Как подобрать драйвер к шаговому двигателю

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.

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

КАК ВЫБРАТЬ ДРАЙВЕР ШАГОВОГО ДВИГАТЕЛЯ

Первый параметр , на который стоит обратить внимание, когда вы решили выбрать драйвер шагового двигателя – это сила тока , которую может обеспечить драйвер. Зачастую она регулируется в достаточно широких пределах, но стоит брать драйвер, который может выдавать ток, равный току фазы выбранного шагового двигателя. Желательно, чтобы максимальная сила тока была на 15-40% больше — понадобится, если захотите получить больший момент или в будущем поставите более мощный двигатель.

Второй момент – это напряжение питания . Напряжение влияет на динамику, вибрации, нагрев. Обычно max напряжение питания драйвера примерно равно максимальному току I, умноженному на 8-10. Если указанное max напряжение резко отличается – стоит поинтересоваться почему.

Чем больше индуктивность двигателя — тем большее напряжение требуется. Существует формула U = 32 * sqrt(L), где L — индуктивность обмотки шагового двигателя. Величина U весьма приблизительная, но она позволяет ориентироваться при выборе драйвера: U должно примерно равняться max значению напряжения. Если U равно 70, то вам подойдут драйверы EM706, AM882 , YKC2608M-H .

Третий аспект – наличие опторазвязанных входов . Практически во всех драйверах и контроллера есть опторазвязка . Если выбираете драйвер незнакомой модели, поинтересуйтесь наличием оптоизоляции входов и выходов.

Четвертый аспект – наличие механизмов подавления резонанса . Резонанс шагового двигателя – обычное являение, разница только в резонансной частоте, которая прежде всего зависит от момента инерции нагрузки, питания драйвера и установленной силы тока фазы мотора. При резонансе шаговик начинает вибрировать и терять крутящий момент. Для подавления резонанса используется микрошаг и встроенные алгоритмы компенсации резонанса. Механизм подавления резонанса встроен во все драйверы Leadshine серий DM, AM и EM. Если бюджет позволяет – лучше брать именно такие.

Пятый аспект – протокольная часть . Убедитесь, что драйвер работает по нужному протоколу, а уровни входных сигналов совместимы с требуемыми логическими уровнями. Подавляющее число драйверов работает по протоколу STEP/DIR/ENABLE и совместимо с уровнем сигналов 0..5 В, вам надо только лишь на всякий случай убедиться.

Шестой аспект – наличие микрошаговых режимов . Почти в каждом драйвере они есть. Чем больше деление шага, тем плавней движение вала мотора и меньше резонанс. Соответственно, при прочих равных условиях стоит использовать деление чем больше, тем лучше.

Седьмой, и самый важный аспект – качество драйвера . На рынке множество предложений, и иногда характеристики драйверов двух производителей совпадают до запятой, а установив их по очереди на станок, становится ясно, что один из производителей явно занимается не своим делом, и в производстве недорогих утюгов ему больше повезет. Определить качество драйвера заранее новичку достаточно трудно. Можно попробовать ориентироваться на количество интеллектуальных функций, таких как «stall detect» или подавление резонанса и ориентироваться на бренды.

Источник

Выбираем драйвер шагового
двигателя

Шаговый двигатель — двигатель со сложной схемой управления,
которому требуется специальное электронное устройство —
драйвер.

Драйвер шагового двигателя получает на входе логические сигналы STEP/DIR, которые, как правило, представлены высоким и низким уровнем опорного напряжения 5 В, и в соответствии с полученными сигналами изменяет ток в обмотках двигателя, заставляя вал поворачиваться в соответствующем направлении на заданный угол. Сигналы STEP/DIR генерируются ЧПУ-контроллером или персональным компьютером, на котором работает программа управления типа Mach3, LinuxCNC или PureMotion.

Задача драйвера — изменять ток в обмотках как можно более эффективно. Поскольку индуктивность обмоток и ротор гибридного шагового двигателя постоянно вмешиваются в этот процесс, то драйверы весьма отличаются друг от друга своими характеристиками и качеством получаемого движения. Ток, протекающий в обмотках, определяет движение ротора: величина тока задает крутящий момент, его динамика влияет на равномерность и т. п.

