Abb. 07 · Robotik-Labor · Erst die Strombegrenzung einstellen, dann steppen

Schrittmotortreiber A4988

Arduino Nano

Die Abbildung wird geladen …

Werkbank

Noch kein Messwert

VREF (Messgerät)

Noch kein Messwert

Stromaufnahme

0 mA

Bauen und kaputt machen

1BauenAls Nächstes
Bis auf die nackte Platine zerlegen
Fang mit der nackten grünen Trägerplatine an: 15,24 x 20,32 mm, eckige Ecken, keine Befestigungslöcher, sechzehn durchkontaktierte Löcher entlang der beiden Längsseiten. Alles kommt in der Reihenfolge der Fabrik wieder drauf.
2
Die SMD-Bauteile bestücken und reflowlöten
3
Die beiden Stiftleisten einsetzen
4
Die 16 Stiftleistenpins löten
5
Die Kappe RST-SLP und den 100-µF-Kondensator einsetzen
6
Den Nano verdrahten
7
Den Motor einstecken
8
Den LiPo anschließen
9
Das Messgerät ans Poti legen
10
Die Werkbank mit Strom versorgen
11
Die Strombegrenzung einstellen
12
Vollschritt
13
Halbschritt
14
1/16-Schritt
15
Den LiPo verkehrt herum anschließenKaputt machen
16
Den 100-µF-Kondensator verkehrt herum einsetzenKaputt machen
17
Die Kappe RST-SLP weglassenKaputt machen
18
Mit einem erschöpften Akku betreibenKaputt machen
19
Die Spulenpaare vertauschenKaputt machen
20
Die Grenze auf 1,68 A aufdrehenKaputt machen
21
Den Motor im Lauf abziehenKaputt machen
22
Explosionsansicht

Absichtlich kaputt machen

Jeder Fehler ist einer, über den echte Bastler stolpern. Lös ihn aus, lies das Symptom an der Werkbank ab und beheb ihn dann.

LiPo verkehrt herum angeschlossen
Verpolung
Warum es passiert
Symptom: Ein Knall vom Chip, die Akkukabel werden heiß, und der Treiber ist danach tot.
Pololu nennt keinen Verpolungsschutz. Jeder Brückenschalter hat eine Body-Diode, die von GND nach VMOT zeigt; verpolt leiten diese Dioden und schließen den Akku über den Chip kurz. Ein LiPo kann Dutzende Ampere liefern, weit mehr, als die Dioden überleben.
Lösung: Prüf vor dem Anschließen, dass Rot an VMOT geht, nimm einen codierten Stecker oder ergänz eine Diode in Reihe oder einen Verpolungsschutz-MOSFET in der Versorgung.
100-µF-Elko verkehrt herum
Bauteil verkehrt herum
Warum es passiert
Symptom: Der Kondensator wird heiß, bläht sich auf und bläst zischend ab.
Ein Elko hält Spannung nur in einer Richtung. Verkehrt herum bricht die Oxidschicht durch, er leitet, wird heiß, und das Überdruckventil in seiner Oberseite öffnet sich.
Lösung: Streifen (Minus) zu GND, das lange Bein zu VMOT. Ersetz einen Kondensator, der verkehrt herum drin war, auch wenn er gut aussieht.
RST offen
fehlendes Bauteil
Warum es passiert
Symptom: Der Strom ist an, und der Nano schickt Impulse, aber die Spulen sind aus: Die Welle dreht sich frei mit der Hand.
Auf dieser Trägerplatine hat RST keinen eigenen Pull-up. Offen liegt er auf LOW oder wandert, und solange RST LOW ist, wird der Übersetzer auf Home gehalten, und die Ausgänge sind aus.
Lösung: Steck die Jumper-Kappe wieder über RST und SLP oder leg RST von einem Pin aus auf HIGH.
VMOT unter 8 V
Brown-out
Warum es passiert
Symptom: Der Motor stottert und bleibt hinter den Impulsen zurück: Er verliert Schritte und landet woanders, als der Sketch glaubt.
Der A4988 ist ab 8 V an VMOT spezifiziert. Ein 2S-Akku hat voll 8,4 V, fällt aber lange vor dem Leerwerden unter 8 V. Darunter arbeitet der Chip außerhalb seiner Spezifikation: Die Ausgänge fallen aus, und Schritte gehen verloren. Ein Schrittmotor hat keinen Sensor, also merkt es niemand.
Lösung: Nimm einen 3S-Akku oder ein 12-V-Netzteil und hör auf, bevor der Akku einbricht.
Spulenpaare vertauscht
falsche Einstellung
Warum es passiert
Symptom: Der Motor brummt und zittert auf der Stelle, dreht sich aber nicht.
Jede H-Brücke muss beide Enden einer Spule treiben. Mit vertauschtem Grün und Rot treibt jede Brücke ein Ende jeder Spule, die beiden Felder kämpfen gegeneinander, und der Rotor schaukelt zwischen zwei Positionen.
Lösung: Find die Paare mit einem Messgerät: ein paar Ohm zwischen den beiden Kabeln einer Spule, offen zwischen den Spulen. Dann ein Paar an 1A und 1B, das andere an 2A und 2B.
Strombegrenzung zu hoch
Überhitzung
Warum es passiert
Symptom: Die Platine wird zu heiß zum Anfassen, dann bleibt der Motor stehen, läuft ein paar Sekunden später wieder an und bleibt wieder stehen.
Bei 1,68 A verbrennen die beiden Spulenpfade im Chip etwa 1,8 W, I² mal etwa 0,64 Ω, und mehr, wenn er warm wird. Die nackte Trägerplatine kann das nicht abgeben: Der Chip erreicht 165 °C, die Übertemperaturabschaltung schaltet die Ausgänge ab, er kühlt um 15 °C ab und startet wieder. Pololu setzt die Grenze ohne Kühlkörper bei etwa 1 A pro Spule an.
Lösung: Dreh VREF zurück auf 0,544 V (1,0 A). Für mehr Strom ergänz einen Kühlkörper und einen Luftstrom.
Motor unter Spannung abgezogen
falsche Spannung
Warum es passiert
Symptom: Ein winziger Funke am Stecker, der Motor wird schlaff, und der Treiber bewegt ihn nie wieder.
Der Strom einer Spule kann nicht sofort aufhören. Das Öffnen des Stromkreises zwingt ihn dazu, und die Spule antwortet mit einer Spannungsspitze, L x di/dt, weit über den 35 V, die die Ausgänge des A4988 vertragen. Pololu warnt, dass das den Treiber zerstören kann, oft ohne sichtbare Spur.
Lösung: Steck den Motor nur bei ausgeschaltetem Strom ein oder ab. Prüf Motorstecker und Lötstellen der Stiftleisten: Eine lockere macht dasselbe.

