Шаговый двигатель поворачивается на фиксированный угол на каждый импульс STEP, поэтому почти всё в настройке привода сводится к арифметике: сколько импульсов нужно на миллиметр, с какой частотой их подавать, какой ток выставить драйверу. Калькулятор считает это по формулам из даташитов A4988 и DRV8825 и TMC2209, а устройство двигателя, режимы шага и схемы подключения разобраны в статье «Шаговые двигатели».
Шаги на оборот и на миллиметр
Двигатель с углом шага 1,8° делает 360 / 1,8 = 200 полных шагов на оборот, с углом 0,9° — 400. Драйвер в режиме микрошага делит каждый полный шаг на 2…256 частей:
где nm — делитель микрошага, s — перемещение за оборот вала, мм. Для зубчатого ремня s = z · p (число зубьев шкива на шаг ремня), для винта — ход за оборот: шаг резьбы, умноженный на число заходов.
| Передача | Перемещение за оборот | Микрошагов на мм (200 шагов, 1/16) |
|---|---|---|
| GT2, шкив 16 зубьев | 32 мм | 100 |
| GT2, шкив 20 зубьев | 40 мм | 80 |
| GT2, шкив 36 зубьев | 72 мм | 44,44 |
| Винт с ходом 8 мм | 8 мм | 400 |
| Винт с ходом 2 мм | 2 мм | 1600 |
Если на миллиметр выходит дробное число, позиционирование будет с накапливающейся ошибкой округления в прошивке — удобнее подобрать шкив, при котором число целое.
Частота STEP
TI в даташите DRV8825 (уравнение 3) переводит скорость вала в частоту импульсов:
Пример из даташита: 120 об/мин, 1,8°, микрошаг 1/8 — 120 · 360 · 8/(60 · 1,8) = 3200 импульсов в секунду. Формирует их обычно таймер микроконтроллера — значения регистров подберёт калькулятор таймера. Двигатель не стартует сразу на большой скорости: TI прямо предупреждает, что при слишком высокой стартовой частоте вал не тронется, и нужен разгон по профилю.
Ток и VREF
Драйвер держит ток обмотки чоппером: сравнивает напряжение на шунте с опорным и отключает мост, когда ток дошёл до уставки. Уставку задаёт напряжение VREF:
| Драйвер | Формула | Пример |
|---|---|---|
| A4988 | I = VREF/(8 · RS) | 0,068 Ом, 0,544 В — 1 А |
| DRV8825 | I = VREF/(5 · R) | 0,2 Ом, 1,25 В — 1,25 А (пример TI) |
| TMC2209 | 0,1 Ом, 2,5 В — 1,92 А действ. |
У A4988 и DRV8825 формула даёт ток полной шкалы — амплитуду синусоиды микрошага. В полном шаге через обе обмотки течёт 70,71 % этого тока: так записано в таблицах шагов обоих даташитов. У TMC2209 формула сразу даёт действующее значение при IRUN = 31; VFS равно 325 мВ при vsense = 0 и 180 мВ при vsense = 1. VREF выше 2,5 В TMC2209 воспринимает как 2,5 В, а ниже 0,5–1 В точность заметно падает — Trinamic советует подобрать шунт так, чтобы нужный ток получался при VREF 2–2,4 В.
Шунт берите по маркировке на своей плате, а не по таблице: у Pololu A4988 с 2017 г. стоят 0,068 Ом, на более ранних модулях — 0,050 Ом, у DRV8825 — 0,100 Ом, а копии других производителей бывают с иными резисторами. Рабочий диапазон VREF у DRV8825 по TI — 1–3,5 В; ниже 1 В драйвер работает, но точность тока хуже. На модуле с шунтом 0,1 Ом токи меньше 2 А требуют VREF меньше 1 В, поэтому для малых токов точнее модуль с шунтом побольше. TMC2209 Trinamic рассчитывает на 1,4 А действующего тока фазы; 2 А — только с ограничением по времени работы.
Какой ток ставить: обычно номинальный ток фазы двигателя из его паспорта или меньше, если двигатель греется. Модули без радиатора, по оценке Pololu, держат около 1 А на фазу у A4988 и 1,5 А у DRV8825.
Предел скорости
Обмотка — это индуктивность L с сопротивлением R. По уравнению 7 из записки AN-828 (National Semiconductor, сейчас TI SNVA029B) ток при переключении меняется по экспоненте к значению V/R, и время, за которое он проходит путь от −I до +I, без учёта противо-ЭДС равно
AN-828 поясняет, что в полном шаге каждая обмотка меняет направление тока раз в два шага. Значит, при частоте полных шагов выше 2/tпер ток уже не доходит до уставки, и момент падает. Для двигателя из примера TI (2,9 мГн, 3,9 Ом) при 24 В и 1,25 А это 0,31 мс и около 6500 полных шагов в секунду — около 1950 об/мин.
