A4988 и DRV8825 — драйверы биполярного шагового двигателя

Сравнение

Выводы DRV8825

Выводы A4988

Корпус QFN-28 с выводами с четырёх сторон, поэтому ниже таблица. По с. 16 даташита: OUT2B — 1, ENABLE — 2, GND — 3 и 18, CP1 — 4, CP2 — 5, VCP — 6, VREG — 8, MS1–MS3 — 9–11, RESET — 12, ROSC — 13, SLEEP — 14, VDD — 15, STEP — 16, REF — 17, DIR — 19, OUT1B — 21, VBB1 — 22, SENSE1 — 23, OUT1A — 24, OUT2A — 26, SENSE2 — 27, VBB2 — 28; 7, 20 и 25 не подключены. Оба вывода GND соединяют снаружи через площадку под корпусом.

Обвязка по типовой схеме Allegro: 0,1 мкФ между CP1 и CP2 и между VCP и VBB, 0,22 мкФ на VREG (внутренний стабилизатор около 7 В для нижних ключей), керамика 0,1 мкФ и электролит 100 мкФ на VBB. Входы MS1 и MS3 подтянуты к земле резисторами 100 кОм, MS2 — 50 кОм, поэтому свободные входы дают полный шаг.

Модули Pololu и их копии

Обе микросхемы чаще всего покупают на 16-выводных модулях формата Pololu. Назначение выводов — по схемам минимального подключения Pololu:

• RESET и SLEEP. У модуля A4988 вход RESET висит в воздухе, и Pololu предлагает соединить его с соседним SLEEP, подтянутым на плате. У DRV8825 микросхема держит SLEEP и RESET в нуле (1 МОм и 100 кОм), поэтому оба нужно подать в единицу, а ENABLE можно не подключать.
• VDD и FAULT. На месте VDD модуля A4988 у DRV8825 — выход FAULT через резистор 1,5 кОм. Поэтому плата, которая подаёт на этот вывод питание логики, не повредит DRV8825, а через резистор 10 кОм на модуле ещё и подтянет SLEEP.
• Шунты. У A4988 Pololu с 2017 г. ставит 0,068 Ом (раньше — 0,050 Ом), у DRV8825 — 0,1 Ом. Копии других производителей бывают с другими шунтами — сопротивление читают по маркировке резисторов.
• Выбросы питания. Керамика на модуле вместе с индуктивностью проводов даёт выбросы выше предельного напряжения даже при питании 12 В; Pololu советует электролит не меньше 47 мкФ на VMOT рядом с модулем.
• Нельзя подключать и отключать двигатель при включённом питании — по Pololu, это может разрушить драйвер.

Ток ограничения

Ток задают напряжением на REF (VREF) и шунтом в цепи моста. Формулы из даташитов:

Ток полной шкалы — это амплитуда тока обмотки в микрошаге. В режиме полного шага обе обмотки включены на 70,71 % полной шкалы (у DRV8825 табл. 1 так и называет режим — «71 % current»), поэтому измеренный в обмотке ток меньше уставки. Ток ставят не выше номинального тока фазы двигателя. Отдельная тонкость A4988 на модуле: VREF берётся с подстроечного резистора, подключённого к VDD, и при смене питания логики с 5 на 3,3 В ток меняется — Pololu предупреждает, что его нужно выставить заново.

Микрошаг

Обратите внимание на порядок: у DRV8825 старший разряд — MODE2. Каждый фронт STEP сдвигает индексатор на одну строку таблицы токов, DIR задаёт направление; новые значения DIR и выбора шага вступают в силу со следующим фронтом. Для двигателя с шагом 1,8° (200 шагов на оборот) режим 1/16 даёт 3200 импульсов на оборот, 1/32 — 6400.

Тайминги: A4988 — импульс STEP не короче 1 мкс в единице и в нуле, установка и удержание входов 200 нс; DRV8825 — 1,9 мкс, 650 нс и частота шагов до 250 кГц. После выхода из сна нужно подождать: 1 мс у A4988 и 1,7 мс у DRV8825.

Спад тока и защита

Когда ток обмотки достигает уставки, мост переходит в режим спада:

• A4988 держит выключенное состояние фиксированное время tOFF: 30 мкс (20–40 мкс) при ROSC, подключённом к VDD или к земле, или около ROSC / 825 мкс через резистор. Спад выбирается автоматически: смешанный (31,25 % времени быстрый, остальное медленный), когда ток по таблице уменьшается, и медленный, когда растёт. При ROSC на земле смешанный спад работает всегда — это лечит пропуск шагов на очень малой скорости.
• DRV8825 работает с фиксированной частотой ШИМ 30 кГц; режим задаёт вывод DECAY, а смешанный спад начинается быстрым и через 75 % периода переходит в медленный. Время гашения после включения — 4 мкс по таблице характеристик и 3,75 мкс по описанию работы; оно же задаёт минимальное время включения.

Защита: A4988 отключает выходы при перегреве (165 °C, гистерезис 15 °C), понижении VDD (2,8 В) и коротком замыкании от 2,1 А; при замыкании на землю выходы остаются выключенными до единицы на SLEEP или снятия VDD. DRV8825 отключается при токе от 3 А дольше 3 мкс и держит nFAULT в нуле до сброса nRESET или повторной подачи питания, при перегреве (150–180 °C) включается сам после остывания, при питании ниже UVLO (около 8 В) сбрасывает всю логику.

Нагрев

Наш вывод из сопротивлений ключей: при токе 1 А в каждой из двух обмоток потери проводимости A4988 — около 2 · 1² · (0,32 + 0,32) ≈ 1,3 Вт, то есть при 32 °C/Вт кристалл нагреется примерно на 40 °C выше окружающего воздуха; у DRV8825 при тех же условиях — около 0,8 Вт. Это без потерь переключения и на плате с хорошим отводом тепла; на маленьком модуле тепловое сопротивление больше. Отдельно от нашей оценки Pololu по своим испытаниям в режиме полного шага называет без дополнительного охлаждения 1,5 А на обмотку для DRV8825, 1,2 А для A4988 Black Edition и 1 А для исходного модуля A4988 (страница 2133). Для модуля DRV8825 Pololu добавляет, что шунты на плате ограничивают ток 2,2 А, хотя сама микросхема рассчитана на 2,5 А.

Аналоги

Для коллекторных двигателей и маленьких шаговых двигателей с внешним индексатором подходят сдвоенные мосты DRV8833 и TB6612FNG и старый L293D — у них нет транслятора, и последовательность токов формирует микроконтроллер. Устройство мостов и сравнение биполярных и MOSFET-ключей — в статье «Драйверы H-моста».