陈拓 2023/03/24-2023/03/29
1. Arduino CNC Shield V3.00电机驱动扩展版
注意：板子左侧中间的玻璃管是玻封保险丝。
Arduino CNC Shield可以搭载A4988、DRV8825等步进电机驱动模块，用于驱动NEMA17电机（俗称42步进电机）。
2. 常用的步进电机驱动模块
2.1 A4988
2.1.1 引脚布局
注意：模块使用时需加装散热器。
单片机只需要控制两个引脚DIR和STEP即可控制步进电机。
2.1.2 引脚功能说明
从左上角开始，逆时针方向。
- ENABLE：使能引脚，接低电平使能有效，接高电平模块关闭工作。
- MS1/MS2/MS3：步进模式细分引脚；不需要使用功能可浮空，定义如下；
| MS1 | MS2 | MS3 | 步进模式 |
| L | L | L | 全步进模式 |
| H | L | L | 半步进模式 |
| L | H | L | 1/4步进模式 |
| H | H | L | 1/8步进模式 |
| H | H | H | 1/16步进模式 |
L：低电平，H：高电平
步进模式：NEMA17电机默认200步转一圈，也就是360度，那么每一步电机转动的角度就是360/200=1.8度。如果要设置半步进模式，输入HLL电平给MS1、MS2、MS3三个引脚，这样电机就进入1/2步进模式，也就是每步旋转的角度减半，即电机每转动一步只行进0.9度；用以更高的精度来控制行程。
- RESET：复位引脚，低电平模块复位重启，在实际使用过程中很少用到。
- SLEEP：休眠状态引脚，低电平进入休眠模式，以极低的电流状态休眠。在实际使用过程中也很少用到，默认与RESET相联通接高电平或浮空。
- STEP：脉冲控制信号，核心功能。
- DIR：控制板发出的正转反转的方向控制信号，正常情况下低电平驱动电机顺时针转动，实际情况中由于电机接线方向差异，或是相反方向转动。
- GND：模块逻辑控制电路的地。
- VDD：模块逻辑控制电路的电源正极（3~5.5V）。
- 1B、1A、2A、2B：四路两组电机驱动线，电机4P端子插反会导致电机正反转颠倒。
- GND：电机供电的地。必须和模块逻辑控制电路的地共地。
- VMOT：电机供电电源正极。4988驱动模块允许的输入电压范围是8-35V，常用12V或24V。
2.1.3 A4988的电路原理图
2.1.4 输出电流（参考电压）调整
通过4988驱动板上的电位器对参考电压（引脚REF）进行调整，从而调节输出电流。
最大输出电流计算公式：
Imax = Vref / ( 8 * Rs)
- 参考电压Vref计算
Vref = Imax * Rs * 8
Vref越大，电流越大，驱动能力越强。
Vref是引脚REF上的参考电压，Rs是引脚SENSE1和SENSE2上接的感应电阻。
Rs在4988驱动板上是两个贴片电阻，市面上常见的A4988模块多用R100电阻，即0.1欧姆。
Imax是步进电机允许的最大电流。例如：如果我们使用的NEMA17电机允许的最大电流是1.5A，Vref = 1.5 * 0.1 * 8 = 1.2V。
- 测量Vref
实际操作时可以测量电位器中心抽头（也就是可以转动的部分）与地之间的电压。
使用万用表在所示点测量Vref（参考电压）
参考电压用小螺丝刀在图片中白色箭头所示的位置进行调整。建议以小的增量调整参考电压，每次不超过四分之一圈。开始时，可以将最大电流设置为1A。如果电机过热，则降低Vref。如果电机没有移动或未步进，则增加Vref。
- 测试注意
测试时，将步进电机连接到要测试的步进控制器插座。这一点非常重要，因为步进电机驱动器的设计目的是增加电流，直到达到运行所需的电流。如果没有连接步进电机，就不会消耗电流，步进驱动器在这个过程中会发热，可能会损坏它。
2.2 DRV8825
2.2.1 引脚布局
与A4988基本相同。不同之处：
- M0/M1/M2：步进模式细分引脚；不需要使用功能可浮空，定义如下；
| M0 | M1 | M2 | 步进模式 |
| L | L | L | 全步进模式 |
| H | L | L | 半步进模式 |
| L | H | L | 1/4步进模式 |
| H | H | L | 1/8步进模式 |
| L | L | H | 1/16步进模式 |
| H | L | H | 1/32步进模式 |
| L | H | H | 1/32步进模式 |
| H | H | H | 1/32步进模式 |
- DRV8825具有FAULT输出引脚,而不是逻辑控制电路电源引脚。
FAULT用于过电流保护或热关断，输出低电平有效。
- VMOT：电机供电电压范围是8-45V。
- 模块逻辑控制电路电源
DRV8825仅具有VMOT一个电源连接。逻辑控制电路电源从DRV8825内部的3V3稳压器获取。因此在调节最大输出电流时要接上VMOT。
2.2.2 输出电流调节
最大输出电流计算公式：
Imax = 2 * Vref
例如，我们需要1.4A的步进电流，参考电压就调整到0.7V。
3. Arduino Uno开发板的引脚分配图
- Arduino CNC Shield V3.00电机驱动扩展版的引脚和Arduino Uno开发板的引脚是兼容的可以配合使用。
- Arduino Uno开发板的引脚分配图。
Arduino Uno的引脚分4组，分别是电源；PB、PC和PD，编号D0~D19。
4. Arduino CNC Shield V3.00电路原理图说明
4.1 电路原理图
4.2 电路原理图分解说明
4.2.1 步进电机驱动模块控制引脚P11、P12
- EN
EN通过一个10电阻上拉到5V，并连接Arduino Uno的D8引脚，同时连接与X、Y、Z、A四个驱动模块的EN端。
- STEP
X-STEP、Y-STEP、Z-STEP、A-STEP分别接D2、D3、D4、D12，并与4个相对应模块的对应引脚相连接。
其中，A-STEP到D12的连接是通过下面第四轴配置的跳线实现的。
- DIR
X-DIR、Y-DIR、Z-DIR、A-DIR分别接D5、D6、D7、D13，并与4个相对应模块的对应引脚相连接。
其中，A-DIR到D13的连接是通过下面第四轴配置的跳线实现的。
