Что такое микрошаг шагового двигателя

Микрошаговый режим шагового двигателя.

[править] ЧТО ТАКОЕ МИКРОШАГ

В общем случае под микрошагом понимают микрошаговый режим управления шаговым двигателем, иначе говоря — режим деления шага. Микрошаговый режим отличается от штатного режима управления двигателем тем, что в каждый момент времени обмотки шагового мотора запитаны не полным током, а некими его уровнями, изменяющимися по закону sin в одной фазе и cos во второй. Такой метод дает возможность фиксировать вал в промежуточных положениях между шагами. Количество таких положений задается настройками драйвера. Скажем, режим микрошага 1:8 означает, что с каждым поданным импульсом STEP драйвер будет перемещать вал примерно на 1/8 полного шага, и для полного оборота вала потребуется подать в 8 раз больше импульсов, чем для режима полного шага.

[править] ПРИМЕНЕНИЕ МИКРОШАГОВОГО РЕЖИМА

Основным применением микрошагового режима является борьба с резонансом, снижение вибрации шагового двигателя и повышения плавности хода передачи. Достигается это благодаря тому, что при использовании микрошагового режима на вал мотора действуют более кратковременные усилия разгона-торможения, сам вал совершает шаги меньшей амплитуды, в результате инерционные явления проявлены слабее. У микрошагового режима может быть несколько применений. Разберем несколько заблуждений относительно микрошага:

  • Микрошаг позволяет увеличить точность привода.
    На самом деле это не так. Во-первых, этому мешает геометрическая неидеальность ротора и статора двигателя, неидеальные обмотки, зазоры в подшипниках вала и т.п. В результате двигатель выполняет шаги всегда с некоторой погрешностью(как правило, 5% от величины полного шага), причем абсолютное значение погрешности постоянно для любого выбранного микрошагового режима! Кроме того, во многих драйверах управление двигателем также далеко от идеального, что приводит к дополнительной неравномерности перемещения в режиме микрошага. Дальнейшее деление шага более чем на 5-10 микрошагов приводит только к увеличению разрешающей способности привода, но не точности. То есть вы сможете более дискретно задавать позицию в ЧПУ системе, но не сможете её получить с заданной точностью.
  • Микрошаг значительно снижает момент двигателя(относительно полношагового режима).
    Момент действительно снижается. Однако, использование микрошага одновременно увеличивает плавность хода двигателя, и снижает резонансные явления, что способствует увеличивению момента. Два противоположных влияния на момент в среднем более-менее уравновешивают друг друга. В многих случаях применение микрошага на самом деле увеличивает момент, поэтому целесообразность отказа от микрошагового режима должна определяться в каждом конкретном случае.

[править] ВЫБОР ОПТИМАЛЬНОГО РЕЖИМА ДЕЛЕНИЯ ШАГА

Оптимальный режим деления шага необходимо выбирать в зависимости от конкретного станка и стоящих задач. Основными факторами являются необходимость снизить резонанс двигателей, уменьшить шум, разрешающую способность станка. В большинстве случаев имеет смысл использовать наибольшее деление шага, при котором станок сможет развивать расчетную максимальную скорость. Ограничением в данном случае будет максимальная частота входных импульсов у драйвера или максимальная частота генерации управляющих импульсов ЧПУ-системой. Скажем, скорость вращения 10 об/сек стандартного двигателя с шагом 1.8 град требует подавать импульсы STEP с частотой 2000 Гц для режима полного шага и с частотой 256 КГц для деления шага 1:128, тогда как, например, программа Mach3 максимально может генерировать импульсы с частотой 100 Гц.

Источник

Шаг или микрошаг

Шаговый двигатель способен отдать заявленый производителем момент удержания (holding torque) только в статическом режиме с одновременной запиткой обеих фаз полным током. ШД можно вращать, подавая одновременно в каждую обмотку двигателя полный ток, чередуя направление тока в каждой обмотке — такой метод управления называется полношаговым.

