Как работает драйвер шагового двигателя

Драйвер шагового двигателя — устройство, виды и возможности

Шаговый двигатель представляет собой синхронную машину, обычно питаемую импульсами постоянного тока. Магнитное поле создается путем последовательного включения отдельных пар полюсов.

Движение ротора шагового двигателя на малых скоростях прерывистое, ротор всегда перемещается между устойчивыми положениями под определенным углом — речь идет о движении шагами. Количество ступеней (стабильных положений покоя) определяется количеством пар полюсов, на него также может влиять способ управления.

Шаговые двигатели применяются сегодня во многих промышленных сферах. Двигатели данного типа отличаются тем, что позволяют добиться высокой точности позиционирования рабочего органа, по сравнению с другими типами двигателей.

Шаговые двигатели относятся к синхронным, так как ротор такого двигателя вращается синхронно с полем статора. Вращение вала шагового двигателя осуществляется дискретно с постоянным угловым шагом. Величина этого шага зависит от конструкции (количества полюсов статора и ротора) и метода управления. Такой принцип действия позволяет обеспечивать позиционирование ротора без обратной связи по положению. Данный тип двигателей широко используется в электроприводах небольшой мощности, например, в принтерах (включая 3D принтеры), приводах жёстких дисков, в полиграфических машинах, в некоторых станках с ЧПУ, небольших роботах-манипуляторх и т.д.

— Калачев Ю.Н., Самохвалов Д.В. Основы регулируемого электропривода

Очевидно, что для работы шагового двигателя требуется точное автоматическое управление. Именно этой для этой цели и служат контроллеры шаговых двигателей , обеспечивающие бесперебойную и точную работу электроприводов различного назначения.

Грубо принцип работы шагового двигателя можно описать так. Каждый полный оборот ротора шагового двигателя состоит из нескольких шагов.

Подавляющее большинство шаговых двигателей рассчитаны на шаг в 1,8 градуса, и на полный оборот приходится 200 шагов. Привод меняет положение на шаг при подаче на определенную обмотку статора напряжения питания. Направление вращения зависит от направления тока в обмотке.

Следующий шаг — выключается первая обмотка, питание подается на вторую и так далее, в итоге после отработки каждой обмотки ротор совершит полный оборот. Но это грубое описание, на деле алгоритмы несколько сложнее, и об этом будет рассказано далее.

Алгоритмы управления шаговым двигателем

Управление шаговым двигателем может быть реализовано по одному из четырех основных алгоритмов: попеременное включение фаз, управление с перекрытием фаз, полушаговое управление или микрошаговое управление.

В первом случае в каждый момент времени питание получает только одна из фаз, и точки равновесия ротора двигателя на каждом шагу совпадают с ключевыми точками равновесия — полюса отчетливо выражены.

Управление с перекрытием фаз позволяет ротору получить шаги к позициям между полюсными выступами статора, что увеличивает вращающий момент на 40% по сравнению с управлением без перекрытия фаз.

Угол шага сохраняется, однако положение фиксации смещено — оно находится между полюсными выступами статора. Эти первые два алгоритма применяются в электротехническом оборудовании, где очень высокая точность не требуется.

Полушаговое управление — комбинация первых двух алгоритмов: через шаг питание получают то одна фаза (обмотка), то две. Размер шага уменьшается вдвое, точность позиционирования получается более высокой, снижается вероятность наступления механического резонанса в двигателе.

Наконец, микрошаговый режим. Здесь ток в фазах меняется по величине так, чтобы положение фиксации ротора на шаг приходилось бы на точку между полюсами, причем, в зависимости от соотношения величин токов в одновременно включенных фазах, таких шагов можно получить несколько. Регулируя соотношение токов, настраивая количество рабочих соотношений, получают микрошаги — наиболее точное позиционирование ротора.

Драйвер шагового двигателя

Чтобы выбранный алгоритм реализовать практически, применяют драйвер шагового двигателя . Драйвер содержит в себе силовую часть и контроллер.

Силовая часть драйвера — это полупроводниковый усилитель мощности, задача которого преобразовать подаваемые на фазы импульсы тока в перемещения ротора: один импульс — один точный шаг или микрошаг.

