Для чего нужен драйвер шагового двигателя
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:
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.
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
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 с на 40% 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).
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Подписывайтесь на наш канал в Telegram!
Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:
Что такое драйвер шагового двигателя, принцип работы
Замкнутые и разомкнутые системы
Системы позиционирования обычно используют один из двух способов: системы с замкнутым и разомкнутым контуром. Так в чем же разница между этими двумя подходами к позиционированию?
В системах с замкнутым контуром обычно используются серводвигатели для управления скоростью и положением движущейся оси. Серводвигатели работают так же, как и любой обычный двигатель, когда на них подается питание, они вращаются. Это вращение принимает непрерывное плавное движение. Задача серводвигателя — не только приводить двигатель в действие, но и точно контролировать скорость. Наряду со скоростью в замкнутой системе также требуется обратная связь по положению. Обычно это обеспечивается энкодером или линейной шкалой. Позиционная обратная связь с контроллером машины позволяет ему быстро двигаться к заданному месту, а затем плавно замедляться, чтобы остановиться на цели.
В системах с разомкнутым контуром нет устройства обратной связи для контроля скорости или положения. Вместо этого расстояние, которое необходимо преодолеть от текущего местоположения, делится системой управления машиной на несколько точных шагов определенного размера. Система управления также определяет оптимальную кривую скорости системы на основе предварительно определенных параметров. Затем команды поступают на шаговый двигатель в виде импульсов. Работа драйвера шагового двигателя заключается в преобразовании командных импульсов в фактические шаги привода двигателя далее шаговые двигатели продвигаются по этим шагам, достигая желаемого результата.
Работа шагового двигателя
Шаговый электродвигатель — это синхронный бесщёточный электродвигатель с несколькими обмотками, в котором ток, подаваемый в одну из обмоток статора, вызывает фиксацию ротора. Последовательная активация обмоток двигателя вызывает угловые перемещения (шаги ) ротора.
Шаговые двигатели, имеют достаточно высокую надежность и большой срок службы. При увеличении скорости двигателя, уменьшается вращающийся момент.
Шаговые двигатели дают больше вибрации наряду с другими типами двигателей, поскольку дискретный шаг имеет тенденцию хватать ротор от одного положения к другому. Из-за этого шаговый двигатель более шумный. Вибрация может быть сильная, что может привести двигатель к потери момента потому, что вал находится в магнитном поле и ведет себя как пружина. Шаговые двигатели работают без обратной связи, то есть не используют Энкодеры или резольверы для определения положения.
Существует четыре главных типа шаговых двигателей:
Шаговые электродвигатели состоят из статора с обмотками возбуждения и ротора из магнитомягкого или из магнитотвёрдого материала. Шаговые двигатели с магнитным ротором позволяют получать больший крутящий момент и обеспечивают фиксацию ротора при обесточенных обмотках. В зависимоти от конструкции ротора выделяют следующие разновидности шаговых двигателей: с постоянными магнитами (ротор из магнитотвёрдого материала), реактивный (ротор из магнитомягкого материала), гибридный. Гибридные двигатели сочетают в себе лучшие черты двигателей с переменным магнитным сопротивлением и двигателей с постоянными магнитами.
В машиностроении более распространены высокомоментные двухфазные гибридные шаговые электродвигатели с угловым перемещением 1,8°/шаг (200 шагов/оборот) или 0,9°/шаг (400 шаг/об). Точность выставления шага определяется качеством механической обработки ротора и статора электродвигателя. Шаговые электродвигатели применяются в приводах машин и механизмов, работающих в старт-стопном режиме или в приводах непрерывного движения, где управляющее воздействие задаётся последовательностью электрических импульсов. В отличие от сервоприводов, шаговые приводы позволяют получать точное позиционирование без использования обратной связи от датчиков углового положения. Шаговые двигатели с постоянными магнитами могут использоваться в качестве датчиков угла поворота благодаря возникновению ЭДС на обмотках при вращении ротора.