Читайте также:  Как стартер действует на двигатель

При вращении ШД в полношаговом режиме с одновременной запиткой обеих фаз полным током ШД способен отдать динамический момент (dynamic torque), который обычно составляет 60% от момента удержания (измеряется при частоте 5 импульсов STEP в сек., 5Гц). При вращении ШД в полношаговом режиме, ШД сильно вибрирует и резонирует на низких скоростях. Поэтому таким методом управления как правило, не пользуются и выбирают микрошаговый режим управления, который позволяет более плавно и без вибраций вращать ШД на низких скоростях за счет меньшей длительности и амплитуды разгона-торможения ротора ШД.

При вращении ШД в микрошаговом режиме, фазы ШД управляются токами, распределенными по законам sin/cos. Функции sin(x) и cos(x) пересекаются в точке, где их значение равно 0.707 (точка в которой обе фазы запитаны максимальным током), поэтому в драйвере ШД при использовании микрошага, ШД способен отдать не более 70% от момента удержания. Также момент ШД зависит от частоты вращения (момент падает с увеличением частоты, графики зависимости момента от частоты приведены в описании на конкретный ШД). Индуктивность обмоток ШД «мешает закачке» переменного тока в них, а также по причине дискретности подания тока в обмотки реальный сигнал в них всегда отличается от чистой синусоиды. Чем ближе синтезированные функции токов фаз к эталонным синусоидам — тем плавнее вращение на низких частотах.

Глубина дискретизации этих функций называется делением шага (имеется в виду полного шага), используются деления 1:4, 1:8, 1:16 и т.д.

Т.е. если выставлено деление шага 1:8 — то ШД необходимо совершить 8 микрошагов чтобы сделать полный шаг, в обмотках будет последовательно установлены значения, на драйвер надо подать 8 импульсов сигнала STEP. Т.е. чем глубже деление шага на микрошаги, тем более высокую частоту STEP нужно подавать на драйвер чтобы ШД совершил тоже количество оборотов вала в секунду.

На практике достаточно использовать деление шага 1:16. Такое деление обеспечивает плавность вращения на низких частотах и оптимально с точки зрения частотного диапазона сигнала STEP (до 50кГц при использовании программы Mach3). Более глубокое деление шага ШД перекрывает механическую точность изготовления самого шагового двигателя.

Драйверы Purelogic RND имеют дополнительные функции оптимизации параметров драйвера при вращении:

  • Cхему автоматического изменения формы фазовых токов с увеличением частоты (морфинг, переход из режима микрошага в режим шага при увеличении частоты), что позволяет получить от ШД максимальную отдачу по моменту во всем диапазоне частот.
  • Встроенный автоматический компенсатор среднечастотного резонанса ШД. Резонанс обычно проявляется в диапазоне 6-12 об/сек, ШД начинает гудеть и ротор останавливается. Начало и сила резонанса сильно зависит от параметров ШД и его механической нагрузки. Автоматический компенсатор среднечастотного резонанса позволяет полностью исключить резонирование ШД и сделать его вращение равномерным и устойчивым во всем диапазоне частот. Компенсатор среднечастотного резонанса не требует настройки.

Источник

CNC-DESIGN

В корзине пусто!

Микрошаг — выбор и применение

Микрошаг — это просто.
При рассмотрении принципов работы шагового двигателя мы узнали, что наиболее распространенные из них имеют 200 шагов на оборот в 360 градусов, следовательно, каждый шаг смещает вал на 1,8 градуса, что влечет за собой определенную точность позиционирования устройства. Если необходимо достичь более более высоких значений, можно разделить эти значения с помощью драйвера шагового двигателя. Они начинаются с половины шага и могут достигать 1/256 микрошагов. Это означает, что каждый из 200 отдельных шагов, встроенных в двигатель, теперь дробится драйвером 256 отдельных шагов. Это позволяет комбинированному двигателю и контроллеру останавливаться в любом из 51200 возможных положений на полный оборот.

