Vollschrittbetrieb).

Der Treiber benötigt eine Logikversorgungsspannung (3 – 5.5 V) zwischen den Pins VDD und GND sowie eine Motorversorgungsspannung (8 – 35 V) zwischen VMOT und GND. Diese Versorgungen sollten über geeignete Entkopplungskondensatoren nahe der Platine verfügen und die erwarteten Ströme liefern können (Spitzen bis 4 A für die Motorversorgung).

Warnung: Diese Trägerplatine verwendet Keramikkondensatoren mit niedrigem ESR, wodurch sie anfällig für zerstörerische LC-Spannungsspitzen ist, insbesondere bei Stromzuleitungen, die länger als einige Zentimeter sind. Unter ungünstigen Bedingungen können diese Spitzen die maximale Nennspannung des A4988 von 35 V überschreiten und die Platine dauerhaft beschädigen, selbst wenn die Motorversorgungsspannung nur 12 V beträgt. Eine Möglichkeit, den Treiber vor solchen Spitzen zu schützen, ist ein großer Elektrolytkondensator (mindestens 47 µF) zwischen Motorversorgung (VMOT) und Masse in der Nähe der Platine.

Schrittmotoren mit vier, sechs und acht Anschlussleitungen können mit dem A4988 betrieben werden, wenn sie korrekt angeschlossen sind; eine FAQ-Antwort erklärt die richtige Verdrahtung im Detail.

Warnung: Das Anschließen oder Trennen eines Schrittmotors bei eingeschaltetem Treiber kann den Treiber zerstören. (Allgemein gilt: Umverdrahtungen unter Spannung sind immer riskant.)

Schrittmotoren haben typischerweise eine Angabe zur Schrittweite (z. B. 1.8° oder 200 Schritte pro Umdrehung), die sich auf Vollschritte bezieht. Ein Mikroschritttreiber wie der A4988 ermöglicht höhere Auflösungen durch Zwischenschrittpositionen, die erreicht werden, indem die Spulen mit Zwischenstromstärken bestromt werden. Wird ein Motor beispielsweise im Viertelschrittbetrieb angesteuert, erhält der Motor mit 200 Schritten pro Umdrehung durch vier verschiedene Stromstärken 800 Mikroschritte pro Umdrehung.

Mit den Eingängen zur Auswahl der Auflösung (Schrittweite) MS1, MS2 und MS3 kann gemäß der folgenden Tabelle zwischen den fünf Schrittauflösungen gewählt werden. MS1 und MS3 haben interne 100kΩ Pull-down-Widerstände und MS2 einen internen 50kΩ Pull-down-Widerstand; bleiben diese drei Mikroschritt-Auswahlpins unbeschaltet, ergibt sich daher der Vollschrittbetrieb. Damit die Mikroschrittmodi korrekt funktionieren, muss die Strombegrenzung niedrig genug eingestellt sein (siehe unten), sodass die Strombegrenzung greift. Andernfalls werden die Zwischenstromstärken nicht korrekt eingehalten und der Motor überspringt Mikroschritte.

MS1	MS2	MS3	Mikroschrittauflösung
Low	Low	Low	Vollschritt
High	Low	Low	Halbschritt
Low	High	Low	Viertelschritt
High	High	Low	Achtelschritt
High	High	High	Sechzehntelschritt

Jeder Impuls am STEP-Eingang entspricht einem Mikroschritt des Schrittmotors in die durch den DIR-Pin gewählte Richtung. Beachten Sie, dass die Pins STEP und DIR intern nicht auf ein bestimmtes Potenzial gezogen werden; Sie sollten daher keinen dieser Pins in Ihrer Anwendung offen (floatend) lassen. Wenn Sie nur eine Drehung in eine Richtung wünschen, können Sie DIR direkt mit VCC oder GND verbinden. Der Chip hat drei verschiedene Eingänge zur Steuerung seiner zahlreichen Energiezustände: RST, SLP und EN. Details zu diesen Energiezuständen finden Sie im Datenblatt. Bitte beachten Sie, dass der RST-Pin floatend ist; wenn Sie den Pin nicht verwenden, können Sie ihn mit dem benachbarten SLP-Pin auf der Platine verbinden, um ihn auf High zu ziehen und die Platine zu aktivieren.