Направление и величина тока — направление и величина шага. То есть задача силовой части — подать ток определенной величины и направления в соответствующую обмотку статора, удержать этот ток в течение некоторого времени, а также осуществлять быстрое включение и выключение токов, чтобы скоростные и мощностные характеристики привода соответствовали бы поставленной задаче.

Чем более совершенна силовая часть драйвера, тем больший момент можно получить на валу. Вообще, тренд прогресса в совершенствовании шаговых двигателей и их драйверов — получить от двигателей малых габаритов значительный рабочий момент, высокую точность, и сохранить при этом высокий КПД.

Контроллер шагового двигателя

Контроллер шагового двигателя — интеллектуальная часть системы, которая обычно изготовлена на базе микроконтроллера с возможностью перепрограммирования. Именно контроллер отвечает за то, в какой момент, на какую обмотку, на какое время, и какой величины ток будет подан. Контроллер управляет работой силовой части драйвера.

Продвинутые контроллеры подключаются к ПК, и могут регулироваться в режиме реального времени при помощи ПК.

Возможность многократного перепрограммирования микроконтроллера избавляет пользователя от необходимости каждый раз при корректировке задачи приобретать новый контроллер — достаточно перенастроить уже имеющийся, в этом гибкость, контроллер можно легко переориентировать программно на выполнение новых функций.

На рынке сегодня представлены широкие модельные ряды контроллеров шаговых двигателей от различных производителей, отличающиеся возможностями расширения функций.

Программируемые контроллеры предполагают запись программы, а некоторые включают в себя программируемые логические блоки, при помощи которых возможна гибкая настройка алгоритма управления шаговым двигателем под тот или иной технологический процесс.

Управление шаговым двигателем при помощи контроллера позволяет достичь высокой точности вплоть до 20000 микрошагов на оборот. Причем управление может осуществляться как напрямую с компьютера, так и за счет прошитой в устройство программы или по программе с карты памяти.

Если параметры в ходе выполнения задачи меняются, то компьютер может опрашивать датчики, отслеживать меняющиеся параметры и оперативно изменять режим работы шагового двигателя.

Есть в продаже блоки управления шаговым двигателем, к которым подключаются: источник тока, кнопки управления, источник тактового сигнала, потенциометр для настройки шага и т. д.

Такие блоки позволяют быстро интегрировать шаговый двигатель в оборудование для выполнения повторяющихся цикличных задач с ручным или автоматическим управлением.

Возможность синхронизации с внешними устройствами и поддержка автоматического включения, выключения и управления — несомненное достоинство блока управления шаговым двигателем.

Блок может управляться с компьютера напрямую, если, например, требуется воспроизвести программу для станка с ЧПУ, или в ручном режиме без дополнительного внешнего управления, то есть автономно, когда направление вращения вала шагового двигателя устанавливается датчиком реверса, а скорость регулируется потенциометром. Блок управления подбирается по параметрам к шаговому двигателю, который предполагается использовать.

В зависимости от характера поставленной цели выбирают способ управления шаговым двигателем. Если необходимо настроить простое управление маломощным электроприводом, когда в каждый момент времени один импульс подается на одну катушку статора: на полный оборот нужно, скажем, 48 шагов, и ротор будет перемещаться на 7,5 градусов при каждом шаге. Режим одиночных импульсов в этом случае подойдет.

Для достижения более высокого вращающего момента применяют двойной импульс — в две соседние катушки подается одновременно по импульсу.

И если для полного оборота нужно 48 шагов, то опять же нужно 48 таких двойных импульсов, каждый приведет к шагу в 7,5 градусов но на 40% с большим моментом нежели в режиме одиночных импульсов. Скомбинировав оба способа можно получить 96 импульсов разделив шаги — получится 3,75 градуса на шаг — это комбинированный режим управления (полушаговый).

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Сигналы управления драйвера ШД: PUL/DIR, STEP/DIR, CW/CCW. Управление шаговыми драйверами DM860H, DM556, TB6600. с Arduino.

ГЛАВНАЯ / КАтегории / Сигналы управления драйвера ШД: PUL/DIR, STEP/DIR, CW/CCW. Управление шаговыми драйверами DM860H, DM556, TB6600. с Arduino.

