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.

Принцип действия

Как работает шаговый электродвигатель можно рассмотреть на условной модели. В положении 1 на обмотки А и В подается напряжение определенной полярности. В результате в статоре образуется электромагнитное поле. Так как разные магнитные полюса притягиваются, ротор займет свое положения по оси магнитного поля. Более того, магнитное поле мотора будет препятствовать попыткам изменения положения ротора извне. Если говорить простыми словами, то магнитное поле статора будет работать на то, чтобы удержать ротор от изменения заданного положения (например, при механических нагрузках на вал).

Если напряжение той же полярности подается на обмотки D и C, электромагнитное поле сместится. Это заставит повернуться ротор с постоянным магнитом в положение 2. В этом случае угол поворота равен 90°. Этот угол и будет шагом поворота ротора.

Положение 3 достигается подачей напряжения обратной полярности на обмотки А и В. В этом случае электромагнитное поле станет противоположным положению 1, ротор двигатели сместится, и общий угол будет 180°.

При подаче напряжения обратной полярности на обмотки D и C, ротор повернется на угол до 270° относительно начальной позиции. При подключении положительного напряжения на обмотки А и В ротор займет первоначальное положение — закончит оборот на 360°. Следует учитывать, что передвижение ротора происходит по наименьшему пути, то есть из положения 1 в положение 4 по часовой стрелке ротор повернется только после прохождения промежуточных 2 и 3 положения. При подключении обмоток после 1 положения сразу в 4 положение ротор повернется против часовой стрелки.

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.

Особенности управления

Для управления двигателем с дискретным движением ротора используются следующие режимы: полношаговый, полушаговый и микрошаговый.

Полношаговый режим

При таком способе двигателем производится попеременная коммутация фаз. При этом к источнику напряжения фазы подключаются попеременно без перекрытия. Точки равновесия ротора при таком управлении совпадают с полюсами статора. К недостаткам полношагового режима относят то, что в каждый момент времени у биполярного двигателя используется половина обмоток, а у униполярного лишь четверть. Если подключить две фазы на полный шаг, то ротор будет зафиксирован между полюсами статора благодаря подаче питания на все обмотки. При этом увеличивается крутящий момент шагового двигателя, а положение ротора в состоянии равновесия смещается на полшага. Угол шага при этом остается неизменным.

Полушаговый режим

Если каждый второй шаг включать одну фазу, а между этим включать сразу две, можно увеличить количество перемещений на один оборот в два раза. Такая коммутация, соответственно, в два раза уменьшает угол шага. При этом достичь полного момента в полушаговом режиме невозможно. Режим активно используется, так как позволяет простым способом вдвое увеличить число шагов двигателя. Важно учитывать, что при снятии напряжения со всех фаз в полношаговом и полушаговом режиме ротор остается в свободном состоянии и может произойти его смещение при механических воздействиях. Для фиксации ротора требуется в обмотках двигателя формировать ток удержания. Обычно его значение намного меньше номинального. Благодаря способности шагового двигателя фиксировать положение ротора при остановке отсутствует необходимость использовать тормозную систему, фиксаторы и иные приспособления.

Микрошаговый режим

Чтобы максимально увеличить число шагов двигателя, используется микрошаговый режим. Для этого требуется включить две фазы и распределить ток обмоток неравномерно. При смещении магнитного поля статора относительно полюсов смещается и сам ротор. У диспропорции токов между рабочими фазами двигателя обычно наблюдается дискретность, которая определяет величину микрошага. Количество микрошагов на один оборот ротора шагового двигателя может составлять более 1 000. Устройство, работающее в таком режиме, можно максимально точно позиционировать. Однако данный способ управления является достаточно сложным.

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.

Устройство и принцип работы

Шаговые двигатели широко используются в бытовых приборах, транспортных средствах, фрезерных и шлифовальных станках и других производственных механизмах.

Устройство представляет собой движок постоянного тока, один оборот которого разделен на несколько одинаковых шагов (это обеспечивается благодаря контроллеру). Главное его отличие от моторов других типов – отсутствие щеточного механизма.

Шаговый двигатель оснащен блоком управления (приборной панелью), передатчиками и сигнализаторами.