Драйверы делятся по способу закачки тока в обмотки на несколько видов:

1. Драйверы постоянного напряжения. Эти драйверы подают постоянный уровень напряжения поочередно на обмотки. Результирующий ток зависит от сопротивления обмотки, а на высоких скоростях — и от индуктивности. Эти драйверы крайне неэффективны и могут быть использованы только на очень малых скоростях.

2. Двухуровневые драйверы. В драйверах этого типа ток в обмотке сперва поднимается до нужного уровня с помощью высокого напряжения, затем источник высокого напряжения отключается, и нужная сила тока поддерживается источником малого напряжения. Такие драйверы достаточно эффективны. Помимо прочего, они снижают нагрев двигателей. Их все еще можно иногда встретить в высококлассном оборудовании. Однако такие драйверы поддерживают только режим шага и полушага.

3. Драйверы с ШИМ. На текущий момент ШИМ-драйверы шаговых двигателей наиболее популярны. Практически все представленные сейчас на рынке драйверы как раз этого типа. Эти драйверы подают на обмотку шагового мотора ШИМ-сигнал очень высокого напряжения, которое отсекается по достижении током необходимого уровня. Величина силы тока, по которой происходит отсечка, задается либо потенциометром, либо DIP-переключателем. Иногда эта величина программируется с помощью специального ПО. Эти драйверы достаточно интеллектуальны и снабжены множеством дополнительных функций, поддерживают разные деления шага, что позволяет увеличить дискретность позиционирования и плавность хода. Однако ШИМ-драйверы также весьма сильно отличаются друг от друга. Помимо таких характеристик, как питающее напряжение и максимальный ток обмотки, у них отличается частота ШИМ.

Лучше, если частота драйвера будет более 20 кГц. И вообще, чем она больше, тем лучше. Частота ниже 20 кГц ухудшает ходовые характеристики двигателей и попадает в слышимый диапазон, в результате шаговые моторы начинают издавать неприятный писк.

Драйверы шаговых двигателей вслед за самими двигателями делятся на униполярные и биполярные.

Начинающим станкостроителям настоятельно рекомендуем не экспериментировать с приводами, а выбрать те, по которым можно получить максимальный объем технической поддержки, информации и для которых продукты на рынке представлены наиболее широко. Такими являются драйверы биполярных гибридных шаговых двигателей. Ниже будут описаны только практические рекомендации по выбору ШИМ-драйвера биполярного шагового двигателя. При этом предполагается, что Вы уже определились с моделью двигателя, его характеристиками и т. п.

ВЫБОР ДРАЙВЕРА ДЛЯ ШАГОВОГО ДВИГАТЕЛЯ

Cила тока

Первый параметр, на который стоит обратить внимание, — это сила тока, которую может обеспечить драйвер. Как правило, она регулируется в достаточно широких пределах, но драйвер нужно выбирать такой, который может выдавать ток, равный току фазы выбранного шагового двигателя.

Желательно, конечно, чтобы максимальная сила тока драйвера была еще на 15–40 % больше. С одной стороны, это даст запас на случай, если вы захотите получить больший момент от мотора, или в будущем поставите более мощный двигатель. С другой стороны, не будет излишней: производители иногда «подгоняют» номиналы радиоэлектронных компонентов к тому или иному виду/размеру двигателей, поэтому слишком мощный драйвер на 8 А, управляющий двигателем NEMA 17 (42 мм), может, к примеру, вызывать излишние вибрации.

Напряжение питания

Второй момент — это напряжение питания. Весьма важный и неоднозначный параметр. Его влияние достаточно многогранно — напряжение питания влияет на динамику (момент на высоких оборотах), вибрации, нагрев двигателя и драйвера. Обычно максимальное напряжение питания драйвера примерно равно максимальному току I, умноженному на 8–10. Если максимальное указанное напряжение питания драйвера резко отличается от данных величин, стоит дополнительно поинтересоваться, в чем причина такой разницы. Чем больше индуктивность двигателя, тем большее напряжение требуется для драйвера.

Существует эмпирическая формула U = 32 * √(L), где L — индуктивность обмотки шагового двигателя. Величина U, получаемая по этой формуле, весьма приблизительная, но она позволяет ориентироваться при выборе драйвера. U должно примерно равняться максимальному значению напряжения питания драйвера. Если вы получили U равным 70, то по данному критерию проходят драйверы PLD86, PLD880.