Общие сведения:

Шаговый двигатель это бесколлекторный двигатель, ротор которого вращается не плавно, а шагами (дискретно). Один оборот ротора (360°) состоит из определённого количества шагов. Количество полных шагов в одном обороте указывается в технической документации двигателя.

Например, ротор шагового двигателя 17HS1352-P4130, за один полный шаг, поворачивается на 1,8°. Значит для поворота ротора на 360° двигатель должен совершить 200 полных шагов.

Для совершения одного полного шага на обмотки двигателя поступает серия сигналов от драйвера (как в полношаговом «1», так и в микрошаговых режимах «2», «4», «8», «16»).

С принципом работы шаговых двигателей можно ознакомиться в разделе Wiki — ШД.

Микрошаг:

Большинство драйверов позволяют разделить полный шаг двигателя на несколько микрошагов. Выбор микрошага устанавливается согласно таблице в инструкции к драйверу. В таблице указывается количество микрошагов на полный шаг «Microstep» (1/2/4/8/16/32/. ) и/или количество тактов на полный оборот вала «Pulse/rev» (200/400/800/1600/3200/6400/. ).

Если для целого поворота ротора двигателя в режиме 1 микрошаг на полный шаг требуется 200 тактов, то в режиме 4 микрошага на полный шаг, потребуется уже 800 тактов.

Чем больше микрошагов в полном шаге, тем точнее и плавнее поворачивается ротор шагового двигателя, но для поддержания той же скорости, требуется увеличивать частоту следования тактовых импульсов.

Ограничение тока фазы:

Большинство драйверов позволяют ограничить ток фазы (ток протекающий через обмотки двигателя). Выбор тока фазы осуществляется согласно таблице в инструкции к драйверу. В таблице указывается действующий ток «Current» и/или пиковый ток «PK Current». Чем выше ток, тем выше отдаваемый момент (сила двигателя).

Слишком большой ток приведёт к перегреву двигателя и может вызвать его поломку, а слишком маленький может привести к пропуску шагов, или нестабильному вращению ротора.

У некоторых драйверов ограничение тока осуществляется поворотом потенциометра.

Ток удержания:

Ток удержания это постоянный ток проходящий через обмотки двигателя, удерживающий вал в неподвижном состоянии. Некоторые драйверы позволяют снизить ток удержания.

Снижение тока удержания приводит к снижению нагрева двигателя при его удержании.

Силовые выводы драйвера:

Силовые выводы используются для подачи напряжения питания шагового двигателя и подключения его обмоток.

• Входы «VCC», «GND» / «+V», «GND» / «AC+», «AC-» — предназначены для получения напряжения питания шагового двигателя.
• Выводы «A+» и «A-» — предназначены для подключения первой обмотки шагового двигателя.
• Выводы «B+» и «B-» — предназначены для подключения второй обмотки шагового двигателя.

Подключение обмоток двигателя к драйверу зависит от количества выводов у двигателя.

Драйверы DM860H, DM556, TB6600 позволяют работать только с биполярными двигателями. Двигатели с 4 выводами подключаются по схеме А. Двигатели с 6 выводами подключаются по схеме Б или В. Двигатели с 8 выводами подключаются по схеме Г или Д.

Запрещается подключать или отключать обмотки двигателя на включенном драйвере!

Сигналы управления STEP/DIR (PUL/DIR):

• Вход драйвера «STEP» (он же «PULSE») — предназначен для получения тактовых импульсов. За один импульс ротор двигателя поворачивается на один микрошаг. Вход может работать по фронту или спаду импульса. Чем выше частота импульсов, тем выше скорость вращения ротора.
• Вход драйвера «DIR» — предназначен для выбора направления вращения двигателя («0» — в одну сторону, «1» — в другую сторону). Смена состояния вывода «DIR» должна осуществляться при отсутствии импульсов на выводе «STEP».
• Вход драйвера «ENABLE» — разрешает работу двигателя. У большинства драйверов данный вход является инверсным, работа двигателя разрешена при отсутствии напряжения на входе. Некоторые драйверы позволяют вообще не подключать этот вход. Если работа двигателя запрещена, то его обмотки электрически отключаются и вал двигателя не удерживается.