Die Werkbank im Überblick

Bau ihn auf, miss am Poti, steppe einen NEMA 17

Ein Schrittmotor dreht sich in festen Schritten, 200 pro Umdrehung bei einem NEMA 17, und hält mit beiden eingeschalteten Spulen seine Position. Der A4988 übernimmt den schwierigen Teil: Er schaltet die beiden Spulen über zwei H-Brücken in der richtigen Reihenfolge, einen Schritt für jeden Impuls an STEP, in der Richtung, die DIR vorgibt, und er begrenzt den Strom in jeder Spule mit einem Chopper, der die Spannung an einem 0,068-Ω-Messwiderstand überwacht. Diese Grenze stellst du ein, bevor sich irgendetwas dreht: Die Spannung am metallenen Schleifer des Trimmpotis, VREF, ergibt I_MAX = VREF / (8 x 0,068 Ω), also bedeuten 0,544 V auf dem Messgerät 1,0 A, etwa so viel, wie die nackte Trägerplatine ohne Kühlkörper verträgt. Bau die Pololu-Trägerplatine auf, verdrahte einen Nano, den Motor und einen 2S-LiPo, miss am Poti, während ein Halte-Sketch die Spulen eingeschaltet lässt, und steppe dann den Motor in Voll-, Halb- und 1/16-Schritten. Die Fehler sind die Klassiker: ein verpolter Akku, der Reset-Pin offen gelassen, ein erschöpfter Akku unter 8 V, vertauschte Spulenpaare, die Grenze bis auf die 1,68 A des Motors aufgedreht und der Motor, der im Lauf abgesteckt wird.

Quellen

Auf der Werkbank

Ausgewählt

Der Sketch verwendet 1.580 Bytes des Programmspeicherplatzes

Code: Halten, Vref einstellen

// A4988: Ein Impuls an STEP ist ein Schritt, DIR wählt die Richtung
const int STEP = 3, DIR = 4;           // STEP und DIR
const int MS1 = 5, MS2 = 6, MS3 = 7;   // MS1, MS2 und MS3 wählen die Schrittweite

// n Impulse, jeder für halfUs Mikrosekunden HIGH, dann LOW
void pulses(long n, int halfUs) {
  for (long i = 0; i < n; i++) {
    digitalWrite(STEP, HIGH); delayMicroseconds(halfUs);
    digitalWrite(STEP, LOW); delayMicroseconds(halfUs);
  }
}

void setup() {
  for (int p = 3; p <= 7; p++) pinMode(p, OUTPUT);
  Serial.begin(9600);
  digitalWrite(MS1, LOW); digitalWrite(MS2, LOW); digitalWrite(MS3, LOW);   // alle LOW: Vollschritt, 200 Schritte pro Umdrehung
  digitalWrite(DIR, HIGH);
  delay(1);                     // der Chip braucht nach dem Aufwachen 1 ms vor dem ersten Schritt
  Serial.println("hold: coils on, no steps");   // keine Impulse: Beide Spulen bleiben an, und die Welle hält
}

void loop() {
}

Übungsaufgaben

0/2 Aufgaben

Schreib den Code und führ dann die Prüfungen aus. Der Lauf nutzt eine virtuelle Uhr und eine geskriptete Umgebung, deshalb liefert derselbe Code immer dasselbe Ergebnis.