Микрошаг не только повышает точность позиционирования.
Бытует мнение, что основное преимущество дополнительного микрошагового режима заключается в обеспечении повышенной точности позиционирования в таких приложениях, как робототехника или станки с ЧПУ. Тем не менее, существует ряд других дополнительных бонусов, которые могут быть получены с использованием микрошагов.
Первое из них включает в себя более тихую работу микрошаг сглаживает сигнал привода, поступающий в шаговый двигатель, заменяя график подачи импульса прямоугольной формы на более сглаженную (более точное разрешение). Это не чисто синусоидальная кривая, которую можно увидеть на бесщеточном электродвигателе, но похоже разницу между цифровым аудио с очень низким разрешением и цифровым аудио с более высоким разрешением.

Читайте также:  Из за чего получается гидроудар двигателя

Использование микрошага незначительно ускоряет систему.
Поскольку микрошаг является более энергоэффективным и использует меньшие, но более частые импульсы, он позволяет шаговым двигателям достигать немного более высоких скоростей, чем обычно., расплачиваться за это приходится падением крутящего момента.
Основываясь на ключевых моментах, указанных выше, можно увидеть, что наиболее подходящие приложения для микрошагов — устройства, в которых либо требуется высокая точности позиционирования, либо когда важны энергоэффективность и шум. В большинстве случаев мы рекомендуем использовать микрошаг только тогда, когда это может привести к общим улучшениям, таким как более тихая и плавная работа, но не забывать о падении крутящего момента в вашем проекте.

Микрошаг — убийца крутящего момента.
При увеличении количества микрошагов крутящий момент на микрошаг резко падает. Разрешение увеличивается, но точность позиционирования на самом деле не растет прямолинейно с увеличением микрошага. Также важно то, что любой крутящий момент нагрузки приведет к магнитному люфту, смещающему ротор из заданного положения, пока не будет создан достаточный крутящий момент.
Падение момента при увеличении микрошагов:
1 100,00%
2 70 ,71%
4 38,27%
8 19,51%
16 9,80%
32 4,91%
64 2,45%
128 1,23%
256 0,61%

Заключение
Использование микрошагов имеет преимуществав определенных моментах вашего проекта. От повышенной плавности и точности позиционирования до большей энергоэффективности и скорости, смещение резонансной частоты. Но необходимо помнить о падение крутящего момента.

Источник

Микрошаговый режим работы шагового двигателя, дробление шага

Для того, чтобы понять плюсы и минусы дробления шага (работы шагового двигателя в микрошаговом режиме), сначала стоит разобраться, что же это такое.

Микрошаговый режим – это режим, при котором происходит дробление шага большее чем 1/2 за счет получения плавно вращающегося поля статора, т.е. ток плавно снижается на одной обмотке и плавно нарастает на другой. Благодаря этому ротор шагового двигателя теоретически можно зафиксировать в любой произвольной позиции, если установить правильное отношение токов в обмотках (фазах).

Из графика видно, что увеличивая дробление шага мы дискретно приближаемся к изменению значений токов в обмотках по закону Sin, со сдвигом фаз π/2.

Теоретически, благодаря микрошаговому режиму, мы можем повысить разрешение шагового двигателя. Например, взяв двигатель с углом поворота ротора 1.8° (200 шагов на оборот), при микрошаговом режиме 1/8 получаем 800 шагов на оборот, при дроблении 1/16 – 3200 шагов на оборот и так далее. На практике же, для большинства используемых шаговых двигателей, повышение дробления шага больше 1/8 не дает ожидаемого повышения разрешения двигателя. Это происходит из-за несовершенства деталей шагового двигателя, инерции ротора, силы трения и ряда других причин.

Но, помимо увеличения разрешающей способности шагового двигателя, микрошаговый режим помогает значительно снизить вибрации и избежать резонанса на низких частотах вращения шагового двигателя, это получается благодаря меньшей длине между двумя соседними положениями ротора, что снижает влияние инерционных характеристик.

Ниже приведен результат испытаний связки шаговый двигатель + блок управления SMD 4.2 CAN в динамометрическом стенде.