Из чего состоит шаговый двигатель

Как работает шаговый электродвигатель?

Зная принцип работы шагового двигателя, вы сможете самостоятельно установить его или произвести ремонт. Он функционирует следующим образом:

После подачи напряжения на клеммы начинается непрерывное вращение специальных щеток. Входные импульсы устанавливают ведущий вал в положение, которое заранее определено.
Под воздействием импульсов вал перемещается под фиксированным углом.
Внешняя цепь управления, чаще всего представленная микроконтроллером, возбуждает электромагниты зубчатого типа. Один из них (тот, к которому приложена энергия) притягивает к себе зубья шестерни, вследствие чего вал движка делает поворот.
Будучи выровнены по отношению к ведущему электромагниту, остальные магниты смещаются по направлению к следующей магнитной детали.
Вращение шестеренки обеспечивается отключением первого электромагнита и включением следующего.
Шестеренка выравнивается по отношению к предыдущему колесу, после чего весь процесс повторяется столько раз, сколько необходимо.

Данные вращения являются постоянным шагом. Для определения скорости мотора нужно подсчитать количество шагов, требуемых для его полного оборота. Точность работы обеспечивается благодаря микропроцессорным системам управления шаговых двигателей.

Характеристики

Шаговый двигатель с точки зрения механики и электротехники очень сложное устройство, имеющее много механических и электрических параметров. Приведу расшифровку основных технических параметров, которые используются на практике:

Количество полных шагов за один оборот. Основной параметр двигателя, определяющий его точность, разрешающую способность, плавность движения. На двигателях серии FL57 этот параметр составляет 200 и 400 шагов на оборот.
Угол полного шага. Представление в другом виде предыдущего параметра. Показывает на какой угол повернется вал при одном полном шаге. Может быть подсчитан как 360° / количество полных шагов за оборот. Для двигателей серии FL57 составляет 1,8 ° и 0,9°.
Номинальный ток. Основной электрический параметр. Наибольший допустимый ток, при котором электродвигатель может работать сколь угодно длительное время. Для этого тока указаны механические параметры двигателя.
Номинальное напряжение. Допустимое постоянное напряжение на обмотке двигателя в статическом режиме. Часто этот параметр не приводится. Вычисляется по закону Ома через номинальный ток и сопротивление обмотки.
Сопротивление обмотки фазы. Сопротивление обмотки двигателя на постоянном токе. Параметр вместе с номинальным током, показывает какое напряжение можно подавать на обмотку двигателя.
Индуктивность фазы. Параметр становится важным на значительных скоростях вращения. От него зависит скорость нарастания тока в обмотке. При высоких частотах переключения фаз приходится увеличивать напряжение, чтобы ток нарастал быстрее.
Крутящий момент. Основной механический параметр. Показывает максимальный крутящий момент, который способен создать двигатель. Иногда приводится механическая характеристика в виде зависимости крутящего момента от частоты вращения.
Момент инерции ротора. Характеризует механическую инерционность ротора двигателя. Чем этот параметр меньше, тем двигатель быстрее разгоняется.
Удерживающий момент. Это крутящий момент при остановленном двигателе. При этом у двигателя должны быть запитаны две фазы номинальным током.
Стопорный момент. Момент, необходимый чтобы провернуть вал двигателя при отсутствующем напряжении питания.
Сопротивление изоляции. Как у всех электрических приборов – сопротивление между корпусом и обмотками.
Пробивное напряжение. Минимальное напряжение, при котором происходит пробой изоляции между обмотками и корпусом. Параметр из раздела электробезопасности.

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.

Контроллер управления шаговыми двигателями, сделанный своими руками

Задача проста: по готовой схеме и программе Павла Бахтинова с этого форума развести печатную плату, собрать и отладить контроллер управления шаговыми двигателями, установленными в монтировке астрономического телескопа. Далее, необходимо изготовить приличный корпус и пульт управления.

Все начинается с деталек (сразу вспоминается закон Мерфи: «Ни один талант не смог пережить страсти к деталькам» ):

Работа над схемой:

Разводим печатную плату:

Фотошаблон готов:

Тут надо сказать несколько слов о моем НОУ-ХАУ в изготовлении фотошаблонов для перевода рисунка на печатную плату.

