Carte RAMPS 1.5

Le RAMPS 1.5 (RepRap Arduino Mega Pololu Shield) est le shield qui se pose sur une carte Arduino Mega 2560 et rassemble en une seule carte toute l’électronique d’une imprimante 3D : cinq emplacements de drivers pour les moteurs pas à pas, trois sorties de puissance pour le lit chauffant, la buse et les ventilateurs, les entrées de thermistances et les prises de fin de course. Les drivers s’enfichent sans soudure, se remplacent un par un et se règlent indépendamment, ce qui explique la longévité de cette carte : c’est la plateforme la plus documentée du monde RepRap, et celle dont tous les firmwares grand public connaissent le brochage par cœur.

La série 1.5 est l’évolution directe de la 1.4. Le brochage, les cinq emplacements et les firmwares compatibles sont inchangés ; ce qui change est la partie puissance, où les transistors traversants ont été remplacés par des composants soudés en surface, mieux refroidis et moins encombrants.

Ce que la carte apporte

• Cinq emplacements de drivers — X, Y, Z, E0 et E1, au format des modules Pololu : un driver A4988 ou un DRV8825 s’enfiche directement, et chaque emplacement porte son propre cavalier de micro-pas et son propre réglage de courant.
• Trois sorties de puissance — trois transistors de puissance pilotent le lit chauffant, la cartouche de chauffe de la buse et les ventilateurs. Deux d’entre eux supportent les courants élevés d’une imprimante 3D, avec un réarmable dédié pour le lit.
• Les thermistances — trois entrées pour sondes de température, deux suffisent à une imprimante simple (buse et lit), la troisième servant pour une enceinte ou une seconde tête.
• Les fins de course — six prises à trois broches, X-, X+, Y-, Y+, Z- et Z+, de quoi câbler la prise d’origine et les sécurités de fin de course.
• Deux prises pour l’axe Z — les deux moteurs de l’axe Z se branchent sur la même carte, ce qui permet d’entraîner deux vis trapézoïdales avec un seul driver.
• Les sorties servo et les broches libres — des prises servo pour un palpeur de nivellement ou un servo d’orientation, et les bus I2C et SPI reportés sur les barrettes latérales pour y ajouter un afficheur, un lecteur de carte ou un module radio sans perdre un axe.
• L’afficheur et la carte SD — le shield accepte l’écran RepRap à molette, avec lecteur de carte intégré, ce qui permet d’imprimer sans ordinateur branché (voir la section « À combiner avec »).
• La conception empilable — le shield se pose au-dessus de la Mega, et d’autres cartes peuvent encore se poser au-dessus de lui tant qu’il reste en tête de pile.

Caractéristiques techniques

Brochage : quelle broche de la Mega pour chaque fonction

C’est le tableau qui sert à vérifier un câblage ou à écrire un programme maison. Les numéros sont ceux de la Mega 2560, tels qu’ils sortent sur les barrettes du shield et tels que les firmwares les définissent pour cette carte.

