Драйвер шагового двигателя (особенности выбора и применения)

Драйвер шагового двигателя (особенности выбора и применения)

Шаговые приводы широко используются в автоматизации различных механизмов. Большим плюсом является их невысокая стоимость. В режиме работы без обратной связи должна быть гарантия, что любой управляющий сигнал будет правильно отработан. Эти вопросы прорабатываются на этапе конструирования механизмов как для электронной части так и для механической. По шаговым приводам существует много публичной литературы . Цель данной статьи - обозначить моменты выбора и использования драйвера шагового двигателя, учет которых позволят работать оборудованию правильно, без ошибок.

 

1. Максимальный ток.

Одним из параметров шагового двигателя является максимальный ток фазной обмотки. Необходимо знать, что при использовании шагового двигателя (ШД) в режиме микрошага (не важно, какой делитель), момент двигателя уменьшается в 1.4 раза по сравнению с режимом работы ШД в полном шаге. Производители ШД и драйверов ШД рекомендуют компенсировать потерю момента увеличением максимального тока до 1.4 раза и при этом соблюдать следующие рекомендации:

a) драйвер ШД должен уметь уменьшать ток в режиме удержания (простоя) не менее чем в 1.4 раза;

б) коэффициент увеличения тока 1-1.4 должен подбираться и удовлетворять температурному режиму работы ШД.

Пример:

Подбираем ШД с максимальным током 3А, например - http://shagovik.ru/stepper/20motors/stepper/20motor/20nema23/57bygh115-003

К нему подбираем драйвер ШД, например - http://shagovik.ru/electronics/motor_drivers/dq542ma

Максимальный ток фазной обмотки 4.2 А  ( 3 * 1.4) и драйвер может уменьшать ток в режиме удержания до 70%.

 

2. Напряжение источника питания.

Напряжение источника питания подбирается по параметрам драйвера ШД. Не путать это напряжение со средним напряжением на фазных обмотках ШД. Среднее напряжение на фазных обмотках ШД имеет очень опосредованное отношение к напряжению источника питания и служит как справочная величина для расчета  общей мощности источника питания. Для регулирования тока драйверы ШД использую метод ШИМ и более подробную информацию по этому методу можно почерпнуть из публичной литературы. Стоит отметить, что конечное напряжение источника питания при формировании приводной пары (ШД и драйвер ШД) корректируется в лабораторных условиях

 

3. Микрошаг.

Многие драйверы ЩД имеют режим микрошага. Делитель шага определяется настройками драйвера. Производители начали использовать режим микрошага исключительно в целях уменьшения резонансных эффектов ШД. При этом уменьшенная дискретность вращения вала ШД побочный эффект, хотя и положительный. Чем больше делитель шага тем мягче работа ШД. Но необходимо учитывать, что при сохранении скорости вращения ШД повышается частота тактового сигнала. При разработке устройств автоматики выбирают компромисс между скоростью вращения ШД и максимальной частотой тактового сигнала контроллера ЧПУ и самого драйвера ШД.

 

4. Тактовый сигнал.

Параметры тактового сигнала (шагового сигнала) по длительности импульсов и частоте должны быть согласованы между драйвером ШД и управляющим контролером ЧПУ. Лучший вариант, когда драйвер ШД формирует шаг/микрошаг по фронту или спаду импульса тактового сигнала. Многие драйверы и особенно драйверы, реализованные на специализированных чипах (интегральных драйверах ШД) могут иметь требования по длине импульса тактового сигнала, это надо учитывать при совместной работе драйвера ЩД и контроллера ЧПУ.

Пример:

В качестве контроллера ЧПУ выступает персональный компьютер с установленным ПО MACH3. Данное ПО формирует импульсы тактового сигнала максимальной длительности 5 микросекунд.

Интегральный драйвер ШД  THB7128 имеет требование по длине импульса 2 микросекунды и возможна корректная работа.

Интегральный драйвер ШД  TB6560 имеет требование по длине импульса 15 микросекунд и корректная работа не возможна.

Производители драйверов ШД могут изменять эти параметры включением в схему дополнительных элементов и это, как правило, декларируется. Нередко, второй случай из примера обходят изменением полярности сигнала, что зеркально изменяет скважность импульсов, но это не совсем правильно и может приводить к ошибкам перемещения. Об ошибках чуть позже.