Обычно я их печатаю на принтере — чаще на струйном, реже на лазерном, т.к. термопленка давала непредсказуемую усадку после термообработки в лазернике (а шаблоны необходимы для двух сторон), поэтому невозможно было совместить два шаблона с достаточной точностью (до 0,15 мм).

Струйный принтер хорошо повторяет размеры, но не достаточно плотно заполняет черным цветом дорожки, кое-где они все же просвечиваются. Решение этой проблемы было вскоре найдено: печатаем не чистым черным, а чуть светлее в сторону желтого — принтер начинает добавлять к черной краске желтую (непрозрачную для УФ излучения) и дорожки, хотя и выглядят более прозрачными, после перевода фотоспособом получаются более плотные, практически без изьянов.

Главное — подобрать экспозицию:

Идет процесс травления печатной платы:

Протравлена полностью:

Сверлим отверстия диаметром от 0.7мм до 1.5мм самодельным сверлильным станком:

Паяльник старенький да удаленький:

Забиваем плату деталями:

Все детали запаяны:

Обратная сторона платы, начался процесс отладки:

Вот так будем ставить нагревающиеся элементы (те, что выше на рисунке с этой стороны платы стоят — интегральный стабилизатор и две микросхемы — драйверы моторов) вот на такие красивые радиаторы:

В данное время началась работа над пультом. Главное в пульте управления, считаю — эргономика, насколько только это уместно применить к той коробочке, которая получится после сборки на отечественных БОЛЬШИХ, но надежных микрокнопках.

… И, так, после продолжительного перерыва снова продолжил работу над этим проектом.

Немного поигрался с разными вариантами дизайна пульта и, вот, к чему я пришел:

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.

Тихие драйверы, рекомендуем ставить именно их. Стоит дороже остальных около 15 $.

2. A4988 Допустимый выходной ток на обмотку с дополнительным охлаждением – до 2 А, без охлаждения – до 1 А. Напряжения питания силовой части: 8-35 В. Преимущества драйвера А4988 – наличие защиты от перегрузок и перегрева, возможность регулировки тока и несколько вариантов микрошага. Дробление шага: 1, 1/2, 1/4, 1/8, 1/16. На 9В значительно тише, чем на 12В, без потери крутящего момента. Резкое усиление звука происходит с 11В до 12В. Стоимость около 6 $.

4. DRV8825 Допустимый выходной ток на обмотку с дополнительным охлаждением – до 2 А. Напряжения питания силовой части: 8-45 В. Электрическая и механическая совместимость с драйвером A4988. Дробление шага: 1, 1/2, 1/4, 1/8, 1/16, 1/32. По отзывам имеют конструктивный недостаток, что выражения в появлении дефектов на поверхности отпечатка в виде вертикальных полос (полосы зебры). Недостаток можно устранить установив TL-Smoother, но гораздо рентабельнее будет купить вместо них TMC2208. Стоимость около 6 $.

Виды управления

Помимо уже рассмотренных режимов – полно-, полу- и микро-, – есть и другие, определяющие, как сигналы подаются на полюса и, соответственно, как работает шаговый мотор. Рассмотрим два принципиально разных их типа.

Без контроллера

Реализуется благодаря Н-мосту (часто именно так и называется), позволяющему практически мгновенно переключать полярность и обеспечивать быстрый реверс. Система выстраивается на транзисторах и/или микросхемах: выбранные ЭРЭ гарантируют логическую цепочку, по которой перемещаются ключи. Подходит для бесколлекторных моделей.

Согласно данной схеме, напряжение идет от источника питания к мосту. Контакты включаются попарно (S1-S4 и S3-S2), благодаря чему ток проходит через обмотки, запуская вращение в нужную сторону.

С контроллером

Взглянем на него подробнее, ведь он определяет, как работает и что такое шаговый электродвигатель: это электронный блок, который формирует последовательность сигналов и посылает их на катушки статора. Чтобы он не вышел из строя при возникновении аварийной ситуации (например, при коротком замыкании), выводы привода снабжают диодами, не пропускающими обратные импульсы. Дает возможность реализовать самые разные режимы.