• Двигатель отключён если на входе «ENABLE» есть напряжение.
  Сигналы на входах «STEP» и «DIR» игнорируются драйвером. Вал двигателя освобождён.
• Вал поворачивается на один микрошаг с каждым импульсом на входе «STEP», при условии что на входе «ENABLE» нет напряжения.
  Направление поворота вала зависит от состояния на входе «DIR».
• Вал двигателя удерживается в неподвижном состоянии если на входе «ENABLE» нет напряжения и на вход «STEP» не подаются импульсы.

• t1: После снятия напряжения со входа «ENABLE» должно пройти не менее 5мкс до изменения уровня на входе «STEP» или «DIR».
• t2: После изменения состояния на входе «DIR» должно пройти не менее 5мкс до подачи импульса на вход «STEP».
• t3, t4: Длительность импульса или паузы на входе «STEP» не должна быть меньше 2,5мкс.
• t5: Автоматическое снижение тока удержания происходит через 1-2 сек после подачи последнего импульса на вход «STEP». Время зависит от типа драйвера.

Сигналы управления CW/CCW:

(Данные сигналы не поддерживаются драйверами DM860H, DM556, TB6600)

• Вход драйвера «CW» — предназначен для получения тактовых импульсов. За один импульс ротор двигателя поворачивается на один микрошаг. Вход может работать по фронту или спаду импульса. Чем выше частота импульсов, тем выше скорость вращения ротора.
• Вход драйвера «CCW» — выполняет те же действия что и вход «CW», но ротор двигателя поворачивается в другую сторону.
• Вход драйвера «ENABLE» — разрешает работу двигателя. У большинства драйверов данный вход является инверсным, работа двигателя разрешена при отсутствии напряжения на входе. Некоторые драйверы позволяют вообще не подключать этот вход. Если работа двигателя запрещена, то его обмотки электрически отключаются и вал двигателя не удерживается.

• Двигатель отключён если на входе «ENABLE» есть напряжение.
  Сигналы на входах «CW» и «CCW» игнорируются драйвером. Вал двигателя освобождён.
• Вал поворачивается на один микрошаг с каждым импульсом на входе «CW» или «CCW», при условии что на входе «ENABLE» нет напряжения.
  Направление поворота вала зависит от того, на какой вход поступают импульсы.
• Вал двигателя удерживается в неподвижном состоянии если на входе «ENABLE» нет напряжения и на входы «CW» и «CCW» не подаются импульсы.

• t1: После снятия напряжения со входа «ENABLE» должно пройти не менее 5мкс до подачи импульса на вход «CW» или «CCW».
• t2: После последнего импульса на одном входе должно пройти не менее 5мкс до подачи импульса на дрогой вход.
• t3, t4: Длительность импульса или паузы не должна быть меньше 2,5мкс.
• t5: Автоматическое снижение тока удержания происходит через 1-2 сек после подачи последнего импульса. Время зависит от типа драйвера.

Подключение управляющих выводов драйвера:

Для подключения управляющих выводов можно использовать одну их следующих схем:

Допускается подключать драйвер к контроллеру без использования сигнала ENABLE, тогда выводы ENA+ и ENA- остаются свободными (не подключёнными).

• При уровне логической «1» = 5В, все сопротивления R исключаются из схемы.
• При уровне логической «1» = 12В, все сопротивления R равны 1кОм.
• При уровне логической «1» = 24В, все сопротивления R равны 2кОм.

Подключение драйвера к Arduino:

Так как логические уровни Arduino UNO равны 5В, то при подключении управляющих выводов к драйверу, ограничивающие сопротивления R не нужны.

Для подключения драйвера к Arduino воспользуемся схемой где выводы PUL-, DIR-, ENA- подключены к GND контроллера (правая схема на картинке выше).

Если подключить драйвер к Arduino без использования сигнала ENABLE, оставив выводы ENA+ и ENA- не подключёнными, то приведённый ниже скетч не сможет освобождать вал. Вал двигателя будет удерживаться всё время, пока он не вращается.

Выводы драйвера ENA+, DIR+ и PUL+ можно подключить к любым выводам Arduino, их номера указываются в начале скетча. В примере это выводы 2, 3 и 4 соответственно.