Наличие опторазвязанных входов

Третий аспект — наличие опторазвязанных входов. Практически во всех драйверах и контроллерах, выпускаемых на заводах, тем более брендовых, опторазвязка стоит обязательно, ведь драйвер — устройство силовой электроники, и пробой ключа может привести к мощному импульсу на кабелях, по которым подаются управляющие сигналы, и выгоранию дорогостоящего ЧПУ-контроллера. Однако, приобретая незнакомую модель, стоит дополнительно поинтересоваться наличием оптоизоляции входов и выходов.

Наличие механизмов подавления резонанса

Четвертый аспект — наличие механизмов подавления резонанса. Резонанс шагового двигателя — явление, которое проявляется всегда. Разница состоит только в резонансной частоте, которая прежде всего зависит от момента инерции нагрузки, напряжения питания драйвера и установленной силы тока фазы мотора. При возникновении резонанса шаговый двигатель начинает вибрировать и терять крутящий момент, вплоть до полной остановки вала. Для подавления резонанса используется микрошаг и встроенные алгоритмы компенсации резонанса. Колеблющийся в резонансе ротор шагового двигателя порождает микроколебания ЭДС-индукции в обмотках, и по их характеру и амплитуде драйвер определяет, есть ли резонанс и насколько он силен. В зависимости от полученных данных драйвер несколько смещает шаги двигателя во времени относительно друг друга — такая искусственная неравномерность нивелирует резонанс. Механизм подавления резонанса встроен во все драйверы Purelogic R&D. Драйверы с подавлением резонанса — высококачественные устройства, и если бюджет позволяет, лучше брать именно такие. Впрочем, и без этого механизма драйвер остается вполне рабочим: основная масса проданных драйверов не имеют компенсации резонанса. Тем не менее, десятки тысяч станков без проблем работают по всему миру и успешно выполняют свои задачи.

Наличие защитных функций

Шестой аспект — наличие защитных функций. Среди них — защита от превышения питающего напряжения, тока обмоток (в т. ч. от короткого замыкания обмоток), переполюсовки питающего напряжения, неправильного подключения фаз шагового мотора. Чем больше таких функций, тем лучше.

Наличие микрошаговых режимов

Седьмой аспект — наличие микрошаговых режимов. Сейчас практически в каждом драйвере есть множество микрошаговых режимов. Однако из каждого правила есть исключения, и в драйверах Geckodrive режим только один – деления шага 1/10. Мотивируется это тем, что большее деление не приносит большей точности, а значит, в нем нет необходимости. Однако практика показывает, что микрошаг полезен вовсе не повышением дискретности позиционирования или точности, а тем, что чем больше деление шага, тем плавней движение вала мотора и меньше резонанс. Соответственно, чем больше деление при прочих равных условиях, тем лучше. Максимально допустимое деление шага будет определяться не только встроенными в драйвер таблицами Брадиса, но и максимальной частотой входных сигналов. Так, для драйвера с входной частотой 100 кГц нет смысла использовать деление 1/256, так как скорость вращения будет ограничена 100 000 / (200 * 256) * 60 = 117 об/мин, что для шагового двигателя очень мало. Кроме того, персональный компьютер тоже с трудом сможет генерировать сигналы с частотой более 100 кГц. Если вы не планируете использовать аппаратный ЧПУ-контроллер, то 100 кГц, скорее всего, будет Вашим потолком, что соответствует делению 1/32.

Наличие дополнительных функций

Восьмой аспект — наличие дополнительных функций. Их может быть множество, например, функция определения «срыва» — внезапной остановки вала при заклинивании или нехватки крутящего момента у шагового двигателя, выходы для внешней индикации ошибок и т. п. Все они не являются необходимыми, но могут сильно облегчить жизнь при построении станка.

Качество драйвера

Девятый, и самый важный аспект — качество драйвера. Оно практически не связано с характеристиками и т. п. Определить уровень драйвера заранее по каким-то косвенным данным новичку достаточно трудно. Можно попробовать ориентироваться на количество интеллектуальных функций, таких как подавление резонанса, морфинг, а также воспользоваться проверенным способом — ориентироваться на бренды и качество технической поддержки.

Источник