Преимущества Шагового двигателя:
Главным преимуществом шаговых приводов является точность. При подаче потенциалов на обмотки, шаговый двигатель повернется строго на определенный угол. Шаговый привод, можно приравнять к недорогой альтернативе сервоприводу, он наилучшим образом подходит для автоматизации отдельных узлов и систем, где не требуется высокая динамика.
Недостатки шагового двигателя:
Принцип работы шагового двигателя
На примере шагового двигателя с переменным сопротивлением выше, двигатель состоит из центрального ротора и окружен четырьмя электромагнитными катушками, помеченных A, B, C и D. Все катушки с одной и той же буквой соединены вместе, так что при подаче питания, скажем, катушек, помеченных буквой A, магнитный ротор выравнивается с этим набором катушек.
Подавая мощность на каждый набор катушек, в свою очередь, можно заставить ротор вращаться или «переходить » из одного положения в другое на угол, определяемый конструкцией угла его шага, и при последовательном возбуждении катушек ротор будет производить вращение (движение ).
Драйвер шагового двигателя управляет как углом шага, так и скоростью двигателя, запитывая полевые катушки в установленной последовательности, например,» ADCB, ADCB, ADCB, A…» и т.д., ротор будет вращаться в одном направлении (вперед ) и посредством при изменении последовательности импульсов на» ABCD, ABCD, ABCD, A…» и т. д. ротор будет вращаться в противоположном направлении (назад ).
Таким образом, в нашем простом примере, приведенном выше, шаговый двигатель имеет четыре катушки, что делает его 4-фазным двигателем с числом полюсов на статоре восемь (2 x 4), которые расположены с интервалом 45°. Число зубьев на роторе составляет шесть, которые расположены на расстоянии 60°друг от друга.
Очевидно, что чем больше зубьев ротора и / или катушек статора, тем лучше контроль и меньший угол шага. Кроме того, при подключении электрических катушек двигателя в различных конфигурациях возможны полные, половинные и микрошаговые углы. Однако для достижения микроперехода шаговый двигатель должен приводиться в действие (квази ) синусоидальным током, который дорог в реализации.
Также возможно контролировать скорость вращения шагового двигателя, изменяя временную задержку между цифровыми импульсами, подаваемыми на катушки (частоту ), чем больше задержка, тем медленнее скорость для одного полного оборота. Подавая на двигатель фиксированное количество импульсов, вал двигателя вращается на заданный угол.
Преимущество использования импульса с задержкой по времени заключается в том, что не требуется никакой дополнительной обратной связи, поскольку путем подсчета количества импульсов, подаваемых на двигатель, конечное положение ротора будет точно известно. Эта реакция на заданное количество цифровых входных импульсов позволяет шаговому двигателю работать в «системе с разомкнутым контуром», что делает его более простым и дешевым в управлении.
Имеется много интегральных схем контроллера шагового двигателя, которые могут контролировать скорость шага, скорость вращения и направление двигателя. Одним из таких контроллеров является SAA1027, который имеет все необходимые встроенные счетчики и преобразователи кода и может автоматически подключать 4 полностью контролируемых мостовых выхода к двигателю в правильной последовательности.
Направление вращения также может быть выбрано вместе с одношаговым режимом или непрерывным (бесступенчатым ) вращением в выбранном направлении, но это накладывает некоторую нагрузку на контроллер. При использовании 8-битного цифрового контроллера возможны также 256 микрошагов за шаг.
Принцип работы шагового двигателя 3D принтера
Угол шага двигателя может достигать 90 градусов, что означает, что двигатель будет вращаться на 360 градусов за четыре шага. Однако более типичный угол шага для двигателей 3D принтера составляет 1,8 градуса, что означает, что для полного поворота требуется 200 шагов (360 / 1,8).
Угол шага определяется размещением катушек двигателя и конструкцией магнитных полюсов в роторе.