Alimentation et points d’attention

• Vérifier le repère d’alimentation avant de brancher. Une inversion de polarité sur le bornier détruit les drivers, et souvent la Mega avec eux. Le repère positif est sérigraphié à côté du bornier : le contrôler au multimètre avant la première mise sous tension.
• Ne jamais enficher ni retirer un driver sous tension. Le geste détruit le module et peut emporter le shield. Toute intervention se fait alimentation débranchée et câble USB retiré.
• Respecter le sens du module. Le repère de la broche d’activation doit tomber en face de celui du support. Un module enfiché à l’envers est généralement perdu à la première mise sous tension.
• Régler le courant de chaque driver avant de brancher les moteurs. Le réglage se fait à vide, moteur absent, en mesurant la tension sur le module selon la formule qui lui est propre. Trop de courant chauffe le moteur, pas assez fait sauter des pas.
• Ne jamais débrancher un moteur sous tension. Déconnecter une bobine pendant que le driver travaille produit une surtension qui l’endommage.
• Refroidir au-delà de 1 A. Les modules Pololu chauffent vite : un dissipateur collé sur chacun est la norme dès que le courant dépasse 1 A, et un petit ventilateur sur le shield ne coûte rien.
• Séparer les câbles de fin de course des câbles moteurs. Les entrées de fin de course sont sensibles à la perturbation des lignes de puissance : un déclenchement fantôme en pleine impression fait perdre la pièce. Des fils dupont courts et éloignés des câbles moteurs suffisent dans la plupart des montages.
• Débrancher l’USB avant d’injecter du 12 V sur un montage encore incomplet. Tant que le câblage n’est pas vérifié, le shield reste alimenté par l’USB seul : une erreur de câblage ne peut alors rien brûler.
• Rester dans les limites de la carte. Au-delà de 2 A par moteur, d’une tension supérieure à celle annoncée ou d’un moteur au-delà du format NEMA 17, ce shield n’est plus la bonne carte : il faut un driver de puissance externe piloté directement par les broches d’impulsion et de sens.

Applications courantes

• Imprimante 3D RepRap ou Prusa — le montage d’origine de cette carte, avec Marlin, une buse, un lit chauffant et deux ventilateurs.
• Imprimante à double extrudeuse — les emplacements E0 et E1 prennent chacun leur driver, ce qui permet deux têtes ou une tête et un second axe.
• Machine à commande numérique — trois axes avec GRBL, pour une routeuse ou une graveuse laser, la sortie broche servant à moduler la puissance du laser.
• Plotter, traceur et machine à dessiner — deux axes et une sortie servo pour lever le stylo.
• Plateau tournant et axe rotatif — un moteur pour la rotation à la place d’un axe linéaire, commandé par le quatrième driver.
• Projet de positionnement sur mesure — cinq axes motorisés, trois sorties de puissance et trois entrées de température sans avoir à concevoir une carte.

Mini-projet : faire tourner un moteur et valider son câblage

Avant de téléverser Marlin et de régler des vitesses, ce programme court fait avancer un moteur d’un tour dans un sens, puis dans l’autre. Il attaque directement les broches de l’emplacement X, ce qui valide d’un coup le driver, le courant, le câblage des bobines et le brochage du shield.

Matériel

• ce shield et une Mega 2560 ;
• un driver A4988 dans l’emplacement X ;
• un moteur pas à pas NEMA 17 ;
• une alimentation 12 V sur le bornier du shield ;
• un petit tournevis pour le réglage du courant, et un ordinateur pour téléverser.

Câblage

Deux fils de bobine inversés entre eux ne détruisent rien : le moteur tourne simplement dans l’autre sens. Le vrai risque reste le sens d’insertion du driver et le débranchement à chaud. Si le moteur vibre sans avancer, c’est presque toujours un courant trop faible ou deux fils d’une même bobine séparés : vérifier la continuité par paire avant tout autre réglage.

Programme

/*
 * Un axe du shield RAMPS 1.5 : un tour dans un sens, un tour dans l'autre
 *
 * Composants, brochage et fiche complete : www.marocproduits.com
 */
const byte PIN_X_STEP = 54;       // impulsions de l'axe X (D54 sur la Mega)
const byte PIN_X_DIR  = 55;       // sens de l'axe X (D55)
const byte PIN_ENABLE = 38;       // EN de l'emplacement X (actif au niveau bas)
const int PAS_PAR_TOUR = 200;     // moteur NEMA 17 en pas entiers
const int DUREE_IMPULSION = 800;  // microsecondes, a augmenter si le moteur decroche
void setup() {
  pinMode(PIN_X_STEP, OUTPUT);
  pinMode(PIN_X_DIR, OUTPUT);
  pinMode(PIN_ENABLE, OUTPUT);
  digitalWrite(PIN_ENABLE, LOW);  // niveau bas : le driver est alimente
  delay(200);                     // laisser le driver se stabiliser
}
void loop() {
  digitalWrite(PIN_X_DIR, HIGH);  // sens 1
  tourner();
  delay(700);
  digitalWrite(PIN_X_DIR, LOW);   // sens 2
  tourner();
  delay(700);
}
void tourner() {
  for (int reste = PAS_PAR_TOUR; reste != 0; reste--) {
    digitalWrite(PIN_X_STEP, HIGH);
    delayMicroseconds(DUREE_IMPULSION);
    digitalWrite(PIN_X_STEP, LOW);
    delayMicroseconds(DUREE_IMPULSION);
  }
}

