Léptetőmotor, NEMA17, 1,7 A, 1,8°, 42x42x40 mm, bipoláris

A NEMA17 JK42HS40-1704 léptetőmotor egy 4 vezetékes, bipoláris hibrid motor, amelyet 3D nyomtatók, CNC routerek, lézergravírozó gépek és más lineáris pozicionáló rendszerek tengelyeinek mozgatására használnak, ahol pontos, lépésenkénti forgásra van szükség, pozíciószenzor nélkül.

A működéshez feltétlenül szükséges egy áramkorlátozással rendelkező driver, például A4988, valamint egy mikrokontroller, amely generálja a léptetőimpulzusokat. Ebben az oktatóanyagban egy Arduino Uno R3 panelt és egy A4988 drivert használunk, ez a legelterjedtebb kombináció ehhez a motortípushoz a 3D nyomtatási és CNC projektekben.

Hogyan működik:

A motor lépésszöge 1.8 fok, vagyis 360 osztva 1.8-cal 200 lépést eredményez egy teljes körülfordulásra, teljes lépéses vezérlés esetén. Minden a driver STEP lábára adott impulzus a tekercseket egy másik polaritás-kombinációba kapcsolja, a rotor pedig egyetlen lépést halad előre.

A forgási sebességet a STEP impulzusok frekvenciája adja meg. A képlet: a frekvencia Hz-ben egyenlő a fordulatszámmal RPM-ben szorozva a fordulatonkénti lépésszámmal, az egészet elosztva 60-nal. Például 60 RPM-hez teljes lépés esetén 60 x 200 osztva 60-nal, azaz 200 Hz adódik, tehát egy STEP impulzus minden 5 ms-ban.

Az A4988 driver microstepping üzemmódot is lehetővé tesz, vagyis minden teljes lépést allépésekre oszt, például 1/16 microstep esetén 200 x 16, azaz 3200 lépés adódik egy fordulatra, finomabb és csendesebb mozgás érdekében.

A tekercseken átfolyó áramot a driveren lévő potenciométerrel lehet korlátozni, a következő képlet szerint: Vref egyenlő a kívánt árammal szorozva 8-cal és az Rs érzékelő ellenállással. Rs = 0.1 ohm esetén, amely a legtöbb A4988 panelen R100 jelöléssel szerepel, a képlet Vref egyenlő az árammal szorozva 0.8-cal lesz. Ehhez a motorhoz, amelynek névleges árama 1.7 A, 1.2 és 1.5 A közötti korlátot ajánlunk tartós üzemeltetéshez, vagyis Vref 0.96 és 1.2 V között legyen.

Mire van szükséged:

• 1 x NEMA17 Léptetőmotor 1.7A 1.8 fok 42x42x40mm Bipoláris
• 1 x Uno R3 fejlesztői panel ESP8266 Wifi-vel, Arduino-kompatibilis
• 1 x A4988 léptetőmotor driver + Hűtőborda
• 1 x Tápegység 12V, 2A
• 1 x 100uF elektrolit kondenzátor
• 1 x 40 db Dupont vezeték 10cm, Anya-Anya
• 1 x Breadboard 830 pontos MB-102

Bekötés:

A motort az A4988 driver tekercskimeneteihez kell csatlakoztatni, a drivert pedig az Arduino-hoz a vezérlőjelekhez, valamint külön egy külső 12 - 24 VDC tápegységhez a motor táplálásához.

A drivert külön kell táplálni a VMOT és GND lábakon 12 - 24 VDC feszültséggel egy külső tápegységről, nem az Arduino-ról, míg a VDD és a logikai GND a 5V-ra és GND-re csatlakozik az Arduino-n. A STEP a D3-hoz, a DIR a D2-höz, az ENABLE pedig a D4-hez csatlakozik. A motor tápvezetékei nagyobb feszültséggel működnek mint 5V, ezért soha nem szabad közvetlenül az Arduino lábaihoz csatlakoztatni őket. Helyezzünk egy legalább 100 uF-os elektrolit kondenzátort a VMOT és GND közé, a lehető legközelebb a driverhez.

