Motor Pas cu Pas, NEMA17, 1.7A, 1.8 grade, 42x42x40mm, Bipolar

Motorul pas cu pas NEMA17 JK42HS40-1704 este un motor hibrid bipolar cu 4 fire, folosit pentru miscarea axelor la imprimante 3D, routere CNC, gravatoare laser si alte sisteme de pozitionare liniara unde este nevoie de o rotatie precisa, in pasi, fara senzor de pozitie.

Pentru a functiona are nevoie obligatoriu de un driver cu control de curent, de exemplu A4988, si de un microcontroler care genereaza impulsurile de pas. In acest tutorial folosim o placa Arduino Uno R3 si un driver A4988, combinatia cea mai folosita pentru acest tip de motor in proiectele de 3D printing si CNC.

Cum functioneaza:

Motorul are un unghi de pas de 1.8 grade, adica 360 impartit la 1.8 rezulta 200 de pasi pentru o rotatie completa, la comanda in pas intreg. Fiecare impuls aplicat pe pinul STEP al driverului face bobinele sa comute intr-o alta combinatie de polaritate, rotorul avansand cu un singur pas.

Viteza de rotatie este data de frecventa impulsurilor STEP. Formula este frecventa in Hz egala cu turatia in RPM inmultita cu numarul de pasi pe rotatie, totul impartit la 60. De exemplu pentru 60 RPM la pas intreg rezulta 60 x 200 impartit la 60, adica 200 Hz, deci un impuls STEP la fiecare 5 ms.

Driverul A4988 permite si microstepping, adica imparte fiecare pas intreg in subpasi, de exemplu la 1/16 microstep rezulta 200 x 16, adica 3200 de pasi pe rotatie, pentru o miscare mai fina si mai silentioasa.

Curentul prin bobine se limiteaza din potentiometrul de pe driver, dupa formula Vref egal cu curentul dorit inmultit cu 8 si cu rezistenta de sesizare Rs. Pentru Rs de 0.1 ohm, marcat R100 pe majoritatea placutelor A4988, formula devine Vref egal cu curentul inmultit cu 0.8. Pentru acest motor, cu curent nominal de 1.7 A, se recomanda o limita de 1.2 pana la 1.5 A pentru functionare de durata, adica un Vref intre 0.96 si 1.2 V.

Ce ai nevoie:

• 1 x Motor Pas cu Pas NEMA17 1.7A 1.8 grade 42x42x40mm Bipolar
• 1 x Placa dezvoltare Uno R3 cu Wifi ESP8266, compatibila Arduino
• 1 x Driver stepper A4988 + Radiator
• 1 x Sursa alimentare 12V, 2A
• 1 x Condensator electrolitic 100uF
• 1 x 40 fire Dupont 10cm, Mama-Mama
• 1 x Breadboard 830 puncte MB-102

Conectare:

Motorul se conecteaza la iesirile de bobina ale driverului A4988, iar driverul se conecteaza la Arduino pentru semnalele de comanda si separat la o sursa externa de 12 - 24 VDC pentru alimentarea motorului.

Driverul se alimenteaza separat pe VMOT si GND cu 12 - 24 VDC de la o sursa externa, nu de la Arduino, iar pe VDD si GND logic se conecteaza la 5V si GND de pe Arduino. STEP se conecteaza la D3, DIR la D2, iar ENABLE la D4. Firele de alimentare a motorului lucreaza pe o tensiune mai mare decat 5V, deci nu se conecteaza niciodata direct la pinii Arduino. Montati un condensator electrolitic de minimum 100 uF intre VMOT si GND, cat mai aproape de driver.

Placa si biblioteci:

In Arduino IDE selectati placa Arduino Uno din pachetul Arduino AVR Boards, care vine inclus implicit cu Arduino IDE si nu necesita adresa suplimentara in Preferences. Programul foloseste doar functiile standard digitalWrite si delayMicroseconds, deci nu este nevoie sa instalati nicio biblioteca.

Codul:

Codul roteste motorul o rotatie completa in sens orar, apoi o rotatie completa in sens antiorar, repetand ciclul si afisand pe monitorul serial fiecare etapa.