Eine Umdrehung hin und zurück

Arduino C++

Vollschritt, MS-Pins offen. Dreh die Welle genau eine Umdrehung vorwärts (DIR an D4 auf HIGH, 200 Impulse an D3, jeder 2500 µs HIGH und 2500 µs LOW), gib „one turn“ aus, warte 500 ms, setz dann DIR auf LOW, steppe 200 Impulse zurück zum Ausgangspunkt und gib „home“ aus.

Prüfungen

Noch nicht ausgeführtLäuft 3 s
Noch nicht ausgeführtDIR (D4) ist auf dem Hinweg HIGH
Noch nicht ausgeführtSTEP (D3) pulst alle 5 ms, etwa 400-mal
Noch nicht ausgeführtGibt nach der ersten Sekunde „one turn“ aus
Noch nicht ausgeführtDIR ist auf dem Rückweg LOW
Noch nicht ausgeführtGibt „home“ aus

Tipps

200 Vollschritte zu 1,8° ergeben 360°. Jeder Impuls: digitalWrite(STEP, HIGH); delayMicroseconds(2500); digitalWrite(STEP, LOW); delayMicroseconds(2500);
Pack die Impulsschleife in eine Funktion, steps(int n), und ruf sie zweimal auf.
Ändere DIR zwischen den beiden Bewegungen, vor dem ersten Impuls des Rückwegs.

Code für Eine Umdrehung hin und zurück

Eine Vierteldrehung pro Sekunde in 1/16-Schritten

Arduino C++

Setz MS1, MS2 und MS3 (D5, D6, D7) für den 1/16-Schritt auf HIGH. Dann pulse STEP mit 800 Impulsen pro Sekunde, 625 µs HIGH und 625 µs LOW, sodass sich die Welle jede Sekunde um eine Vierteldrehung dreht, und gib nach je 3200 Impulsen „1 turn“ aus.

Prüfungen

Noch nicht ausgeführtLäuft 4,3 s
Noch nicht ausgeführtMS1 (D5) ist HIGH
Noch nicht ausgeführtMS2 (D6) ist HIGH
Noch nicht ausgeführtMS3 (D7) ist HIGH
Noch nicht ausgeführtSTEP (D3) pulst alle 1,25 ms, mindestens 3000-mal
Noch nicht ausgeführtGibt nach 4 s „1 turn“ aus

Tipps

Der 1/16-Schritt braucht alle drei MS-Pins auf HIGH, einmal in setup() gesetzt.
Eine Vierteldrehung sind 800 Mikroschritte; 800 pro Sekunde sind einer alle 1250 µs, also 625 µs HIGH und 625 µs LOW.
Zähl in einer for-Schleife 3200 Impulse und gib dann aus. 3200 x 1,25 ms = 4 s pro Umdrehung.

Code für Eine Vierteldrehung pro Sekunde in 1/16-Schritten

Bauen und kaputt machen

1BauenAls Nächstes

Bis auf die nackte Platine zerlegen

Fang mit der nackten grünen Trägerplatine an: 15,24 x 20,32 mm, eckige Ecken, keine Befestigungslöcher, sechzehn durchkontaktierte Löcher entlang der beiden Längsseiten. Alles kommt in der Reihenfolge der Fabrik wieder drauf.

Die SMD-Bauteile bestücken und reflowlöten

Die beiden Stiftleisten einsetzen

Die 16 Stiftleistenpins löten

Die Kappe RST-SLP und den 100-µF-Kondensator einsetzen

Den Nano verdrahten

Den Motor einstecken

Den LiPo anschließen

Das Messgerät ans Poti legen

Die Werkbank mit Strom versorgen

Die Strombegrenzung einstellen

Vollschritt

Halbschritt

1/16-Schritt

Den LiPo verkehrt herum anschließenKaputt machen

Den 100-µF-Kondensator verkehrt herum einsetzenKaputt machen

Die Kappe RST-SLP weglassenKaputt machen

Mit einem erschöpften Akku betreibenKaputt machen

Die Spulenpaare vertauschenKaputt machen

Die Grenze auf 1,68 A aufdrehenKaputt machen

Den Motor im Lauf abziehenKaputt machen

Explosionsansicht

Die Werkbank im Überblick

Bau ihn auf, miss am Poti, steppe einen NEMA 17

Auf der Werkbank

Ausgewählt

Der Sketch verwendet 1.580 Bytes des Programmspeicherplatzes

Code: Halten, Vref einstellen

// A4988: Ein Impuls an STEP ist ein Schritt, DIR wählt die Richtung
const int STEP = 3, DIR = 4;           // STEP und DIR
const int MS1 = 5, MS2 = 6, MS3 = 7;   // MS1, MS2 und MS3 wählen die Schrittweite