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.

Режимы управления

Теперь рассмотрим различные способы подачи тока на обмотки и увидим, как в результате вращается вал мотора.

Волновое управление или полношаговое управление одной обмоткой

Этот способ описан выше и называется волновым управлением одной обмоткой. Это означает, что только через одну обмотку протекает электрический ток. Этот способ используется редко. В основном, к нему прибегают в целях снижения энергопотребления. Такой метод позволяет получить менее половины вращающего момента мотора, следовательно, нагрузка мотора не может быть значительной.

У такого мотора будет 4 шага на оборот, что является номинальным числом шагов.

Полношаговый режим управления

Вторым, и наиболее часто используемым методом, является полношаговый метод. Для реализации этого способа, напряжение на обмотки подается попарно. В зависимости от способа подключения обмоток (последовательно или параллельно), мотору потребуется двойное напряжение или двойной ток для работы по отношению к необходимым при возбуждении одной обмотки. В этом случае мотор будет выдавать 100% номинального вращающего момента.

Такой мотор имеет 4 шага на полный оборот, что и является номинальным числом шагов для него.

Полушаговый режим

Это очень интересный способ получить удвоенную точность системы позиционирования, не меняя при этом ничего в «железе»! Для реализации этого метода, все пары обмоток могут запитываться одновременно, в результате чего, ротор повернется на половину своего нормального шага. Этот метод может быть также реализован с использованием одной или двух обмоток. Ниже показано, как это работает.

Однообмоточный режим

Двухобмоточный режим

Используя этот метод, тот же самый мотор сможет дать удвоенное число шагов на оборот, что означает двойную точность для системы позиционирования. Например, этот мотор даст 8 шагов на оборот!

Режим микрошага

Микрошаговый режим наиболее часто применяемый способ управления шаговыми двигателями на сегодняшний день. Идея микрошага состоит в подаче на обмотки мотора питания не импульсами, а сигнала, по своей форме, напоминающего синусоиду. Такой способ изменения положения при переходе от одного шага к другому позволяет получить более гладкое перемещение, делая шаговые моторы широко используемыми в таких приложениях как системы позиционирования в станках с ЧПУ. Кроме этого, рывки различных деталей, подключенных к мотору, также как и толчки самого мотора значительно снижаются. В режиме микрошага, шаговый мотор может вращаться также плавно как и обычные двигатели постоянного тока.

Форма тока, протекающего через обмотку похожа на синусоиду. Также могут использоваться формы цифровых сигналов. Вот некоторые примеры:

Метод микрошага является в действительности способом питания мотора, а не методом управления обмотками. Следовательно, микрошаг можно использовать и при волновом управлении и в полношаговом режиме управления. Ниже продемонстрирована работа этого метода:

Хотя кажется, что в режиме микрошага шаги становятся больше, но, на самом деле, этого не происходит. Для повышения точности часто используются трапецевидные шестерни. Этот метод используется для обеспечения плавного движения.

ОБОРУДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ

Как правило, логические сигналы для управления шаговым двигателем формирует микроконтроллер. Ресурсов современных микроконтроллеров вполне хватает для этого даже в самом ”тяжелом” режиме – микрошаговом.

Для подключения шаговых двигателей через слаботочные логические сигналы микроконтроллеров необходимы усилители сигналов – драйверы.

В функцию драйверов входит:

обеспечение необходимого тока и напряжения на фазных обмотках двигателя;
коммутация обмоток; включение;
выключение;
смена полярности;

защита коммутирующих элементов от напряжения самоиндукции обмоток.

Речь в этой статье идет о простых драйверах, достаточных для большинства приложений. Существуют драйверы с гораздо большими возможностями:

обеспечение быстрого нарастания тока при включении и быстрого спада при выключении;
уменьшение тока для фиксации положения остановленного двигателя;
защитные функции;
формирование тока и напряжения обмоток для микрошагового режима;
и многие другие.

Схемы таких драйверов достаточно сложные, а в этих функциях в большинстве приложениях нет необходимости.

По схеме подключения шаговые двигатели делятся на униполярные и биполярные. Драйверы для этих двух вариантов двигателей принципиально отличаются.