Если для подключения драйвера воспользоваться схемой где выводы PUL+, DIR+, ENA+ подключены к 5V контроллера (левая схема на картинке выше), то в скетче нужно изменить логические уровни устанавливаемые функциями digitalWrite().

Управление двигателем при помощи Arduino:

Для работы скетча установите микрошаг 1/4, что соответствует 800 тактов на 1 оборот. Микрошаг устанавливается DIP-переключателями драйвера согласно таблице на его корпусе.

Скетч постоянно повторяет 4 действия:

• Поворот вала на 2 полных оборота в одну сторону.
• Остановка двигателя на 5 секунд с удержанием вала.
• Поворот вала на 2 полных оборота в другую сторону.
• Остановка двигателя на 5 секунд с освобождением вала.

const uint8_t pin_ENA = 2; // Вывод Arduino подключённый к входу драйвера ENA+. const uint8_t pin_DIR = 3; // Вывод Arduino подключённый к входу драйвера DIR+. const uint8_t pin_PUL = 4; // Вывод Arduino подключённый к входу драйвера PUL+. // Вывод GND Arduino соединён с входами драйвера ENA-, DIR-, PUL-. uint32_t f = 1000; // Определяем частоту следования микрошагов от 1 до 200'000 Гц. // Чем выше частота, тем выше скорость вращения вала. void setup() < // pinMode( pin_ENA, OUTPUT ); // Конфигурируем вывод Arduino как выход. pinMode( pin_DIR, OUTPUT ); // Конфигурируем вывод Arduino как выход. pinMode( pin_PUL, OUTPUT ); // Конфигурируем вывод Arduino как выход. >// // uint32_t t = 1000000/f/2; // Определяем длительность импульсов t3 и пауз t4 в мкс. // void loop() < // // Готовимся к движению вала: // digitalWrite( pin_ENA, 0 ); // Разрешаем работу двигателя. delayMicroseconds(5); // Выполняем задержку t1 (см. график STEP/DIR). digitalWrite( pin_DIR, 0 ); // Выбираем направление вращения. delayMicroseconds(5); // Выполняем задержку t2 (см. график STEP/DIR). // Поворачиваем вал на 2 оборота: // for(int i=0; i// // Останавливаем вал удерживая его: // Двигатель не вращается, если на вывод PUL не поступают импульсы. delay(5000); // Ждём 5 секунд. В это время двигатель остановлен, его вал удерживается. // Меняем направление движения вала: // digitalWrite( pin_DIR, 1 ); // Меняем логический уровень вывода DIR с 0 на 1. delayMicroseconds(5); // Выполняем задержку t2 (см. график STEP/DIR). // Поворачиваем вал на 2 оборота: // for(int i=0; i // // Останавливаем вал без удержания: // digitalWrite( pin_ENA, 1 ); // Запрещаем работу двигателя, отключаем токи в обмотках. delay(5000); // Ждём 5 секунд. В это время двигатель отключен, его вал свободен. > //

• Движение вала на 2 оборота в одну сторону:
  Перед началом движения вала мы разрешаем работу двигателя (установив 0 на выводе ENA) и выбираем направление движения (установив 0 или 1 на вывод DIR), далее выполняем движение подачей импульсов на вывод PUL в теле цикла for. Каждый импульс поворачивает ротор на угол одного микрошага. Микрошаг установлен DIP-переключателями в положение 800 тактов на полный оборот. Код цикла выполняется 1600 раз, значит вал повернётся на 2 оборота.
• Остановка вала с удержанием:
  Двигатель не вращается, если на вывод PUL не поступают импульсы. Значит обычная задержка на 5000 мс приведёт к остановке двигателя на 5 секунд. Так как работа двигателя была разрешена (на выводе ENA ранее был установлен 0), то через обмотки двигателя будет протекать ток удержания вала.
• Движение вала на 2 оборота в другую сторону:
  Направление движения вала определяется логическим уровнем на выводе DIR. Ранее на нём был установлен 0, значит теперь нужно установить 1. Далее подачей импульсов на вывод PUL мы заставляем вращаться вал, но теперь в другую сторону.
• Остановка вала без удержания:
  В предыдущий раз мы останавливали двигатель прекращая подавать импульсы на вывод PUL, но не запрещали работу двигателя, в результате через его обмотки протекал ток удержания вала. Теперь мы запретим работу двигателя установив на выводе ENA уровень логической 1, что приведёт к исчезновению токов в обмотках двигателя. Теперь в течении 5 секунд, двигатель будет не только остановлен, но и его вал можно свободно вращать руками.

