Schrittmotor, NEMA17, 1,7 A, 1,8°, 42 x 42 x 40 mm, bipolar

Der Schrittmotor NEMA17 JK42HS40-1704 ist ein bipolarer Hybrid-Schrittmotor mit 4 Drähten, der für die Achsbewegung bei 3D-Druckern, CNC-Routern, Lasergravierern und anderen Systemen zur linearen Positionierung eingesetzt wird, bei denen eine präzise, schrittweise Rotation ohne Positionssensor benötigt wird.

Zum Betrieb benötigt er zwingend einen Treiber mit Stromregelung, zum Beispiel A4988, sowie einen Mikrocontroller, der die Schrittimpulse erzeugt. In diesem Tutorial verwenden wir ein Arduino Uno R3 Board und einen A4988 Treiber, die am häufigsten verwendete Kombination für diesen Motortyp bei 3D-Druck- und CNC-Projekten.

Funktionsweise:

Der Motor hat einen Schrittwinkel von 1.8 Grad, das heisst 360 geteilt durch 1.8 ergibt 200 Schritte pro vollständiger Umdrehung bei Vollschrittbetrieb. Jeder Impuls am STEP-Pin des Treibers lässt die Spulen in eine andere Polaritätskombination umschalten, wodurch sich der Rotor um einen einzigen Schritt weiterbewegt.

Die Drehgeschwindigkeit wird durch die Frequenz der STEP-Impulse bestimmt. Die Formel lautet Frequenz in Hz gleich Drehzahl in RPM multipliziert mit der Anzahl der Schritte pro Umdrehung, das Ganze geteilt durch 60. Zum Beispiel ergibt sich bei 60 RPM im Vollschrittbetrieb 60 x 200 geteilt durch 60, also 200 Hz, das heisst ein STEP-Impuls alle 5 ms.

Der A4988 Treiber ermöglicht auch Microstepping, das heisst jeder Vollschritt wird in Teilschritte unterteilt, zum Beispiel ergibt 1/16 Microstep 200 x 16, also 3200 Schritte pro Umdrehung, für eine feinere und leisere Bewegung.

Der Strom durch die Spulen wird über das Potentiometer am Treiber begrenzt, nach der Formel Vref gleich gewünschter Strom multipliziert mit 8 und mit dem Shunt-Widerstand Rs. Bei einem Rs von 0.1 Ohm, auf den meisten A4988 Platinen mit R100 gekennzeichnet, wird die Formel zu Vref gleich Strom multipliziert mit 0.8. Für diesen Motor mit einem Nennstrom von 1.7 A wird ein Grenzwert von 1.2 bis 1.5 A für Dauerbetrieb empfohlen, also ein Vref zwischen 0.96 und 1.2 V.

Was Sie benötigen:

• 1 x Schrittmotor NEMA17 1.7A 1.8 Grad 42x42x40mm Bipolar
• 1 x Entwicklungsboard Uno R3 mit Wifi ESP8266, kompatibel mit Arduino
• 1 x Schrittmotortreiber A4988 + Kühlkörper
• 1 x Netzteil 12V, 2A
• 1 x Elektrolytkondensator 100uF
• 1 x 40 Dupont-Kabel 10cm, Buchse-Buchse
• 1 x Breadboard 830 Punkte MB-102

Anschluss:

Der Motor wird an die Spulenausgänge des A4988 Treibers angeschlossen, und der Treiber wird zum einen für die Steuersignale mit dem Arduino verbunden und zum anderen separat an eine externe Spannungsquelle von 12 - 24 VDC für die Stromversorgung des Motors angeschlossen.

Der Treiber wird separat über VMOT und GND mit 12 - 24 VDC von einer externen Quelle versorgt, nicht vom Arduino, während VDD und logisches GND an 5V und GND des Arduino angeschlossen werden. STEP wird an D3 angeschlossen, DIR an D2, und ENABLE an D4. Die Versorgungskabel des Motors arbeiten mit einer Spannung über 5V, daher dürfen sie niemals direkt mit den Arduino-Pins verbunden werden. Montieren Sie einen Elektrolytkondensator von mindestens 100 uF zwischen VMOT und GND, so nah wie möglich am Treiber.

Board und Bibliotheken:

Wählen Sie in der Arduino IDE das Board Arduino Uno aus dem Paket Arduino AVR Boards aus, das standardmässig in der Arduino IDE enthalten ist und keine zusätzliche Adresse in den Preferences benötigt. Das Programm verwendet nur die Standardfunktionen digitalWrite und delayMicroseconds, daher müssen Sie keine zusätzliche Bibliothek installieren.

