Что такое драйвер шагового двигателя, принцип работы

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 двигателя с постоянным магнитом
• Гибридный шаговые двигателя
• Двигатели с переменным магнитным сопротивлением
• Биполярные и униполярные шаговые двигатели

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:

• Устойчив в работе
• Работает в широком диапазоне фрикционных и инерционных нагрузок и скоростей, скорость пропорциональна частоте входных импульсов.
• Нет необходимости в обратной связи
• Намного дешевле других типов двигателей
• Подшипники — единственный механизм износа, за счет этого долгий срок эксплуатации.
• Превосходный крутящий момент при низких скоростях или нулевых скоростях
• Может работать с большой нагрузкой без использования редукторов
• Двигатель не может быть поврежден механической перегрузкой
• Возможность быстрого старта, остановки, реверсирования

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.

Преимущества Главное преимущество шаговых приводов — точность. При подаче потенциалов на обмотки шаговый двигатель повернётся строго на определённый угол. К приятным моментам можно отнести стоимость шаговых приводов, в среднем в 1,5-2 раза дешевле сервоприводов. Шаговый привод, как недорогая альтернатива сервоприводу, наилучшим образом подходит для автоматизации отдельных узлов и систем, где не требуется высокая динамика. Недостатки Возможность «проскальзывания» ротора — наиболее известная проблема этих двигателей. Это может произойти при превышении нагрузки на валу, при неверной настройке управляющей программы (например, ускорение старта или торможения не адекватно перемещаемой массе), при приближении скорости вращения к резонансной. Наличие датчика позволяет обнаружить проблему, но автоматически скомпенсировать её без остановки производственной программы возможно только в очень редких случаях. Чтобы избежать проскальзывания ротора, как один из способов, можно увеличить мощность двигателя.

Недостатки шагового двигателя:

• Постоянное потребление энергии, даже при уменьшении нагрузки и без нагрузки
• У шагового двигателя существует резонанс
• Из-за того что нет обратной связи, можно потерять положение движения.
• Падение крутящего момента на высокой скорости
• Низкая ремонтопригодность

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.

Тогда есть 24 (6 зубьев х 4 катушек) возможных положений или «ступеней», чтобы ротор совершил один полный оборот. Следовательно, вышеуказанный угол шага равен: 360° / 24 = 15°.

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.

Например, предположим, что наш шаговый двигатель имеет угол наклона 3,6°на шаг. Чтобы повернуть двигатель на угол, скажем, 216°, а затем снова остановиться в требуемом положении, потребуется всего: 216°/ (3,6°/ шаг) = 80 импульсов, приложенных к катушкам статора.

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.

Протокол STEP/DIR:

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.

Протокол CW/CCW:

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:

• Контроль перегрузок по току.
• Контроль превышения напряжения питания, защита от эффекта обратной ЭДС от ШД. При замедлении вращения, ШД вырабатывает напряжение, которое складывается с напряжением питания и кратковременно увеличивает его. При более быстром замедлении, напряжение обратной ЭДС больше и больше скачок напряжения питания. Этот скачок напряжения питания может привести к выходу из строя драйвера, поэтому драйвер имеет защиту от скачков питающего напряжения. При превышении порогового значения напряжения питания драйвер отключается.
• Контроль переполюсовки при подключении сигналов управления и питающих напряжений.
• Режим автоматического снижения тока обмотки при простое (отсутствии сигнала STEP) для снижения нагрева ШД и потребляемого тока (режим AUTO-SLEEP).
• Автоматический компенсатор среднечастотного резонанса ШД. Резонанс обычно проявляется в диапазоне 6-12 об/сек, ШД начинает гудеть и ротор останавливается. Начало и сила резонанса сильно зависит от параметров ШД и его механической нагрузки. Автоматический компенсатор среднечастотного резонанса позволяет полностью исключить резонирование ШД и сделать его вращение равномерным и устойчивым во всем диапазоне частот.
• Схему изменения формы фазовых токов с увеличением частоты (морфинг, переход из режима микрошага в режим шага при увеличении частоты). ШД способен отдать заявленный в ТХ момент только в режиме полного шага, поэтому в обычном драйвере ШД без морфинга при использовании микрошага ШД работает на 70% от максимальной мощности. Драйвер ШД с морфингом позволяет получить от ШД максимальную отдачу по моменту во всем диапазоне частот.
• Встроенный генератор частоты STEP – удобная функция для пробного запуска драйвера без подключения к ПК или другому внешнему генератору частоты STEP. Также генератор будет полезен для построения простых систем перемещения без применения ПК.

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.

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».

Эта небольшая плата имеет восемь выпрямительных диодов, которые улучшают форму волны шагового двигателя, в частности, для более старых более дешевых шаговых драйверов, например DRV8825 и A4988. Улучшение формы волны снижает шум двигателя за счет уменьшения вибрации. Поскольку вибрации уменьшаются, качество печати также улучшается. Просто установите плату между драйвером и шаговым двигателем, ориентация не имеет значения. Для удобства в комплект входит небольшой 4-проводной разъем длиной 20 см, чтобы подключить плату к электронике. Стоимость около 7 $

Дефект полосы зебры или муар 

Как работает TL-Smoother

схема 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

• Отключите принтер от сети.
• Откройте корпус электроники вашего 3D-принтера.
• Найдите драйверы шагового двигателя (двигатели должны быть подключены непосредственно к ним).
• Отключите каждый двигатель и перемонтируйте его так, чтобы двигатель подключался к TL, а TL — к драйверу (как показано выше).