- 5V是逻辑控制电路电源，连接Arduino Uno的5V。
- GND是模块逻辑控制电路的地，连接Arduino Uno的GND。
4.2.2 第四轴配置P7、P8、P9、P10
使用两个跳线，可以将第四个轴（标记为A）配置为克隆X、Y或Z轴，作为双电机轴。通过使用数字引脚12作为步进信号，使用数字引脚13作为方向信号，它也可以作为单独的轴运行。（GRBL目前只支持3个轴，需要自己编程控制）
4.2.3 主轴控制K1、K3
- SpinEn主轴使能，D12，与单独A轴STEP复用。
- SpinDir主轴方向，D13，与单独A轴DIR复用。
- CoolEn冷却液使能，D17。
4.2.4 为每个轴配置微步进
对于X轴，设置Jpr-X1和pr-X-5V，其他轴类似。
*在下表中，高表示已插入跳线帽，低表示未插入跳线帽。
Pololu A4988步进驱动器配置，5个可选的步进模式：
MS0 MS1 MS2 Microstep Resolution
Low Low Low Full step
High Low Low Half step
Low High Low 1/4 step
High High Low 1/8 step
High High High 1/16 step
Pololu DRV8825 步进驱动器配置，6个可选的步进模式：
MODE0 MODE1 MODE2 Microstep Resolution
Low Low Low Full step
High Low Low Half step
Low High Low 1/4 step
High High Low 1/8 step
Low Low High 1/16 step
High Low High 1/32 step
Low High High 1/32 step
High High High 1/32 step
4.2.5 限位开关配置（End Stop Switches or Limit Switch）
- X限位
X-并列X+标记为X-EndStop连接到D9。
- Y限位
Y-并列Y+标记为Y-EndStop连接到D10。
- Z限位
Z-并列Z+标记为Z-EndStop连接到D11。
- 接地端
ES_Select
- 限位开关连接
常见的RAMPS限位开关有三根电线，易于使用、监测和安装。
黑和绿之间为常开。
红和绿之间为常闭。红线接3.3V或5V，常闭开关断开时限位开关版上的LED指示灯点亮。
限位开关是标准的“常开”开关。当限位开关绿色引脚接地（黑色引脚）时，在使用默认GRBL设置的情况下，限位功能被激活。
4.2.6 电机电源
外接电源EXT-V通过VMTO给电机供电。
4.2.7 复位
E-STOP相当于RST接Arduino Uno的RESET。
4.2.8 串口、I2C、复位和电源
- 串口
RX、TX接D0、D1。
- I2C
SDA、SCL接D18、D19。
4.2.9 其他操作
取消、保持、恢复分别接D14、D15、D6。
4.2.10 步进电机接线
步进电机接线很简单。将接头插入每个轴的插座上。如果电机转动方向不正确，只需将插头转动180度即可。
下面是X轴接线，其他轴类似。
-
5. 使用案例
- 测量电机线圈
- Arduino Uno直接连接A4988
- CNC Shield连接步进电机和伺服电机的例子
- 机箱结构
- 2轴驱动带限位
- 3轴驱动带限位+伺服电机
- 3轴带激光
文章来源：https://www.toymoban.com/news/detail-427278.html
- 2轴带激光
文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-427278.html
参考文档
- Arduino Compatible CNC Shield Instructions
https://www.zyltech.com/arduino-cnc-shield-instructions/ - Arduino CNC Shield V3.XX – Assembly Guide
https://blog.protoneer.co.nz/arduino-cnc-shield-v3-00-assembly-guide/ - Arduino CNC 电机扩展板概述
http://www.taichi-maker.com/homepage/reference-index/motor-reference-index/arduino-cnc-shield/ - NEMA17系列步进电机驱动A4988使用记要
https://zhuanlan.zhihu.com/p/446862831 - 如何用废品DVD驱动器制作基于GRBL + CNC V3 Shield的绘图仪
https://blog.csdn.net/acktomas/article/details/104439903/?ops_request_misc=&request_id=&biz_id=102 - GRBL CNC Shield + Z Axis servo MIGRBL
https://electricdiylab.com/grbl-cnc-shield-z-axis-servo-migrbl/ - 3D打印机改装雕刻机经验分享
https://blog.csdn.net/weixin_43353164/article/details/88082709?ops_request_misc=&request_id=&biz_id=102 - SmartKIT-ESP开发板和CNC shield v3拓展板的连接以及程序编写注意事项
https://blog.csdn.net/qq_17459305/article/details/81704700 - Arduino CNC电机扩展板详解（A4988驱动42步进电机）
https://acktomas.blog.csdn.net/article/details/115379474?spm=1001.2101.3001.6661.1
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