Это верхняя оценка: вращающийся двигатель вырабатывает противо-ЭДС, она вычитается из напряжения питания, и реальный момент начинает падать раньше. Но оценка честно показывает, от чего зависит скорость: удвоение напряжения примерно вдвое поднимает предел, а меньшая индуктивность — например, параллельное включение половин обмоток восьмипроводного двигателя — поднимает его ещё сильнее.
Пример: ось 3D-принтера
Двигатель 1,8°, ремень GT2, шкив на 20 зубьев, драйвер DRV8825 на модуле Pololu, микрошаг 1/16, нужна скорость 150 мм/с.
- Микрошагов на миллиметр: 3200 / 40 = 80.
- Частота STEP: 80 · 150 = 12 000 Гц; вал крутится со скоростью 150 / 40 · 60 = 225 об/мин.
- Ток 1 А: VREF = 1 · 5 · 0,1 = 0,5 В. Это ниже рабочего диапазона 1–3,5 В из даташита TI: драйвер работает, но уставка тока менее точна — проверьте нагрев двигателя. В полном шаге каждая обмотка получает 0,71 А.
- Двигатель 4 мГн и 2,8 Ом при 24 В: tпер ≈ 0,33 мс, предел около 5970 полных шагов в секунду, или 1790 об/мин — запас большой.
При питании 12 В предел упадёт примерно вдвое, а противо-ЭДС съест ещё часть — поэтому принтеры и станки питают двигатели 24 В и выше, оставляя ток прежним.
Безопасность
Не подключайте и не отключайте двигатель при включённом питании: по Pololu, это может разрушить драйвер. Модули нагреваются до ожога раньше, чем срабатывает их тепловая защита, а при токах ближе к пределу им нужен радиатор и обдув. Подробнее о силовой части — в статье про H-мосты.
Частые вопросы
Сколько шагов на миллиметр у ремня GT2 и шкива на 20 зубьев?
Шаг ремня GT2 — 2 мм, поэтому шкив на 20 зубьев за оборот перемещает ремень на 40 мм. Двигатель 1,8° делает 200 шагов на оборот, с микрошагом 1/16 — 3200 микрошагов. 3200 / 40 = 80 микрошагов на миллиметр. Со шкивом на 16 зубьев получится 100, с микрошагом 1/32 — вдвое больше.
Как выставить ток DRV8825 и A4988 через VREF?
У DRV8825 ток полной шкалы равен VREF / (5 · R), у A4988 — VREF / (8 · RS), где R — шунт на модуле. На модулях Pololu DRV8825 шунты 0,1 Ом, и ток равен 2 · VREF: для 1 А нужно 0,5 В — это ниже рабочего диапазона VREF 1–3,5 В из даташита TI, и точность тока будет хуже. У A4988 Pololu с 2017 г. ставит 0,068 Ом (раньше — 0,050 Ом), и для 1 А нужно 0,544 В. У копий шунты бывают другими — смотрите маркировку шунта на своей плате. VREF меряют между движком подстроечного резистора и землёй при включённом питании логики.
Как рассчитать VREF у TMC2209?
По даташиту Trinamic действующий ток I_RMS = V_FS · VREF / 2,5 В / (RSENSE + 0,02 Ом) / √2 при IRUN = 31, где V_FS = 0,325 В. С шунтом 0,11 Ом и VREF 2 В это (0,325 · 0,8) / 0,13 / 1,414 ≈ 1,41 А действующего, амплитуда 2 А. VREF выше 2,5 В ток уже не увеличивает, а Trinamic советует подбирать шунт так, чтобы нужный ток получался при VREF 2–2,4 В.
Почему шаговый двигатель теряет момент на высокой скорости?
Обмотка — это индуктивность, и ток в ней растёт со скоростью V / L. На каждом шаге ток в обмотке меняет направление, и при большой частоте шагов он не успевает дойти до уставки. Момент пропорционален току, поэтому падает. Помогает более высокое напряжение питания, меньшая индуктивность (параллельное включение половин обмоток) или меньший ток.
Какой микрошаг выбрать?
Микрошаг делает движение плавнее и тише, но не добавляет точности позиционирования в той же мере: промежуточные положения держатся слабее полного шага. Частота STEP растёт пропорционально делителю — при 1/256 и 1000 об/мин это уже 853 кГц, больше, чем может выдать простой контроллер. Для 3D-принтеров обычно хватает 1/16.