Управление шаговым двигателем по прерываниям от 2 таймера Arduino:

const uint8_t pin_ENA = 2; // Вывод Arduino подключённый к входу драйвера ENA+. const uint8_t pin_DIR = 3; // Вывод Arduino подключённый к входу драйвера DIR+. const uint8_t pin_PUL = 4; // Вывод Arduino подключённый к входу драйвера PUL+. // Вывод GND Arduino соединён с входами драйвера ENA-, DIR-, PUL-. volatile uint32_t step=0; // Переменная хранит количество микрошагов, которые требуется совершить. // void setup() < // pinMode( pin_ENA, OUTPUT ); // Конфигурируем вывод Arduino как выход. pinMode( pin_DIR, OUTPUT ); // Конфигурируем вывод Arduino как выход. pinMode( pin_PUL, OUTPUT ); // Конфигурируем вывод Arduino как выход. funcSetTimer2( 1000 ); // Запускаем 2 таймер указав частоту следования микрошагов от 1 до 200'000 Гц. >// Чем выше частота, тем выше скорость вращения вала. // void loop() < // // Готовимся к движению вала: // digitalWrite( pin_ENA, 0 ); // Разрешаем работу двигателя. delayMicroseconds(5); // Выполняем задержку t1 (см. график STEP/DIR). digitalWrite( pin_DIR, 0 ); // Выбираем направление вращения. delayMicroseconds(5); // Выполняем задержку t2 (см. график STEP/DIR). // Поворачиваем вал на 2 оборота: // step=1600; // Указываем количество микрошагов, которые требуется совершить. while(step)// Ждём обнуления переменной. // Останавливаем вал удерживая его: // Двигатель не вращается, если на вывод PUL не поступают импульсы. delay(5000); // Ждём 5 секунд. В это время двигатель остановлен, его вал удерживается. // Меняем направление движения вала: // digitalWrite( pin_DIR, 1 ); // Меняем логический уровень вывода DIR с 0 на 1. delayMicroseconds(5); // Выполняем задержку t2 (см. график STEP/DIR). // Поворачиваем вал на 2 оборота: // step=1600; // Указываем количество микрошагов, которые требуется совершить. while(step) // Ждём обнуления переменной. // Останавливаем вал без удержания: // digitalWrite( pin_ENA, 1 ); // Запрещаем работу двигателя, отключаем токи в обмотках. delay(5000); // Ждём 5 секунд. В это время двигатель отключен, его вал свободен. > // // // ОБРАБОТКА ПРЕРЫВАНИЙ 2 ТАЙМЕРА: // ISR(TIMER2_COMPA_vect) < // Функция вызывается по совпадению регистров TCNT2 и OCR2A. if( step )< // Если требуется выполнять микрошаги, то . bool p = digitalRead(pin_PUL); // Определяем текущее состояние на выводе PUL. digitalWrite(pin_PUL, !p); // Меняем состояние на выводе PUL. if( p )< step--; >// Уменьшаем количество требуемых микрошагов. > // > // // // ФУНКЦИЯ НАСТРОЙКИ 2 ТАЙМЕРА: // void funcSetTimer2(uint32_t f)< // Параметр: «f» - частота тактирования ШД от 1 до 200'000 Гц. if(f>200000) // Определяем значение предделителя: uint16_t i; uint8_t j; f*=2; if(f>(F_CPU/255/ 1))else if(f>(F_CPU/255/ 8))else if(f>(F_CPU/255/ 32))else if(f>(F_CPU/255/ 64))else if(f>(F_CPU/255/128))else if(f>(F_CPU/255/256))else // Устанавливаем регистры 2 таймера: TCCR2A = 0<Данный скетч выполняет те же действия что и предыдущий. Но подача импульсов на вывод PUL осуществляется не в цикле основного кода, а по прерываниям от таймера.