Si le moteur reste immobile en vibrant légèrement, le courant du driver est trop faible : reprendre le réglage du module. S’il siffle au lieu de tourner, augmenter la durée d’impulsion, une fréquence trop élevée pour le couple demandé produisant ce sifflement sans rotation. Si le driver chauffe, c’est encore le réglage de courant qu’il faut revoir, pas le programme.

Questions fréquentes

Quelle différence avec un RAMPS 1.4 ?

Le brochage, les cinq emplacements de drivers, les protections et les firmwares compatibles sont les mêmes ; un programme écrit pour l’une des deux versions fonctionne sur l’autre. La différence porte sur la partie puissance, où la série 1.5 remplace les transistors traversants par des composants soudés en surface, mieux refroidis et moins encombrants. Les deux cartes se reconnaissent au même sigle RAMPS sérigraphié, suivi du numéro de version.

Faut-il une Mega 2560, ou une Uno suffit-elle ?

La Mega 2560 est indispensable. Le shield se pose sur les quatre rangées de barrettes de la Mega, et c’est ce microcontrôleur qui fournit le nombre de broches nécessaires aux cinq axes, aux trois sorties de puissance, aux thermistances et aux fins de course. Sur une Uno, les barrettes du shield ne tombent en face d’aucune broche.

Les drivers et les moteurs sont-ils fournis ?

Non : la carte est livrée seule. Il faut au minimum trois drivers — un par axe — et un quatrième pour l’extrudeuse sur une imprimante 3D, ainsi que les moteurs pas à pas correspondants et l’alimentation 12 V.

Peut-on utiliser cette carte pour une machine à commande numérique ?

Oui, avec GRBL compilé pour la Mega. Le brochage des axes est celui de la famille RAMPS, et les fins de course servent à la prise d’origine comme sur une imprimante. C’est un montage courant pour une petite routeuse ou une graveuse laser, la sortie broche servant alors à moduler la puissance du laser.

Comment ajouter un écran et une carte SD ?

Le shield accepte l’écran RepRap à molette : il se pose sur sa nappe, et le firmware déclare cette configuration en quelques lignes. L’écran apporte le lecteur de carte SD, donc l’impression sans ordinateur branché, ainsi que la commande manuelle des axes et de la chauffe pour les réglages de mise en route.

Pourquoi mon moteur tourne-t-il dans le sens inverse de la commande ?

Deux causes possibles, deux corrections différentes. Si l’axe bouge normalement mais à l’envers, la solution est logicielle : l’option d’inversion du sens de cet axe dans les réglages du micrologiciel. Si l’axe bouge avec un couple faible ou saccadé, c’est plutôt l’ordre des bobines sur la prise qui est en cause : inverser une des deux paires. Une paire de bobine à l’envers ne se voit pas de l’extérieur, car les fabricants ne livrent pas tous les fils dans le même ordre.

À combiner avec

Pour surveiller le montage et lancer les impressions sans ordinateur branché, le kit écran LCD 128 par 64 pour RAMPS se pose sur la nappe du shield : il apporte l’écran à molette, la commande manuelle des axes et de la chauffe, et le lecteur de carte SD. Sur un montage définitif, les borniers à vis pour shield Mega remplacent avantageusement les barrettes des moteurs et des résistances de chauffe : les liaisons deviennent démontables au tournevis, sans outil ni soudure, et un fil desserré se repère au premier regard.