Um hohe Schrittraten zu erreichen, ist die Motorversorgungsspannung typischerweise deutlich höher, als es ohne aktive Strombegrenzung zulässig wäre. Ein typischer Schrittmotor hat beispielsweise einen maximalen Nennstrom von 1 A bei einem Spulenwiderstand von 5Ω, was einer maximalen Motorversorgung von 5 V entspräche. Der Betrieb eines solchen Motors mit 12 V ermöglicht höhere Schrittraten, jedoch muss der Strom aktiv auf unter 1 A begrenzt werden, um Schäden am Motor zu vermeiden.

Der A4988 unterstützt eine solche aktive Strombegrenzung, und mit dem Trimmpotentiometer auf der Platine lässt sich die Strombegrenzung einstellen. Eine Möglichkeit zur Einstellung besteht darin, den Treiber in den Vollschrittbetrieb zu versetzen und den Strom durch eine einzelne Motorspule zu messen, ohne den STEP-Eingang zu takten. Der gemessene Strom beträgt das 0.7-Fache der Strombegrenzung (da im Vollschrittbetrieb beide Spulen stets bestromt und auf 70% der eingestellten Strombegrenzung begrenzt sind). Bitte beachten Sie, dass eine Änderung der Logikspannung Vdd die eingestellte Strombegrenzung verändert, da die Spannung am „ref“-Pin von Vdd abhängt.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Spannung am „ref“-Pin zu messen und die resultierende Strombegrenzung zu berechnen (die Strommesswiderstände haben 0.05Ω). Die Spannung des ref-Pins ist an einer Durchkontaktierung zugänglich, die auf dem unteren Bestückungsdruck der Platine eingekreist ist. Die Strombegrenzung hängt wie folgt von der Referenzspannung ab:

Strombegrenzung = VREF × 2.5

Beträgt die Referenzspannung beispielsweise 0.3 V, liegt die Strombegrenzung bei 0.75 A. Wie oben erwähnt, wird der Spulenstrom im Vollschrittbetrieb auf 70% der Strombegrenzung begrenzt; um einen Vollschritt-Spulenstrom von 1.2 A zu erhalten, sollte die Strombegrenzung also 1.2 A/0.7=1.7 A betragen, was einer VREF von 1.7 A/2.5=0.68 V entspricht. Weitere Informationen finden Sie im A4988-Datenblatt.

Hinweis: Der Spulenstrom kann sich stark vom Strom der Stromversorgung unterscheiden; verwenden Sie daher nicht den an der Stromversorgung gemessenen Strom zur Einstellung der Strombegrenzung. Das Strommessgerät sollte in Reihe mit einer der Schrittmotorspulen geschaltet werden.

Der A4988-Treiber-IC hat einen maximalen Nennstrom von 2 A pro Spule, der tatsächlich lieferbare Strom hängt jedoch davon ab, wie gut der IC gekühlt wird. Die Leiterplatte der Trägerplatine ist so ausgelegt, dass sie Wärme vom IC ableitet; um mehr als etwa 1.2 A pro Spule zu liefern, ist jedoch ein Kühlkörper oder eine andere Kühlmethode erforderlich (in unseren Tests konnten wir mit dem Luftstrom eines PC-Lüfters ohne Kühlkörper etwa 1.4 A pro Spule liefern).

Dieses Produkt kann so heiß werden, dass Sie sich verbrennen können, lange bevor der Chip überhitzt. Gehen Sie vorsichtig mit diesem Produkt und den daran angeschlossenen Komponenten um.

Bitte beachten Sie, dass die Messung der Stromaufnahme an der Stromversorgung in der Regel keinen genauen Wert für den Spulenstrom liefert. Da die Eingangsspannung des Treibers deutlich höher sein kann als die Spulenspannung, kann der an der Stromversorgung gemessene Strom erheblich niedriger sein als der Spulenstrom (Treiber und Spule wirken im Grunde wie ein Abwärts-Schaltnetzteil). Ist die Versorgungsspannung zudem sehr hoch im Vergleich zu der Spannung, die der Motor zum Erreichen des eingestellten Stroms benötigt, ist das Tastverhältnis sehr gering, was ebenfalls zu deutlichen Unterschieden zwischen Mittelwert und Effektivwert (RMS) des Stroms führt.

Schaltplan der A4988-Schrittmotortreiber-Trägerplatine md09b.

Hinweis: Diese Platine ist ein Direktersatz für unsere ursprüngliche A4988-Schrittmotortreiber-Trägerplatine.