/*
  Board: Arduino Uno (Arduino AVR Boards)
  Driver: A4988 Stepper Motor Driver
  Motor: NEMA17 stepper motor JK42HS40-1704, bipolar, 1.8 deg/step (200 steps/rev)
  Wiring:
    A4988 STEP   -> Arduino D3
    A4988 DIR    -> Arduino D2
    A4988 ENABLE -> Arduino D4
    A4988 VDD    -> Arduino 5V
    A4988 GND (logic) -> Arduino GND
    A4988 1A / 1B -> Motor coil A (black / green)
    A4988 2A / 2B -> Motor coil B (red / blue)
    A4988 VMOT   -> External 12-24V power supply (+)
    A4988 GND (power) -> External power supply GND
  Libraries: none required, uses only the built in digitalWrite and delayMicroseconds functions
*/
const int stepPin = 3;
const int dirPin = 2;
const int enablePin = 4;
const int stepsPerRevolution = 200;
int stepDelayMicros = 1000;
void rotateSteps(int steps, bool clockwise) {
  digitalWrite(dirPin, clockwise ? HIGH : LOW);
  for (int i = 0; i < steps; i++) {
    digitalWrite(stepPin, HIGH);
    delayMicroseconds(stepDelayMicros);
    digitalWrite(stepPin, LOW);
    delayMicroseconds(stepDelayMicros);
  }
}
void setup() {
  Serial.begin(9600);
  pinMode(stepPin, OUTPUT);
  pinMode(dirPin, OUTPUT);
  pinMode(enablePin, OUTPUT);
  digitalWrite(enablePin, LOW);
  Serial.println("NEMA17 stepper motor ready");
}
void loop() {
  Serial.println("Rotating one full turn clockwise");
  rotateSteps(stepsPerRevolution, true);
  delay(1000);
  Serial.println("Rotating one full turn counterclockwise");
  rotateSteps(stepsPerRevolution, false);
  delay(1000);
}

Cum functioneaza codul:

La inceputul programului sunt definiti pinii stepPin, dirPin si enablePin, numarul de pasi pe rotatie stepsPerRevolution si variabila stepDelayMicros care controleaza viteza, un delay mai mic insemnand o viteza mai mare.

In functia setup se configureaza pinii ca iesiri si se activeaza driverul cu digitalWrite pe enablePin la LOW, deoarece A4988 are logica de activare inversata, iar comunicarea seriala porneste la 9600 baud.

Functia rotateSteps primeste numarul de pasi si directia, seteaza pinul dirPin corespunzator sensului dorit, apoi trimite impulsuri pe stepPin, fiecare impuls fiind format dintr-un front HIGH urmat de un front LOW, separate de intervalul stepDelayMicros.

In functia loop se apeleaza rotateSteps pentru o rotatie completa in sens orar, se asteapta o secunda, apoi se apeleaza din nou pentru o rotatie completa in sens antiorar, ciclul repetandu-se la infinit.

Rezultat:

Deschideti monitorul serial la 9600 baud. Veti vedea mesajele de stare, iar motorul va executa vizibil cate o rotatie completa in fiecare sens, cu o pauza de o secunda intre ele.

NEMA17 stepper motor ready
Rotating one full turn clockwise
Rotating one full turn counterclockwise
Rotating one full turn clockwise
Rotating one full turn counterclockwise
Rotating one full turn clockwise
Rotating one full turn counterclockwise

Probleme frecvente:

Motorul vibreaza dar nu se roteste: una dintre perechile de bobine este gresita. Verificati cu multimetrul ca firele negru si verde formeaza o bobina, iar rosu si albastru cealalta bobina, si ca fiecare pereche este conectata la aceeasi iesire a driverului (1A/1B, respectiv 2A/2B).

Motorul nu se misca deloc: verificati ca driverul este alimentat pe VMOT cu 12 - 24 VDC, ca pinul ENABLE este la LOW si ca firul GND al sursei externe este comun cu GND-ul Arduino.

Motorul pierde pasi sau sare peste miscari la viteza mare: limita de curent Vref este prea mica pentru sarcina, sau viteza ceruta este prea mare pentru cuplul disponibil. Cresteti usor Vref, in limita a 1.5 A, sau reduceti viteza micsorand valoarea stepDelayMicros.

Driverul sau motorul se incalzesc puternic: curentul este setat prea aproape de 1.7 A fara racire suficienta. Montati un radiator pe A4988 si reduceti Vref spre 1.2 A pentru functionare de durata.

Motorul se roteste in sens invers fata de ce asteptati: inversati firele unei singure bobine, de exemplu negru cu verde, sau schimbati valoarea trimisa pe dirPin in cod.

Limitari si sfaturi:

Controlul este in bucla deschisa, fara feedback de pozitie, deci la o sarcina mecanica prea mare motorul poate pierde pasi fara ca driverul sau programul sa stie acest lucru. Cuplul disponibil scade pe masura ce creste viteza de rotatie, asa ca pentru aplicatii rapide este nevoie de un compromis intre viteza si cuplul necesar. Pentru miscare mai silentioasa si mai fina puteti inlocui A4988 cu un driver cu microstepping mai fin, de exemplu TMC2208 sau TMC2209. Asigurati-va ca sursa de alimentare externa poate furniza curentul necesar pentru toate motoarele conectate simultan intr-un sistem cu mai multe axe.