Для чего переключатели на драйвере для шаговых двигателей

Digitrode

цифровая электроника вычислительная техника встраиваемые системы

Драйвер шагового двигателя: принцип работы, особенности, как выбрать драйвер

Как управлять шаговым двигателем

Стандартный шаговый двигатель с постоянными магнитами имеет две обмотки. Если в системе используется биполярный драйвер, вращение достигается путем подачи определенной последовательности сигналов прямого и обратного тока через две обмотки. Таким образом, для биполярного шагового двигателя требуется H-мост для каждой обмотки. В униполярном приводе используются четыре отдельных драйвера, и они не должны иметь возможность подавать ток в обоих направлениях: центр обмотки представляется как отдельное соединение двигателя, а каждый драйвер обеспечивает ток, протекающий от центра обмотки к концу обмотки. Ток, связанный с каждым драйвером, всегда течет в одном и том же направлении.

На рисунке выше представлен биполярный шаговый двигатель (слева) и униполярный (справа). Направление протекания тока в однополярной системе указывает на то, что центр каждой обмотки подключен к напряжению питания двигателя.

Универсальные микросхемы для управления шаговым двигателем

Первое, что нужно иметь в виду – это то, что микросхемы, предназначенные для основных функций управления двигателем могут использоваться с шаговыми двигателями. Вам не нужна микросхема, которая специально помечена или продается как устройство управления шаговым двигателем. Если вы используете биполярный привод, вам нужно два H-моста на шаговый двигатель; Если вы используете однополярный подход, вам нужно четыре драйвера для одного двигателя, но каждый драйвер может быть одним транзистором, потому что все, что вы делаете, это включаете и выключаете ток, а не меняете его направление.

Примером компонента в категории «универсальная микросхема» является DRV8803 от Texas Instruments. Это устройство описано как «драйверное решение для любого приложения переключения нижнего плеча».

В таком устройстве центр обмоток шагового двигателя подключен к напряжению питания, а к обмоткам подается питание путем включения транзисторов нижнего плеча, чтобы они позволяли току течь от источника питания через половину обмотки, далее через транзистор и на землю.

Подход с использованием универсальной микросхемы удобен, если у вас уже есть опыт работы с подходящим драйвером – вы можете сэкономить несколько долларов, повторно использовав старый компонент, или сэкономить время (и уменьшить вероятность ошибок проектирования), включив известную и проверенную микросхему в вашу цепь управления шаговым двигателем. Но более сложная микросхема может обеспечить расширенную функциональность и упростить задачу проектирования, поэтому предпочтительнее взять шаговый драйвер с дополнительными функциями.

Полнофункциональные драйверы шаговых двигателей

Высокоинтегрированные контроллеры шагового двигателя могут значительно сократить объем проектных работ, связанных с применением более мощных шаговых двигателей. Первая полезная особенность, которая приходит на ум – это автоматическая генерация управляющей последовательности, т.е. способность преобразовывать прямые входные сигналы управления двигателем в требуемые последовательности сигналов. Давайте рассмотрим L6208 от STMicroelectronics, в качестве примера.

Вместо логических входов, которые напрямую контролируют ток, подаваемый на обмотки двигателя, L6208 имеет:

  • Вывод, который выбирает между полушагом и полным шагом.
  • Вывод, который задает направление вращения.
  • Вывод «синхроимпульса», который заставляет внутренний конечный автомат управления двигателем меняться на один шаг при появлении фронта сигнала.

Этот интерфейс гораздо более интуитивно понятен, чем фактические последовательности включения и выключения, которые применяются к транзисторам, подключенным к обмоткам (пример которых приведен ниже).

Это последовательность для управления биполярным шаговым двигателем. «A» и «B» относятся к двум обмоткам, а столбцы «Q» указывают состояние транзисторов, управляющих током обмотки.

Микрошаги

Как следует из названия, функция микрошага заставляет шаговый двигатель выполнять вращение, которое значительно меньше одного шага. Это может быть 1/4 шага или 1/256 шага или где-то посередине. Микрошаг гарантирует точное позиционирование двигателя и обеспечивает более плавное вращение. В некоторых приложениях микрошаг совершенно не нужен. Однако, если ваша система может извлечь выгоду из чрезвычайно точного позиционирования, более плавного вращения или уменьшения механического шума, вам следует рассмотреть возможность использования микросхемы драйвера с возможностью организации микрошагов.