Драйвер униполярного шагового двигателя.
Схема драйвера униполярного шагового двигателя.
Драйвер биполярного шагового двигателя.
Схема драйвера биполярного шагового двигателя.
Драйвер биполярного шагового двигателя L298N.
Характеристики микросхемы L298N на русском языке.
Схема включения драйвера L298N.

Драйвер униполярного шагового двигателя.

В униполярном режиме могут работать двигатели, имеющие следующие конфигурации обмоток.

Напомню принцип управления униполярным шаговым двигателем. Четыре обмотки с общим проводом, подключенным к одному полюсу источника питания. Если другие выводы обмоток последовательно коммутировать к другому полюсу источника, то ротор двигателя будет вращаться.

Для коммутации обмоток таким способом достаточно всего четырех ключей, замыкающих обмотки на землю. Схемы коммутации обмоток двух предыдущих вариантов двигателей выглядят так.

Если последовательно замыкать ключи 1, 2, 3, 4, то ротор двигателя будет вращаться.

Схема драйвера униполярного шагового двигателя.

Практически ключи можно выполнить на биполярных транзисторах, но предпочтительнее использовать низкопороговые MOSFET транзисторы. Я применяю транзисторы IRF7341. Это MOSFET транзисторы с параметрами:

максимально допустимый ток 4 А;
предельное напряжение 55 В;
сопротивление в открытом состоянии 0,05 Ом;
порог включения 1 В;
выполнены в миниатюрном корпусе SO-8;
в корпусе два транзистора.

Крайне удобный вариант для использования в драйвере униполярного шагового двигателя.

Нет необходимости в радиаторах охлаждения ключей;
очень низкое падение напряжения на открытом транзисторе;
малые размеры;
всего два 8ми выводных корпуса для драйвера двухфазного шагового двигателя.

На биполярных транзисторах ключи с такими параметрами создать не возможно. Есть много других вариантов MOSFET транзисторов для ключей, например IRF7313 ( 6 А, 30 В, 0,029 Ом).

Схема ключа на MOSFET транзисторе для одной фазы выглядит так.

Ключ управляется непосредственно от микроконтроллера логическими уровнями KMOП или TTL ( 0 / +5 В). При управляющем сигнале высокого уровня (+5 В) ключ открыт, и через обмотку фазы идет ток. Диод шунтирует обмотку двигателя в обратном направлении. Он необходим для защиты транзистора от бросков напряжения самоиндукции при выключении фазы. Для управления двигателями на значительных скоростях вращения, лучше использовать высокочастотные диоды, например, FR207.

Вот фрагмент схемы подключения униполярного шагового двигателя к микроконтроллеру.

Защиты от коротких замыканий в этой схеме нет. Реализация защиты значительно усложняет драйвер. А замыканий обмоток шаговых двигателей практически не бывает. Я не встречался с таким явлением. Да и на фоне неприятности по поводу сгоревшего дорогого двигателя, замена транзистора не выглядит проблемой.

Кстати, механическое заклинивание вала шагового двигателя не вызывает недопустимых токов в ключах драйвера и защиты не требует.

А это изображение платы контроллера униполярного шагового двигателя с PIC контроллером фирмы Microchip.

Простая плата с восьми разрядным микроконтроллером PIC18F2520 управляет:

двумя шаговыми двигателями с током фазы до 3 А;
двумя ШИМ ключами для электромагнитов;
считывает состояние 4х датчиков;
обменивается данными по сети с центральным контроллером.

Этот контроллер используется в составе системы управления шаговыми двигателями практически во всем фасовочном оборудовании фирмы ”РОСТ”.

Несмотря на простоту контроллера, реализованы следующие режимы управления:

полно-шаговый, одна фаза на полный шаг;
полно-шаговый, две фазы на полный шаг;
полу-шаговый;
фиксацию положения двигателя при остановке.

К достоинствам управления шаговым двигателем в униполярном режиме следует отнести:

простой, дешевый, надежный драйвер.

К недостаткам:

в униполярном режиме крутящий момент примерно на 40 % меньше по сравнению с биполярным режимом.

Пример практической схемы простого контроллера униполярного шагового двигателя.