Если известно, что для поворота двигателя на 360 градусов требуется 200 шагов и двигатель подключен к ходовому винту с шагом 1 мм (1 мм хода на каждое вращение), то каждый шаг двигателя продвигает ось вперед на 0,005 мм. Таким образом, количество шагов, необходимых для достижения точного местоположения, можно легко рассчитать.
Расчет количества необходимых шагов управляется контроллером (драйвером шагового двигателя.
Драйвер шагового двигателя
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 ). Стандартом управления являются сигналы STEP/DIR/ENABLE. STEP это сигнал шага, DIR это сигнал направления вращения, ENABLE это сигнал включения драйвера.
Управлять шаговым двигателем сложнее, чем обычным коллекторным двигателем, нужно в определенной последовательности переключать напряжения в обмотках с одновременным контролем тока. Поэтому для управления шаговыми двигателями были разработаны специальные устройства называемые драйверами. Они позволяет управлять вращением ротора в соответствии с сигналами управления и определенным образом делить физический шаг на более мелкие дискреты.
К драйверу подключается источник питания, шаговый двигатель и сигналы управления с платы контроллера. 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 шагового двигателя могут иметь дополнительные функции:
Драйверы шаговых двигателей различаются по сложности. Современные драйверы можно комбинировать с множеством различных типов шаговых двигателей. Настройки для конкретного двигателя обычно настраивается пользователем во время установки. Но в целом драйверы шаговых двигателей — относительно простые устройства.
На иллюстрации выше изображен драйвер A4988. Задача компонентов, состоит в том, чтобы реагировать импульсные команды шага, поступающие от контроллера машины и преобразовывать их в правильную схему включения-выключения, необходимую для привода шагового двигателя. Эта схема активирует фазы в правильном порядке, чтобы двигать двигатель шаг за шагом в том или ином направлении.
Здесь необходимо отметить важный момент: в драйвере шагового двигателя очень мало интеллекта. Эта функция предоставляется контроллеру 3D принтера. Фактически, драйвер выполняет только две основные функции: упорядочивание фаз и управление фазным током.
Драйвера могут поставляться как отдельный компонент, так и вместе с платы контроллеров для 3D принтеров, например таких как Creality 4.2.7.
Какие драйвера для шаговых двигателей 3D принтера можно купить?
1. TMC2208, TMC2130, TMC2100. Выходной ток на обмотку с дополнительным охлаждением – до 2 А, пиковый выходной ток 2,5А. Напряжения питания силовой части: 4.75 — 36 В. Дробление шага: 1/2, 1/4, ⅛ и 1/16 с возможностью интерполяции до 1/256. Он используется для снижения уровня шума при работе с 8-битными микроконтроллерами. Может применяться в устройствах с маломощными режимами работы, а так же в оборудовании, где востребована высокая энергетическая эффективность моторов. TMC2208 построен на микросхеме от Trinamic и способен выдавать до 2.5 А на обмотку, чего достаточно для использования в 3D принтерах и ЧПУ. При этом решается проблема шумности работы шаговых двигателей за счёт эффективных алгоритмов формирования управляющих импульсов (StealthChop2 ™) и управления током.
Сглаживающее устройство TL-Smoother
Плата, которая соединяет шаговый драйвер и шаговый двигатель, уменьшая шум и вибрации на вашем 3D-принтере, снижая риск образования дефекта «полоса зебры».
Дефект полосы зебры или муар
Как работает TL-Smoother
Происхождение технологии плавного сглаживания TL до 2015 года, когда пользователь Schrodinger Z написал в блоге о резких движениях шагового двигателя и исследовал, что происходит. Как оказалось, шаговые драйверы DRV8825, которые он использовал, не генерировали гладкие синусоидальные сигналы для двигателей. При дополнительном осмотре было обнаружено, что драйверы не могут должным образом выводить сигналы при малых токах, так как они находятся в так называемой «мертвой зоне».
TL были созданы для устранения конкретного недостатка конструкции в драйверах DRV8825.
Установка TL-Smoother