Читайте также:  Как поменять масло в двигателе бмв е36

TMC2202 от Trinamic является примером микрошагового контроллера шагового двигателя.

Размер шага может быть всего лишь 1/32 от полного шага, также здесь есть некоторая функциональность интерполяции, которая обеспечивает «полную плавность 256 микрошагов». Эта микросхема также дает вам представление о том, насколько сложным может быть шаговый драйвер – он имеет интерфейс UART для управления и диагностики, специализированный алгоритм драйвера, который улучшает работу в режиме ожидания и низкоскоростную работу, а также различные другие вещи, о которых вы можете прочитать в 81-страничной документации на TMC2202.

Заключение

Если у вас есть микроконтроллер для генерации последовательностей для управления шаговым двигателем и достаточно времени и мотивации для написания надежного кода, вы можете управлять шаговым двигателем с помощью дискретных полевых транзисторов. Тем не менее, почти во всех ситуациях предпочтительнее использовать какую-либо микросхему, и, поскольку на выбор имеется так много устройств и функций, у вас не должно возникнуть особых проблем с поиском компонента, подходящего для вашего приложения.

Источник

Дополнительные функции драйверов шаговых двигателей.

В огромном выборе драйверов шаговых двигателей, что есть сейчас на рынке, несложно запутаться. Тем более, когда продавцы стараются написать побольше текста и страшных слов в описание продукта. Тем начинающим конструкторам, кого длинные списки с перечислением «расширенных функций» и всяких опций сбивают с толку при принятии решения, призвана помочь данная статья. Здесь описаны наиболее часто встречающиеся опции, а также дана субъективная оценка реальной нужности такой функции(или отсутствия таковой).

Начнем с самых распространенных:

ОПТОИЗОЛИРОВАННЫЕ ВХОДЫ

Сейчас сложно встретить драйвер, в котором входы не изолированны гальванически от остальной части, и производители упоминают об оптоизоляции больше для проформы. Драйвер — устройство силовое, на входе у него маломощные сигналы, как правило 0..5 В, и током не более 50-100 мА, тогда как в драйвере коммутируются напряжения на порядок больше, иногда до 100-200 В, и токи бывают немалые — до 5-8А. В случае отсутствия оптопар на входе, при пробое силовой части эта энергия может устремиться в виде тока обратно по входным проводам, и повредить контроллер и подключенные к нему устройства. Поэтому защитная опторазвязка — строго обязательная часть любого нормального драйвера. Все драйверы Purelogic имеют оптоизолированные входы управления (опторазвязку).

МИКРОШАГ И МАКСИМАЛЬНАЯ ЧАСТОТА ВХОДНЫХ ИМПУЛЬСОВ

Микрошаговый режим сам по себе, несомненно, полезная функция. Вопрос в том, можно ли использовать максимальное деление шага как аргумент при выборе драйвера. Иногда кажется, что производители соревнуются, кто больше делений шага сможет зашить в устройство. Многие фирмы предлагают драйверы, позволяющие делить шаг на 512 микрошагов. Для того, чтобы в таком режиме вращать вал со скоростью 20 об/сек(а это вполне нормальная скорость для качественных двигателя и драйвера), потребуется подавать импульсы STEP с частотой 512*200*20 = 2 Мгц. Тогда как сам драйвер обычно способен отрабатывать импульсы на частоте не более 200-300 кГц. Соответственно, если Вы используете деление шага 1/512 то быстрее чем 2 об/сек двигатель раскрутить не удастся — это в том случае, если Ваш контроллер может выдавать импульсы с частотой 300 кГц. Многие контроллеры ограничены частотой 100-150 кГц, и менее. Следовательно, в реальных задачах имеет смысл использовать микрошаг порядка 1/32 или 1/64, бОльшие деления — удел очень узкоспециальных применений. Мы рекомендуем не смотреть на максимальное деление шага при выборе драйвера, но желательно, чтобы драйвер позволял работать в диапазонах деления шага 1/2 — 1/64. Компания Purelogic выпускает одноканальные и многоканальные драйверы ШД с диапазоном деления шага от 2 до 64.