Статья о подключении униполярного шагового двигателя к плате Ардуино.

Драйвер биполярного шагового двигателя.

В биполярном режиме могут работать двигатели, имеющие любые конфигурации обмоток.

У биполярного двигателя по одной обмотке для каждой фазы. Обычно две обмотки AB и CD. В первых двух вариантах четыре обмотки соединяются так, что получается две. Обмотки по очереди подключаются к источнику питания в одной полярности, затем в другой.

Драйвер биполярного двигателя должен обеспечивать сложную коммутацию. Каждая обмотка:

подключается в прямой полярности к источнику напряжения;
отключается от источника напряжения;
подключается с противоположной полярностью.

Схема коммутации одной обмотки биполярного двигателя выглядит так.

Для обеспечения двух полярных коммутаций от одного источника питания требуется 4 ключа. При замыкании 1 и 2 ключей обмотка подключается к источнику питания в прямой полярности. Замыкание 3 и 4 ключей подает на обмотку обратную полярность напряжения.

Сложность драйвера биполярного шагового двигателя вызвана не только большим числом ключей ( 4 ключа на обмотку, 8 ключей на двигатель), но и:

сложное управление верхними ключами ( 1 и 4) от логических сигналов “привязанных” к земле;
проблемы со сквозными токами при одновременном открывании ключей одного плеча ( 1,3 или 2,4).

Сквозные токи могут возникать из-за не одинакового быстродействия нижнего и верхнего ключа. К примеру, нижний ключ уже открылся, а верхний – не успел закрыться.

Схема драйвера биполярного шагового двигателя.

Реализовать схему драйвера биполярного шагового двигателя на дискретных элементах довольно сложно. Могу показать мою схему, которая подключает биполярный двигатель к униполярному драйверу. Эта схема используется для управления биполярными двигателями от контроллера, приведенного в качестве примера в предыдущей главе.

Схема достаточно простая. Проблема сквозных токов решается за счет резисторов 0.22 Ом в коммутируемых цепях. В момент коммутаций MOSFET транзисторов, верхний и нижний ключ оказываются одновременно открытыми на короткое время. Эти резисторы и ограничивают сквозной ток. К сожалению, они ограничивают и рабочий ток двигателя. Поэтому, несмотря на мощные транзисторы, драйвер по такой схеме можно использовать для токов коммутации не более 2 А. Схема не требует диодов для защиты от эдс самоиндукции обмоток, потому что эти диоды интегрированы в MOSFET транзисторы.

Гораздо удобнее и практичнее использовать интегральные драйверы биполярного шагового двигателя. Самым распространенным из них является микросхема L298N.

Драйвер биполярного шагового двигателя L298N.

Описания этой микросхемы на русском языке практически нет. Поэтому привожу параметры L298N достаточно подробно, по официальным материалам производителя этой микросхемы – компании STMicroelectronics (datasheet l298n.pdf).

L298N это полный мостовой драйвер для управления двунаправленными нагрузками с токами до 2 А и напряжением до 46 В.

Драйвер разработан для управления компонентами с индуктивными нагрузками, такими как электромагниты, реле, шаговые двигатели.
Сигналы управления имеют TTL совместимые уровни.
Два входа разрешения дают возможность отключать нагрузку независимо от входных сигналов микросхемы.
Предусмотрена возможность подключения внешних датчиков тока для защиты и контроля тока каждого моста.
Питание логической схемы и нагрузки L298N разделены. Это позволяет подавать на нагрузку напряжение другой величины, чем питание микросхемы.
Микросхема имеет защиту от перегрева на уровне + 70 °C.

Структурная схема L298N выглядит так.

Микросхема выполнена в 15ти выводном корпусе с возможностью крепления радиатора охлаждения.

Назначение выводов L298N.

