Arduino Uno开发板+电机驱动扩展版CNC Shield V3.0硬件说明

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

2轴带激光

参考文档

1. Arduino Compatible CNC Shield Instructions
   https://www.zyltech.com/arduino-cnc-shield-instructions/
2. Arduino CNC Shield V3.XX – Assembly Guide
   https://blog.protoneer.co.nz/arduino-cnc-shield-v3-00-assembly-guide/
3. Arduino CNC 电机扩展板概述
   http://www.taichi-maker.com/homepage/reference-index/motor-reference-index/arduino-cnc-shield/
4. NEMA17系列步进电机驱动A4988使用记要
   https://zhuanlan.zhihu.com/p/446862831
5. 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
6. GRBL CNC Shield + Z Axis servo MIGRBL
   https://electricdiylab.com/grbl-cnc-shield-z-axis-servo-migrbl/
7. 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
8. 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
9. 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