Читайте также:  Какая деревянная деталь есть в двигателе

ФУНКЦИЯ ПОДАВЛЕНИЯ РЕЗОНАНСА

Она же функция компенсации резонанса, она же функция устранения среднечастотной нестабильности. Шаговые двигатели подвержены резонансу — такова их конструктивная особенность. Чем сильнее резонирует вал двигателя, тем меньший крутящий момент двигатель отдает. В 80% случаях прохождения частоты резонанса — вал останавливается. Функция подавления резонанса — помогает уменьшить негативный эффект резонанса. Этой функцией оснащены на самом деле очень мало драйверов шаговых двигателей, самые известные примеры — это драйверы Purelogic, Geckodrive и Leadshine серий DM, EM. Технологии, которые используют производители, не раскрываются, но примерно известно, что возникновение резонанса отслеживается по колебаниям ЭДС индукции, возникающим в обмотках двигателя от резонирующего ротора, после чего ПО драйвера определяет стратегию его устранения. Функция подавления резонанса достаточно полезна, и польза её растет вместе с нагрузкой на двигатель и его размером — если для двигателей 42 и 57 мм это не так существенно, то работать с 86 двигателями без такой функции уже может быть неприемлемо. Следует упомянуть, что алгоритмы подавления резонанса в блоках управления Purelogic и Geckodrive — автоматические, не требуют настройки и подобраны под конкретные типоразмеры двигателей во всем диапазоне частот. Именно поэтому Purelogic выпускают драйверы под конкретные типоразмеры ШД — PLD330 для PL42 (NEMA17), PLD440/PLD545/PLD57 для PL57 (NEMA23), PLD880/PLD86 для PL86 (NEMA34) и PLD8220 для PL110 (NEMA43). В драйверах Leadshine понадобится ручная настройка драйвера — подбор частот устранения резонанса (на выбор 3 диапазона частот) что делает эти драйверы более сложными и менее гибкими в настройке.

МОРФИНГ

Функция, впервые появившаяся в драйверах Geckodrive. В полном шаге каждая обмотка постоянно запитана полным током, а при использовании микрошагового режима — меняются по синусоидальным законам, со смещением фазы в 90 градусов. Это значит, что в режиме полного шага на ротор действует сила, складывающаяся из сил магнитного притяжения обеих обмоток статора, причем — обе этих силы максимальны(запитка полным током). В случае микрошага — две обмотки могут быть запитаны полным током только в тот момент, когда ротор проходит положение полного шага. Следовательно, момент в микрошаговом режиме — меньше чем в полу- или полношаговом. При быстром вращении, однако, можно объединять много микрошагов в один шаг — в самом деле, ротор имеет инерцию, и ни мгновенно разогнаться, ни мгновенно остановиться не может, а значит, скорость меняется плавно, и можно объединять микрошаги в полный шаг без существенной потери точности — а значит, запитывать обмотки полным током, и получать больший момент на высоких оборотах. Функция плавного перехода с микрошагового управления(синусоидальных токов) к полношаговому(запитке фаз полным током) и называется морфингом. Таково теоретическое обоснование данной функции. Драйверы Purelogic поддерживают технологию морфинга.

ПЛАВНЫЙ ПУСК ШАГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

При подаче питания на блоки управления, ток в обмотки подается обычно просто — полным напряжением и затем отсечка по достижению нужного значения тока. Поскольку до подачи тока ротор находится неизвестно где, то в момент подачи он приходит в положение равновесия рывком — это слышно при включении питания, раздается характерный «удар». При плавном пуске напряжение питания возрастает постепенно, и вал двигателя подтягивается тоже постепенно, без удара. В целом, это благотворно сказывается на механике. Все драйверы Purelogic имеют функцию плавного запуска ШД.

СНИЖЕНИЕ ТОКА ФАЗ ПРИ ПРОСТОЕ

При простое (отсутствии управляющих сигналов) драйвер может снижать ток в обмотках до установленного значения. Это позволяет уменьшить нагрев шагового двигателя и экономить энергию. Все драйверы Purelogic имеют функцию AUTO-SLEEP — снижение тока в обмотках ШД при простое.