Источники
- Texas Instruments. DRV8825 Stepper Motor Controller IC, SLVSA73F (revised July 2014) — 8.3.2, уравнение 1: ток полной шкалы = VREF / (5 · R), пример 0,25 Ом и 2,5 В — 2 А; 9.2.2.1, уравнения 2–3: f_step = v · 360° · n_m / (60 · θ_step), пример 120 об/мин, 1,8°, 1/8 — 3200 шагов/с; 9.2.2.2: 1,25 А при 0,2 Ом — VREF 1,25 В; 7.3: VREF 1–3,5 В; табл. 1: в полном шаге 71 %
- Allegro MicroSystems. A4988 DMOS Microstepping Driver with Translator and Overcurrent Protection, 4988-DS Rev. 8 — Current Regulation: ITripMAX = VREF / (8 · RS); табл. 2: в полном шаге 70,71 % тока полной шкалы; VREF 0–4 В
- Analog Devices (Trinamic). TMC2209 Datasheet, Rev. 1.09 (16.02.2023) — гл. 9: I_RMS = (CS + 1)/32 · V_FS / (RSENSE + 20 мОм) / √2, V_FS' = V_FS · VREF / 2,5 В, VREF от 0 до 2,5 В масштабирует ток, выше — как 2,5 В; гл. 8: таблица шунтов (1 Ом — 0,23 А, 0,1 Ом — 1,92 А при VREF 2,5 В, IRUN 31); гл. 20: V_SRTL 325 мВ, V_SRTH 180 мВ; расчётный действующий ток фазы 1,4 А, 2,0 А — только с ограничением по времени работы, амплитуда на выходе 2,8 А
- Texas Instruments (National Semiconductor). AN-828: Increasing the High Speed Torque of Bipolar Stepper Motors, SNVA029B (May 1993, revised May 2013) — разд. Background: в полном шаге шаг происходит при каждой смене направления тока любой обмотки, двигатель шагает с учетверённой частотой токов; уравнение 7: i(t) = (I0 − (VCC − Vemf)/R) · e^(−Rt/L) + (VCC − Vemf)/R; на больших частотах шагов ток не успевает дойти до уставки, и момент падает
- Monolithic Power Systems. Stepper Motor Back EMF (вебинар, слайды) — V = L · dI/dt; противо-ЭДС растёт со скоростью и уменьшает ток обмотки на большой частоте шагов
- Pololu. A4988 Stepper Motor Driver Carrier (item 1182) — проверено 29.10.2026: I_MAX = VREF / (8 · R_CS); модули с 2017 г. — шунты 0,068 Ом, более ранние — зелёные 0,050 Ом; для 1 А VREF около 540 мВ
- Pololu. DRV8825 Stepper Motor Driver Carrier, High Current (item 2133) — проверено 29.10.2026: шунты 0,100 Ом, ток = 2 · VREF; шунты ограничивают ток модуля 2,2 А при 2,5 А у микросхемы
- Gates. Light Power & Precision Drive Design Manual, catalog 17183 (1/2015) — ремни с шагом 2 и 3 мм (обозначения 2MR, 3MR; в этой редакции — PowerGrip GT3, преемник GT2); шаг ремня — расстояние между центрами соседних зубьев по делительной линии; шкив 2MR-20S: 20 канавок, делительный диаметр 0,501 дюйма; ремень 2MR-200 — 100 зубьев
Где пригодится
- Почему шаговый двигатель пропускает шаги при старте?Нет разгона, мал ток, резонанс или нагрузка больше момента
- Почему шаговый двигатель греется, даже когда стоит?Ток удержания течёт всегда, а потери в меди в покое наибольшие
- Почему шаговый двигатель гудит, но не крутится?Перепутаны обмотки, обрыв фазы, частота шагов без разгона или мал ток
- Резонанс шагового двигателяКолебания ротора, из-за которых шаговый двигатель срывается на средних скоростях
- Скорость перегиба (corner speed)Скорость, на которой шаговый двигатель переходит от постоянного момента к постоянной мощности
- Зубчатый ременьРемень с зубьями, который передаёт вращение синхронно, без проскальзывания
Встроить калькулятор на свой сайт
Скопируйте код и вставьте его в HTML страницы, статьи или вики. Виджет бесплатный, без рекламы, счётчиков и cookie. Условие одно — ссылка на GAW под рамкой остаётся на месте. Подробнее о виджетах
<iframe src="https://gaw.ru/embed/stepper/" title="Калькулятор шагового двигателя" width="100%" height="640" style="border:1px solid #e3e5e9;border-radius:8px" loading="lazy" allow="clipboard-write"></iframe>
<p style="margin:6px 0 0;font-size:14px">Калькулятор: <a href="https://gaw.ru/tools/stepper/">Калькулятор шагового двигателя</a> — GAW.ru</p>Автоподстройка высоты рамки
Если сайт разрешает скрипты, добавьте этот код один раз в любом месте страницы: рамка будет менять высоту вместе с результатом расчёта.
<script>window.addEventListener("message",function(e){if(e.origin!=="https://gaw.ru"||!e.data||e.data.type!=="gaw:embed-height")return;var f=document.querySelectorAll('iframe[src^="https://gaw.ru/embed/"]');for(var i=0;i<f.length;i++)if(f[i].contentWindow===e.source)f[i].style.height=e.data.height+"px"})</script>Обновлено .
Нашли ошибку в расчёте?