1	Sense A	Между этими выводами и землей подключаются резисторы — датчики тока для контроля тока нагрузки. Если контроль тока не используется, они соединяются с землей.
15	Sense B
2	Out 1	Выходы моста A.
3	Out 2	Выходы моста A.
4	Vs	Питание нагрузки. Между этим выводом и землей должен быть подключен низкоимпедансный конденсатор емкостью не менее 100 нФ.
5	In 1	Входы управления мостом A. TTL совместимые уровни.
7	In 2	Входы управления мостом A. TTL совместимые уровни.
6	En A	Входы разрешения работы мостов. TTL совместимые уровни. Низкий уровень сигналов запрещает работу моста.
11	En B
8	GND	Общий вывод.
9	Vss	Питание логической части микросхемы (+ 5 В). Между этим выводом и землей должен быть подключен низкоимпедансный конденсатор емкостью не менее 100 нФ.
10	In 3	Входы управления мостом B. TTL совместимые уровни.
12	In 4	Входы управления мостом B. TTL совместимые уровни.
13	Out 3	Выходы моста B.
14	Out 4	Выходы моста B.

Предельно допустимые параметры L298N.

Обозначение	Параметр	Значение
Vs	Напряжение питания	50 В
Vss	Напряжение питания логики	7 В
Vi, Ven	Напряжение логических входов	-0,3…7 В
Io	Выходной ток (для каждого канала) не повторяющийся импульс 100 мкс импульсы (80% включен, 20% выключен, включен 10 мс) при постоянном токе	3 А 2,5 А 2 А
Vsens	Напряжение датчиков тока	-1…2,3 В
Ptot	Мощность рассеивания (температура корпуса 75°C)	25 Вт
Top	Рабочая температура кристалла	-25…130 °C
Tstg	Температура хранения	-40…150 °C

Параметры расчетов тепловых режимов.

Обозначение	Параметр	Значение
Tth j-case	Тепловое сопротивление кристалл-корпус	3 ºC/Вт
Tth j-amb	Тепловое сопротивление кристалл-окружающая среда	35 ºC/Вт

Электрические характеристики драйвера L298N.

Обозначение	Параметр	Значение
Vs	Напряжение питания (вывод 4)	Vih+2.5 …46 В
Vss	Питание логики	4,5… 5 …7 В
Is	Потребляемый ток покоя (вывод 4) Ven=H, Vi=L Ven=H, Vi=H Ven=L	13 … 22 мА 50 … 70 мА 4 мА
Iss	Потребляемый ток покоя (вывод 9) Ven=H, Vi=L Ven=H, Vi=H Ven=L	24 … 36 мА 7 … 12 мА 6 мА
Vil	Входное напряжение низкого уровня (выводы 5, 7, 10, 12, 6, 11)	-0,3 … 1,5 В
Vih	Входное напряжение высокого уровня (выводы 5, 7, 10, 12, 6, 11)	2,3 … Vss В
Iil	Входной ток низкого уровня (выводы 5, 7, 10, 12, 6, 11)	-10 мкА
Iih	Входной ток высокого уровня (выводы 5, 7, 10, 12, 6, 11)	30 … 100 мкА
Vce sat (h)	Напряжение насыщения верхнего ключа при токе 1 А при токе 2 А	0,95…1,35…1,7 В 2 … 2,7 В
Vce sat (l)	Напряжение насыщения нижнего ключа при токе 1 А при токе 2 А	0,85…1,2…1,6 В 1,7 … 2,3 В
Vce sat	Общее падение напряжения на открытых ключах при токе 1 А при токе 2 А	1,8 … 3,2 В 1,8 … 4,9 В
Vsens	Напряжение датчиков тока (выводы 1, 15)	-1 … 2 В
Fc	Частота коммутаций	25 … 40 кГц

Схема подключения шагового двигателя к микроконтроллеру с помощью драйвера L298N.

Диаграмма работы этой схемы в полношаговом режиме выглядит так.

Если не используются разрешающие входы и датчики тока, схема выглядит так.

А вот фрагмент схемы контроллера биполярного шагового двигателя.

По функциям это аналог контроллера описанного в главе про униполярные двигатели, только для биполярного. Он также собран на PIC контроллере фирмы Microchip и управляет двумя биполярными шаговыми двигателями с током фаз до 2 А. Функциональные возможности и режимы управления двигателем те же.

К достоинствам управления шаговым двигателем в биполярном режиме следует отнести:

крутящий момент примерно на 40 % больше по сравнению с униполярным режимом.
можно подключать шаговые двигатели с любой конфигурацией обмоток.