Der Code:

Der Code dreht den Motor eine vollständige Umdrehung im Uhrzeigersinn, dann eine vollständige Umdrehung gegen den Uhrzeigersinn, wiederholt den Zyklus und zeigt im seriellen Monitor jede Etappe an.

/*
  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);
}

Wie der Code funktioniert:

Am Anfang des Programms werden die Pins stepPin, dirPin und enablePin definiert, die Anzahl der Schritte pro Umdrehung stepsPerRevolution sowie die Variable stepDelayMicros, die die Geschwindigkeit steuert, wobei eine kleinere Verzögerung eine höhere Geschwindigkeit bedeutet.

In der Funktion setup werden die Pins als Ausgänge konfiguriert und der Treiber wird mit digitalWrite am enablePin auf LOW aktiviert, da der A4988 eine invertierte Aktivierungslogik hat, und die serielle Kommunikation startet mit 9600 Baud.

Die Funktion rotateSteps erhält die Anzahl der Schritte und die Richtung, setzt den dirPin entsprechend der gewünschten Drehrichtung und sendet dann Impulse am stepPin, wobei jeder Impuls aus einer steigenden HIGH-Flanke gefolgt von einer fallenden LOW-Flanke besteht, die durch das Intervall stepDelayMicros getrennt sind.

In der Funktion loop wird rotateSteps für eine vollständige Umdrehung im Uhrzeigersinn aufgerufen, dann wird eine Sekunde gewartet, anschliessend wird es erneut für eine vollständige Umdrehung gegen den Uhrzeigersinn aufgerufen, wobei sich der Zyklus unendlich wiederholt.

Ergebnis:

Öffnen Sie den seriellen Monitor mit 9600 Baud. Sie werden die Statusmeldungen sehen, und der Motor wird sichtbar jeweils eine vollständige Umdrehung in jede Richtung ausführen, mit einer Pause von einer Sekunde dazwischen.

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

Häufige Probleme:

Der Motor vibriert, dreht sich aber nicht: eines der Spulenpaare ist falsch angeschlossen. Prüfen Sie mit dem Multimeter, dass die schwarzen und grünen Drähte eine Spule bilden und rot und blau die andere Spule, und dass jedes Paar mit demselben Ausgang des Treibers verbunden ist (1A/1B bzw. 2A/2B).

Der Motor bewegt sich überhaupt nicht: prüfen Sie, dass der Treiber über VMOT mit 12 - 24 VDC versorgt wird, dass der ENABLE-Pin auf LOW liegt und dass der GND-Draht der externen Quelle mit dem GND des Arduino gemeinsam ist.

Der Motor verliert Schritte oder überspringt Bewegungen bei hoher Geschwindigkeit: die Stromgrenze Vref ist für die Last zu niedrig, oder die geforderte Geschwindigkeit ist für das verfügbare Drehmoment zu hoch. Erhöhen Sie Vref leicht, im Rahmen von 1.5 A, oder reduzieren Sie die Geschwindigkeit durch Verringern des Wertes stepDelayMicros.

Der Treiber oder der Motor werden stark heiss: der Strom ist zu nah an 1.7 A eingestellt, ohne ausreichende Kühlung. Montieren Sie einen Kühlkörper auf dem A4988 und reduzieren Sie Vref auf etwa 1.2 A für Dauerbetrieb.

Der Motor dreht sich in die entgegengesetzte Richtung zu der erwarteten: vertauschen Sie die Drähte einer einzelnen Spule, zum Beispiel schwarz mit grün, oder ändern Sie den an dirPin gesendeten Wert im Code.

Einschränkungen und Hinweise:

Die Steuerung erfolgt in einer offenen Regelschleife, ohne Positions-Feedback, das heisst bei einer zu grossen mechanischen Last kann der Motor Schritte verlieren, ohne dass der Treiber oder das Programm dies bemerken. Das verfügbare Drehmoment nimmt mit steigender Drehgeschwindigkeit ab, daher ist bei schnellen Anwendungen ein Kompromiss zwischen Geschwindigkeit und benötigtem Drehmoment erforderlich. Für eine leisere und feinere Bewegung können Sie den A4988 durch einen Treiber mit feinerem Microstepping ersetzen, zum Beispiel TMC2208 oder TMC2209. Stellen Sie sicher, dass das externe Netzteil den erforderlichen Strom für alle gleichzeitig angeschlossenen Motoren in einem System mit mehreren Achsen liefern kann.