 

5. Сигнал направления.

Очень важным моментом для правильной работы драйвера ШД является время и скорость установки/изменения сигнала направления. Сигнал направления должен быть изменен и отработан драйвером ШД до подачи импульсов тактового сигнала. Такие задержки или упреждения могут формироваться на стороне контроллера ЧПУ или драйвера ШД. К сожалению не все устройства могут это делать и это надо учитывать. На рынке драйверов ШД существуют драйверы ШД с более медленным оптроном для сигнала направления чем для тактового сигнала. Это усугубляет ситуацию. Даже вовремя поданный сигнал направления может быть отработан драйвером ШД спустя 1-3 импульса тактового сигнала. Т.Е. фактически дистанция предыдущего направления увеличивается соответственно на 1-3 шаг/микрошаг ШД а дистанция текущего направления изначально меньше. Такая ошибка не накопительная, но может давать смещения (ступеньки) при многослойной выборке. В случае, когда контроллер ЧПУ формирует одновременно сигнал направления и импульс тактового сигнала, драйвер ШД имеющий одинаковые оптроны и не имеющий схему задержки может формировать хаотические ошибки дистанции соответственно +-1 шагу/микрошагу ШД.

Такие драйверы  имеют свою область применения, например, в моно приводе устройств автоматики, где не важна точность и дистанция диктуется концевыми датчиками. Применение таких драйверов в составе много осевого синхронизированного привода ЧПУ оборудования условное или нежелательное.

 

6. Цифровой или нецифровой.

От наших покупателей поступают вопросы о различии цифровых и аналоговых драйверов ШД. Стоить отметить, что аналоговых драйверов ШД не существует. По исполнению драйверы ШД могут быть разбиты на две категории:

а) выполненные на специализированных микросхемах (интегральных драйверах ШД);

б) выполненные на универсальных программируемых контроллерах.

В обоих случаях присутствуют вычисления.  В первом случае стоит руководствоваться описанием чипа и декларацией производителя о дополнительных свойствах/функциях, полученных дополнительными элементами в схеме. Во втором случае разброс контроллеров и их вычислительных мощностей может быть большим и весь набор свойств и функций определяется программным обеспечением контроллера (прошивкой). Такие драйверы ШД могут иметь задержки сигналов, упомянутые ранее, фильтры помех, контроль над режимами. Некоторые драйверы ЩД могут обнаружить остановку или пропуски шагов ШД, связанные с механическими неисправностями и выдавать соответствующий сигнал контроллеру ЧПУ. Некоторые драйверы могут иметь вход для подключения энкодера перемещения.

 

7. Подключение драйвера ШД.

Особо хотим обратить внимание на правильность подключения для тактового сигнала. Для правильной работы драйвера ШД необходимо согласовать всю цепь начиная от настроек контроллера ЧПУ. Изменение полярности  сигнала может соответственно изменить общий режим работы. Если контроллер ЧПУ  считает, что шаг формируется по фронту импульса, а реально драйвер ШД формирует шаг/микрошаг по спаду импульса  это также может вызвать ошибки в дистанции соответственно +-1 шаг/микрошаг ЩД.

 

8. Проверка драйвера ШД.

Проверить работу шагового привода достаточно просто. Это можно сделать на станке или вне его. На вал ШД необходимо установить стрелочный указатель (это может быть не толстая проволока и т.д.). На корпусе ШД сделать маркер. Проверять лучше с делителем шага не более 4. С таким делителем отчетливо будет видно несоответствие положения маркера и указателя. Обнулить координаты и сделать холостой прогон программы на максимальной скорости, где по плоскости осей присутствуют окружности и угловые фигуры, например, это может быть цилиндрическая выборка. Начальное и конечное положения в программе должны быть одинаковыми. По завершению программы и возврату привода в исходное состояние, маркер и указатель должны быть совмещены. В противном случае имеются ошибки.

 

В завершении можем сказать, что учет всех описанных моментов позволит вашему оборудованию работать правильно, избежать необоснованных выводов и решений, требующих дополнительных затрат.

Вопросы по тел.: 8(985)850-13-54 или e-mail: info@shagovik.ru