A4988: драйвер с микрошагом за копейки

NEMA 17 я заказал после того, как 28BYJ-48 сорвалась на ролике шторки теплицы, — а посылка удивила: драйверы A4988 стоили как столовая ложка, три штуки за сотню рублей. Размером с ноготь, шестнадцать ножек с двух сторон — и ни одного знакомого входа IN1-IN4. Куда подключать четыре провода мотора? Где светодиоды, по которым на плате ULN2003 читалась последовательность фаз? Ничего этого нет, и это не жадность производителя, а другой способ управления мотором.

A4988 — не усилитель сигналов, а транслятор: он сам считает фазы, сам дробит шаг до шестнадцатой доли и сам держит ток обмоток, невзирая на напряжение питания. От Arduino ему нужны две линии, плюс логики и плюс мотора. Плата за самостоятельность — требовательность к сборке: без электролита на шине моторного питания драйвер умирает от одного перетыкания провода, я проверил это на втором экземпляре.

В этом уроке — распиновка и интерфейс Step/Dir, два питания и ток под винтом, сон и сброс, и сравнение с ULN2003, чтобы было видно, за что именно мы платим эти копейки. Финал — симулятор с моделью NEMA 17 на двести шагов и ручкой скорости. Микрошаг, токи фаз и цену плавности разберём в следующем уроке, мотор NEMA 17 — в третьем.

Интерфейс занимает два пина и две строки кода. Пин DIR объявляет направление: HIGH — в одну сторону, LOW — в другую; установиться он должен хотя бы за 200 наносекунд до импульса. Пин STEP принимает импульсы: каждый фронт из нуля в единицу — ровно один шаг, высокий уровень держим минимум 1 микросекунду. Всё. Транслятор внутри драйвера сам разложит шаги по обмоткам — ту партитуру тактов, которую мы в уроке про полушаг гоняли руками на digitalWrite, он щёлкает без вашей таблицы.

Третья линия — ENABLE, и она инвертированная: ноль включает мосты, единица отключает. Нога притянута к земле внутри чипа, поэтому её можно вообще не подключать — драйвер живёт. Подадите HIGH — обмотки обесточены, вал проворачивается пальцем, нагрев падает до нуля. Я завожу ENABLE на пин всегда: мотор, который часами греется на удержании без дела, мы уже обсуждали в первом уроке раздела — там он печёк так, что корпус не держать.

Скорость задаётся паузой между импульсами, и тут полезно помнить цену digitalWrite: на Uno команда занимает около 5 микросекунд, так что из простого цикла выжимаются десятки тысяч импульсов в секунду — для сотен оборотов в минуту хватает с запасом. Мой рабочий темп — импульс каждые 2 мс: 200 шагов на оборот дают около 145 об/мин. Выше — только с разгоном: библиотека AccelStepper плавно поднимает частоту и не срывает ротор на старте, а старт на чистом delay с высокой частотой кончается гудением на месте.

Питаний два, и путать их нельзя. VMOT — моторное, от 8 до 35 вольт: я даю 12 В от адаптера на 2 А. VDD — логическое, 3-5,5 В, сажается на 5 В Arduino. Земля общая, без вариантов — иначе сигналы STEP и DIR висят в воздухе. В отличие от связки 28BYJ-48 с платой ULN2003, мотору здесь не нужен плюс платы: у него своя шина, и мелкая плата остаётся для мелких моторов.

Ток задаётся подстроечным винтом, и это главная настройка драйвера. Чип рубит фазы короткими порциями — работает чоппер, — поэтому ток не зависит от напряжения VMOT, только от винта. Формула: ток = Vref / (8 × R сенсора); на типовых клонах стоят резисторы 0,1 Ом, значит, ток равен 1,25 × Vref. Выкрутите винт на 0,8 В — получите 1 А на фазу; мотор с паспортными 1,2 А просит 0,96 В. Меряется вольтметром между винтом и землёй, мотор отключать не нужно.

Теперь то, о чём забывают чаще всего: электролит 100 мкФ между VMOT и землёй, вплотную к клеммам. Провода питания — антенна, обмотки — индуктивность, и обрыв провода под током рождает выброс в десятки и сотни вольт, который пробивает чип быстрее, чем вы успеваете отдёрнуть руку. Зачем конденсатор спасает шину, мы разбирали в уроке про фильтр питания; здесь запомните порядок сборки: конденсатор — раньше, чем подключается мотор.

Функция odinImpuls держит фронт 10 микросекунд — даташит просит минимум одну, запас в десять раз стоит ноль усилий. Пауза delay(2) между импульсами даёт двести шагов примерно за 0,42 секунды — около 145 об/мин. Число честное для чистого вала на 12 В; с нагрузкой у многих экземпляров темп уже на грани срыва: если мотор гудит и стоит — растите паузу вдвое. Где проходит граница срыва и как её вымерять на своём экземпляре, у нас есть отдельный разговор про скорость.

DIR устанавливается до серии импульсов, а не вместе с ними: переключили направление — дайте линии устояться и только потом начинайте щёлкать STEP. Двести импульсов — ровно оборот: арифметика та же, к которой мы привыкли с 2048 шагами, только без редуктора и без его дробного передаточного числа. Вынос импульса в функцию — не эстетика: свои функции в скетче позволяют потом заменить delay на millis-таймер в одном месте, а не по всем циклам.

ENABLE в этом скетче не трогаем — нога молчит, драйвер включён всегда. Для заслонки или дозатора это нормально. Для механизма, который часами стоит с зажатым валом, добавьте HIGH на ENABLE после хода и LOW перед следующим: обмотки отпустит, нагрев уйдёт, но позицию никто не держит — механика должна сама приходить в устойчивую точку.

Две ножки с похожими названиями — SLEEP и RESET. Ноль на SLEEP усыпляет чип: потребление падает до микроампер, выходы отключены; после подъёма линии драйверу нужна примерно миллисекунда, прежде чем первый импульс STEP дойдёт до моста. Ноль на RESET возвращает транслятор в нулевой такт — домашнюю позицию: удобно, когда счёт шагов разъехался с механикой. На большинстве модулей эти ножки соединены перемычкой и подтянуты к VDD — ни сна, ни сброса, драйвер просто живёт. Для батарейного проекта уводить чип в сон между ходами — правильный ход, в одну компанию с сном самой платы.

Честно про симулятор: движок не эмулирует ни A4988, ни токи фаз, ни VMOT. Модель построена на библиотечном Stepper с двумястами шагами на оборот — как NEMA 17: каждый вызов step в модели — это на настоящей плате серия импульсов на пине STEP с установленным DIR. Потенциометр A0 задаёт скорость от 2 до 12 об/мин, светодиод D12 мигает на каждый оборот, Serial печатает оборот, скорость и время. Время в симуляторе зависит от скорости прокрутки — смотрите на пропорцию: rpm, умноженные на время оборота, всегда дают около 60 секунд.

Связка NEMA 17 и A4988 поехала — но на полном шаге позиции крупные: 1,8 градуса, и на слайдере камеры каждый скачок виден глазом. Драйвер умеет делить шаг на 2, 4, 8 и 16 долей тремя пинами MS1-MS3 — следующий урок про то, как внутри него течёт синус по обмоткам, чем за плавность платим моментом и почему точность позиционирования при этом не растёт в шестнадцать раз.