Как только переменной step присваивается число отличное от 0, то на драйвер начинают поступать импульсы. Значение step убывает с каждым поданным импульсом, пока не достигнет 0, что приведёт к остановке вала двигателя. Частота подачи импульсов в Гц указывается функцией funcSetTimer2().

В данном скетче мы ждём завершение вращения вала проверяя значение step в цикле while, вместо этого можно выполнять другие действия, например, опрашивать концевики, датчики, измерять пройденное расстояние и т.д.

Код работает на Arduino UNO, Pro Mini, Nano, Mega.

Ссылки

• Шаговые двигатели.
• Драйвер шагового двигателя, TB6600 (4.0А).
• Драйвер шагового двигателя DM556 (5.6A).
• Драйвер шагового двигателя DM860H (7.2A).
• Wiki — Шаговые двигатели.

Как работает драйвер шагового двигателя? Как правильно выбрать драйвер?

Благодаря специфике устройства шагового двигателя вопрос его запуска и нормальной работы является далеко нетривиальным.

Для обеспечения вращения двигателя нужно удовлетворить минимум два условия: — задать направление вращения (путем выбора направления чередования намагничивания обмоток при любом способе, кроме волнового); — задать скорость вращения (путем увеличения или уменьшения скорости намагничивания/размагничивания обмоток). Устройством, которое позволяет эти условия выполнить является драйвер, который, как правило, представлен набором транзисторов, включенных в определенной последовательности, состояние которых определяется микроконтроллером, установленным в драйвере.

Микроконтроллер не является обязательной составляющей, драйвер может быть рассчитан и без него, но тогда работа его является менее эффективной, так как производитель обычно пишет микрокод драйвера с учетом возникновения паразитных явлений внутри шагового двигателя (резонанс). Также теряется универсальность, так как большинство драйверов рассчитаны на диапазоны рабочих токов и напряжений и не привязаны к параметрам конкретного ШД. Еще одним полезным качеством является возможность работы в микрошаговом режиме, что дает более высокое разрешение положений ротора.

Одним из наиболее популярных исполнений ШД на рынке на данный момент является ШД с гибридным ротором. Обычно он имеет 4 вывода и 8 обмоток, соединенных попарно, а также, ротор, состоящий из двух элементов: диск с положительными полюсами и смещенный относительно него на величину 0,9-5 градусов диск с отрицательными полюсами (диски являются подобием магнитопроводов с насеченными зубьями и сварены с постоянным магнитом на разных его полюсах).

За счет этого смещения каждый раз, когда намагничивается пара противоположных обмоток ротор вращается на величину этого смещения, делая шаг. Драйвер выполняет все эти действия получая только управляющие сигналы от контроллера, либо сам генерируя их (драйверы с возможностью работы без контроллера. На сайте нашей компании Predictor LLC Вы можете купить драйвер 2690А с функцией авто-тактирования).

Один из самых распространенных протоколов управления ШД на данный момент является STEP/DIR протокол, который значительно упрощает написание программ и распайку плат управления. Поэтому большинство драйверов для ШД принимают управляющие сигналы именно по этому протоколу, получая на каждый шаг двигателя два сигнала: направление и импульс шага. Затем преобразуя сигналы в последовательность намагничивания обмоток.

Еще одним аспектом, требующим применения драйверов, является способность работы в микрошаговых режимах, которые достигаются путем частичного намагничивания соседних пар обмоток, такую задачу трудно решить без драйвера шагового двигателя, внутри которого за такие режимы отвечает микроконтроллер. Потому чем выше деление шагов, тем больше нагрузка на чип управления драйвера, но тем стабильнее и плавнее движение ротора шагового двигателя. На данный момент на рынке достаточно много предложений касательно драйверов, при этом большая часть их них не стоит внимания. Наша компания отдает предпочтение драйверам Shenli, купить шаговые двигатели и драйверы Вы можете через наш интернет магазин.