Из графиков можно сделать вывод, что дробление шага отрицательно сказывается на величине максимального момента двигателя, но положительно влияет на его равномерность (особенно это видно при режиме 1/128). Так же микрошаг сильно снижает максимальное количество оборотов в минуту, которое может выдать шаговый двигатель. Это происходит из-за того, что с увеличением дробления шага, растет количество переключений напряжения, подаваемого на обмотки, что ведет к росту потерь. Поэтому в драйверах нового поколения SMD-4.2i разгон и торможение двигателя происходит в микрошаговых режимах, а при увеличении скорости драйвер автоматически понижает дробления шага в момент, когда текущее дробление не дает преимуществ над меньшим дроблением для данной частоты вращения ротора шагового двигателя.

Читайте также:  Как сделать плавный пуск двигателя переменного тока

Можно подвести итог, обозначив плюсы и минусы работы шагового двигателя в микрошаговом режиме.

Источник

Микрошаговый режим шагового двигателя.

ЧТО ТАКОЕ МИКРОШАГ

В общем случае под микрошагом понимают микрошаговый режим управления шаговым двигателем, иначе говоря — режим деления шага. Микрошаговый режим отличается от штатного режима управления двигателем тем, что в каждый момент времени обмотки шагового мотора запитаны не полным током, а некими его уровнями, изменяющимися по закону sin в одной фазе и cos во второй. Такой метод дает возможность фиксировать вал в промежуточных положениях между шагами. Количество таких положений задается настройками драйвера. Скажем, режим микрошага 1:8 означает, что с каждым поданным импульсом STEP драйвер будет перемещать вал примерно на 1/8 полного шага, и для полного оборота вала потребуется подать в 8 раз больше импульсов, чем для режима полного шага.

ПРИМЕНЕНИЕ МИКРОШАГОВОГО РЕЖИМА

Основным применением микрошагового режима является борьба с резонансом, снижение вибрации шагового двигателя и повышения плавности хода передачи. Достигается это благодаря тому, что при использовании микрошагового режима на вал мотора действуют более кратковременные усилия разгона-торможения, сам вал совершает шаги меньшей амплитуды, в результате инерционные явления проявлены слабее. У микрошагового режима может быть несколько применений. Разберем несколько заблуждений относительно микрошага:

  • Микрошаг позволяет увеличить точность привода.
    На самом деле это не так. Во-первых, этому мешает геометрическая неидеальность ротора и статора двигателя, неидеальные обмотки, зазоры в подшипниках вала и т.п. В результате двигатель выполняет шаги всегда с некоторой погрешностью(как правило, 5% от величины полного шага), причем абсолютное значение погрешности постоянно для любого выбранного микрошагового режима! Кроме того, во многих драйверах управление двигателем также далеко от идеального, что приводит к дополнительной неравномерности перемещения в режиме микрошага. Дальнейшее деление шага более чем на 5-10 микрошагов приводит только к увеличению разрешающей способности привода, но не точности. То есть вы сможете более дискретно задавать позицию в ЧПУ системе, но не сможете её получить с заданной точностью.
  • Микрошаг значительно снижает момент двигателя(относительно полношагового режима).
    Момент действительно снижается. Однако, использование микрошага одновременно увеличивает плавность хода двигателя, и снижает резонансные явления, что способствует увеличивению момента. Два противоположных влияния на момент в среднем более-менее уравновешивают друг друга. В многих случаях применение микрошага на самом деле увеличивает момент, поэтому целесообразность отказа от микрошагового режима должна определяться в каждом конкретном случае.

ВЫБОР ОПТИМАЛЬНОГО РЕЖИМА ДЕЛЕНИЯ ШАГА

Оптимальный режим деления шага необходимо выбирать в зависимости от конкретного станка и стоящих задач. Основными факторами являются необходимость снизить резонанс двигателей, уменьшить шум, разрешающую способность станка. В большинстве случаев имеет смысл использовать наибольшее деление шага, при котором станок сможет развивать расчетную максимальную скорость. Ограничением в данном случае будет максимальная частота входных импульсов у драйвера или максимальная частота генерации управляющих импульсов ЧПУ-системой. Скажем, скорость вращения 10 об/сек стандартного двигателя с шагом 1.8 град требует подавать импульсы STEP с частотой 2000 Гц для режима полного шага и с частотой 256 КГц для деления шага 1:128, тогда как, например, программа Mach3 максимально может генерировать импульсы с частотой 100 Гц.

Источник