Источник

Драйвер шагового двигателя

Драйвер шагового двигателя — электронное устройство, которое заставляет шаговый двигатель «шагать» по сигналам управления. Стандартом де-факто в области управления ШД являются сигналы STEP/DIR/ENABLE. STEP это сигнал шага, DIR это сигнал направления вращения, ENABLE это сигнал включения драйвера.

Более научное определение — драйвер шагового двигателя это электронное силовое устройство, которое на основании цифровых сигналов управления управляет сильноточными/высоковольтными обмотками шагового двигателя и позволяет шаговому двигателю делать шаги (вращаться).

Читайте также:  Как увеличить объем двигателя уаз

Управлять ШД намного сложнее чем обычным коллекторным двигателем — нужно в определенной последовательности переключать напряжения в обмотках с одновременным контролем тока. Поэтому для управления ШД разработаны специальные устройства — драйверы ШД. Драйвер ШД позволяет управлять вращением ротора ШД в соответствии с сигналами управления и электронным образом делить физический шаг ШД на более мелкие дискреты.

К драйверу ШД подключается источник питания, сам ШД (его обмотки) и сигналы управления. Стандартом по сигналам управления является управление сигналами STEP/DIR или CW/CCW и сигнал ENABLE.

Сигнал STEP — Тактирующий сигнал, сигнал шага. Один импульс приводит к повороту ротора ШД на один шаг (не физический шаг ШД, а шаг выставленный на драйвере — 1:1, 1:8, 1:16 и т.д.). Обычно драйвер отрабатывает шаг по переднему или заднему фронту импульса.

Сигнал DIR — Потенциальный сигнал, сигнал направления. Логическая единица — ШД вращается по часовой стрелке, ноль — ШД вращается против часовой стрелки, или наоборот. Инвертировать сигнал DIR обычно можно либо из программы управления или поменять местами подключение фаз ШД в разъеме подключения в драйвере.

Сигнал CW — Тактирующий сигнал, сигнал шага. Один импульс приводит к повороту ротора ШД на один шаг (не физический шаг ШД, а шаг выставленный на драйвере — 1:1, 1:8, 1:16 и т. д.) по часовой стрелке. Обычно драйвер отрабатывает шаг по переднему или заднему фронту импульса.

Сигнал CW — Тактирующий сигнал, сигнал шага. Один импульс приводит к повороту ротора ШД на один шаг (не физический шаг ШД, а шаг выставленный на драйвере — 1:1, 1:8, 1:16 и т. д.) против часовой стрелки. Обычно драйвер отрабатывает шаг по переднему или заднему фронту импульса.

Сигнал ENABLE — Потенциальный сигнал, сигнал включения/выключения драйвера. Обычно логика работы такая: логическая единица (подано 5В на вход) — драйвер ШД выключен и обмотки ШД обесточены, ноль (ничего не подано или 0В на вход) — драйвер ШД включен и обмотки ШД запитаны.

Драйверы ШД могут иметь дополнительные функции:

• Контроль перегрузок по току.

• Контроль превышения напряжения питания, защита от эффекта обратной ЭДС от ШД. При замедлении вращения, ШД вырабатывает напряжение, которое складывается с напряжением питания и кратковременно увеличивает его. При более быстром замедлении, напряжение обратной ЭДС больше и больше скачок напряжения питания. Этот скачок напряжения питания может привести к выходу из строя драйвера, поэтому драйвер имеет защиту от скачков питающего напряжения. При превышении порогового значения напряжения питания драйвер отключается.

• Контроль переполюсовки при подключении сигналов управления и питающих напряжений.

• Режим автоматического снижения тока обмотки при простое (отсутствии сигнала STEP) для снижения нагрева ШД и потребляемого тока (режим AUTO-SLEEP).

• 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.

• Схему изменения формы фазовых токов с увеличением частоты (морфинг, переход из режима микрошага в режим шага при увеличении частоты). ШД способен отдать заявленный в ТХ момент только в режиме полного шага, поэтому в обычном драйвере ШД без морфинга при использовании микрошага ШД работает на 70% от максимальной мощности. Драйвер ШД с морфингом позволяет получить от ШД максимальную отдачу по моменту во всем диапазоне частот.

• Встроенный генератор частоты STEP – удобная функция для пробного запуска драйвера без подключения к ПК или другому внешнему генератору частоты STEP. Также генератор будет полезен для построения простых систем перемещения без применения ПК.

Источник

Adblock
detector