Есть драйверы на моно-чипах с обвязкой, такие как Toshiba TB6500/6600, но данное решение не очень хорошо себя зарекомендовало, так как не способно обеспечить защиту даже своего чипа без дополнительных компонентов и сильно склонно к перегреву, шаговые двигатели под управлением таких микросхем могут работать нестабильно и с большим резонансом. Такие гиганты как Moons, Leadshine, Gecko не используют подобных решений и строят свои драйверы на базе высокомощных транзисторов, которые по умолчанию не могут вместиться на один кристалл при их интегрировании в чип любого типа. Сейчас можно найти много аналогов драйверов всех вышеперечисленных производителей, произведенных вручную и из низкокачественных или отбракованных комплектующих, стоимость у них соответствующая, но и надежды на везение при покупке подобных устройств выходят на первый план, также вызывает много вопросов срок их службы. Как правило люди не могут оценить качество работы драйвера, но разница в работе нашего Shenli SL2450 и TB6600 либо noname DM556 с одним и тем же двигателем в одних и тех же режимах просто колоссальна.

Покупая драйверы шаговых двигателей у нашей компании Predictor LLC, Вы можете быть уверены в их работе и качестве этой работы, так как мы сами собираем оборудование и регулярно испытываем все позиции, представленные у нас в продаже. Стоимость драйверов для ШД смотрите на нашем сайте. Если Вы не нашли нужной позиции, обратитесь к нашему специалисту, те или иные позиции могут быть доставлены под заказ.

Выбираем драйвер шагового двигателя

Шаговый двигатель – двигатель со сложной схемой управления, которому требуется специальное электронное устройство – драйвер шагового двигателя. 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 или LinuxCNC.

Задача драйвера – изменять ток в обмотках как можно более эффективно, а 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.

Типы (виды) драйверов ШД

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, и 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 драйверы на рынке – этого типа. Эти драйверы подают на обмотку шагового мотора ШИМ-сигнал очень высокого напряжения, которое отсекается по достижению 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, 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.

Как выбрать драйвер шагового двигателя (ШД)

Первый параметр, на который стоит обратить внимание, когда вы решили выбрать драйвер шагового двигателя – это сила тока, которую может обеспечить драйвер. Как правило, она регулируется в достаточно широких пределах, но стоит 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 – 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.

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 * sqrt(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 EM706, AM882, YKC2608M-H.

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, если вы решили выбрать драйвер ШД незнакомой модели, стоит дополнительно поинтересоваться наличием оптоизоляции входов и выходов.

Четвертый аспект – наличие механизмов подавления резонанса. Резонанс шагового двигателя – явление, которое проявляется всегда, разница 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 Leadshine серий DM, AM и EM. Драйверы с подавлением резонанса – высококачественные драйверы, и если бюджет позволяет – лучше брать именно такие. Впрочем, и без этого механизма драйвер остается вполне рабочим устройством – основная масса проданных драйверов – без компенсации резонанса, и тем не менее десятки тысяч станков без проблем работают по всему миру и успешно выполняют свои задачи.

Пятый аспект – протокольная часть. Надо убедиться, что драйвер работает по нужному вам протоколу, а уровни входных сигналов совместимы с требуемыми Вам логическими уровнями. Эта проверка идет пятым пунктом, потому что за редким исключением 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 защитных функций. Среди них защита от превышения питающего напряжения, тока обмоток(в т.ч. от короткого замыкания обмоток), от переполюсовки питающего напряжения, от неправильного подключения фаз шагового мотора. Чем больше таких функций — тем лучше.

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, при прочих равных условиях стоит использовать деление чем больше, тем лучше. Максимально допустимое деление шага будет определяться не только встроенными в драйвер таблицами Брадиса, но и максимальной частотой входных сигналов – так, для драйвера со 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.

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.

Девятый, и самый важный аспект – качество драйвера. Оно практически не связано с характеристиками и т.п. На рынке существует множество предложений, и иногда характеристики драйверов двух производителей совпадают практически 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 уровень драйвера заранее по каким-то косвенным данным новичку достаточно трудно. Можно попробовать ориентироваться на количество интеллектуальных функций, таких как «stall detect» или подавление резонанса, а также воспользоваться проверенным способом — ориентироваться на бренды.

В разработке электроники для шаговых двигателей давно удерживает пальму первенства корпорация Leadshine, продукцию которой мы и рекомендуем использовать в станках с ЧПУ.