// n Impulse, jeder für halfUs Mikrosekunden HIGH, dann LOW
void pulses(long n, int halfUs) {
  for (long i = 0; i < n; i++) {
    digitalWrite(STEP, HIGH); delayMicroseconds(halfUs);
    digitalWrite(STEP, LOW); delayMicroseconds(halfUs);
  }
}

void setup() {
  for (int p = 3; p <= 7; p++) pinMode(p, OUTPUT);
  Serial.begin(9600);
  digitalWrite(MS1, LOW); digitalWrite(MS2, LOW); digitalWrite(MS3, LOW);   // alle LOW: Vollschritt, 200 Schritte pro Umdrehung
  digitalWrite(DIR, HIGH);
  delay(1);                     // der Chip braucht nach dem Aufwachen 1 ms vor dem ersten Schritt
  Serial.println("hold: coils on, no steps");   // keine Impulse: Beide Spulen bleiben an, und die Welle hält
}

void loop() {
}

Schrittmotortreiber A4988

Die Werkbank

Bauen und kaputt machen

Bis auf die nackte Platine zerlegen

Die SMD-Bauteile bestücken und reflowlöten

Die beiden Stiftleisten einsetzen

Die 16 Stiftleistenpins löten

Die Kappe RST-SLP und den 100-µF-Kondensator einsetzen

Den Nano verdrahten

Den Motor einstecken

Den LiPo anschließen

Das Messgerät ans Poti legen

Die Werkbank mit Strom versorgen

Die Strombegrenzung einstellen

Vollschritt

Halbschritt

1/16-Schritt

Den LiPo verkehrt herum anschließenKaputt machen

Den 100-µF-Kondensator verkehrt herum einsetzenKaputt machen

Die Kappe RST-SLP weglassenKaputt machen

Mit einem erschöpften Akku betreibenKaputt machen

Die Spulenpaare vertauschenKaputt machen

Die Grenze auf 1,68 A aufdrehenKaputt machen

Den Motor im Lauf abziehenKaputt machen

Explosionsansicht

Absichtlich kaputt machen

LiPo verkehrt herum angeschlossen

100-µF-Elko verkehrt herum

RST offen

VMOT unter 8 V

Spulenpaare vertauscht

Strombegrenzung zu hoch

Motor unter Spannung abgezogen

Live-Status

Stromaufnahme

Teste dich selbst

Nach: Die Kappe RST-SLP und den 100-µF-Kondensator einsetzen

Nach: Die Strombegrenzung einstellen

Nach: 1/16-Schritt

Nach: Den Motor im Lauf abziehen

Abschlussquiz der Werkbank

Die Werkbank im Überblick

Quellen

Auf der Werkbank

Übungsaufgaben

Eine Umdrehung hin und zurück

Prüfungen

Eine Vierteldrehung pro Sekunde in 1/16-Schritten

Prüfungen

Schrittmotortreiber A4988

Die Werkbank

Bauen und kaputt machen

Bis auf die nackte Platine zerlegen

Die SMD-Bauteile bestücken und reflowlöten

Die beiden Stiftleisten einsetzen

Die 16 Stiftleistenpins löten

Die Kappe RST-SLP und den 100-µF-Kondensator einsetzen

Den Nano verdrahten

Den Motor einstecken

Den LiPo anschließen

Das Messgerät ans Poti legen

Die Werkbank mit Strom versorgen

Die Strombegrenzung einstellen

Vollschritt

Halbschritt

1/16-Schritt

Den LiPo verkehrt herum anschließenKaputt machen

Den 100-µF-Kondensator verkehrt herum einsetzenKaputt machen

Die Kappe RST-SLP weglassenKaputt machen

Mit einem erschöpften Akku betreibenKaputt machen

Die Spulenpaare vertauschenKaputt machen

Die Grenze auf 1,68 A aufdrehenKaputt machen

Den Motor im Lauf abziehenKaputt machen

Explosionsansicht

Absichtlich kaputt machen

LiPo verkehrt herum angeschlossen

100-µF-Elko verkehrt herum

RST offen

VMOT unter 8 V

Spulenpaare vertauscht