Panel és könyvtárak:

Az Arduino IDE-ben válasszuk az Arduino Uno panelt az Arduino AVR Boards csomagból, amely alapértelmezetten az Arduino IDE-vel együtt érkezik, és nem igényel további címet a Preferences-ben. A program csak a standard digitalWrite és delayMicroseconds függvényeket használja, tehát nem kell semmilyen könyvtárat telepíteni.

A kód:

A kód a motort egy teljes körülfordulásra forgatja óramutató járásával megegyező irányban, majd egy teljes körülfordulásra az ellentétes irányban, ismételve a ciklust és minden lépést kiírva a soros monitorra.

/*
  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);
}

Hogyan működik a kód:

A program elején definiálva vannak a stepPin, dirPin és enablePin lábak, a fordulatonkénti lépésszám stepsPerRevolution, valamint a stepDelayMicros változó, amely a sebességet szabályozza, egy kisebb delay nagyobb sebességet jelent.

A setup függvényben a lábak kimenetként vannak beállítva, és a driver aktiválódik a digitalWrite segítségével az enablePin lábon LOW szintre állítva, mivel az A4988 fordított aktiválási logikával rendelkezik, a soros kommunikáció pedig 9600 baud sebességgel indul.

A rotateSteps függvény megkapja a lépések számát és az irányt, beállítja a dirPin lábat a kívánt iránynak megfelelően, majd impulzusokat küld a stepPin lábra, minden impulzus egy HIGH felfutó éllel kezdődik, amit egy LOW lefutó él követ, a kettőt a stepDelayMicros időintervallum választja el.

A loop függvényben meghívjuk a rotateSteps-t egy teljes körülfordulásra óramutató járásával megegyező irányban, várunk egy másodpercet, majd ismét meghívjuk egy teljes körülfordulásra ellentétes irányban, a ciklus pedig a végtelenségig ismétlődik.

Eredmény:

Nyissuk meg a soros monitort 9600 baud sebességgel. Látni fogjuk az állapotüzeneteket, a motor pedig láthatóan végrehajt egy-egy teljes körülfordulást mindkét irányban, köztük egy másodperces szünettel.

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

Gyakori problémák:

A motor rezeg, de nem forog: az egyik tekercspár helytelenül van bekötve. Multiméterrel ellenőrizzük, hogy a fekete és a zöld vezeték alkot egy tekercset, a piros és a kék pedig a másik tekercset, és hogy mindkét pár ugyanarra a driver kimenetre van kötve (1A/1B, illetve 2A/2B).

A motor egyáltalán nem mozdul: ellenőrizzük, hogy a driver VMOT lába 12 - 24 VDC feszültséggel van táplálva, hogy az ENABLE láb LOW szinten van, és hogy a külső tápegység GND vezetéke közös az Arduino GND-jével.

A motor lépéseket veszít vagy kihagy mozdulatokat nagy sebességnél: a Vref áramkorlát túl alacsony a terheléshez, vagy a kért sebesség túl nagy a rendelkezésre álló nyomatékhoz képest. Növeljük óvatosan a Vref-et, legfeljebb 1.5 A-ig, vagy csökkentsük a sebességet a stepDelayMicros érték csökkentésével.

A driver vagy a motor erősen felmelegszik: az áram túl közel van beállítva az 1.7 A-hez, megfelelő hűtés nélkül. Szereljünk hűtőbordát az A4988-ra, és csökkentsük a Vref-et 1.2 A felé tartós üzemeltetéshez.

A motor az elvárttal ellentétes irányban forog: cseréljük fel az egyik tekercs vezetékeit, például a feketét a zölddel, vagy módosítsuk a dirPin lábra küldött értéket a kódban.

Korlátok és tanácsok:

A vezérlés nyílt hurkú, pozícióvisszajelzés nélkül, tehát túl nagy mechanikai terhelés esetén a motor lépéseket veszíthet anélkül, hogy a driver vagy a program ezt észlelné. A rendelkezésre álló nyomaték csökken a forgási sebesség növekedésével, ezért gyors alkalmazásoknál kompromisszumot kell kötni a sebesség és a szükséges nyomaték között. Csendesebb és finomabb mozgás érdekében az A4988 helyett használhatunk finomabb microstepping driveréket, például TMC2208 vagy TMC2209. Győződjünk meg róla, hogy a külső tápegység képes biztosítani a szükséges áramot az összes egyidejűleg csatlakoztatott motor számára egy több tengellyel rendelkező rendszerben.