Содержание
Драйвер шагового двигателя (особенности выбора и применения)
Шаговые приводы широко используются в автоматизации различных механизмов. Большим плюсом является их невысокая стоимость. В режиме работы без обратной связи должна быть гарантия, что любой управляющий сигнал будет правильно отработан. Эти вопросы прорабатываются на этапе конструирования механизмов как для электронной части так и для механической. По шаговым приводам существует много публичной литературы . Цель данной статьи – обозначить моменты выбора и использования драйвера шагового двигателя, учет которых позволят работать оборудованию правильно, без ошибок.
1. Максимальный ток.
Одним из параметров шагового двигателя является максимальный ток фазной обмотки. Необходимо знать, что при использовании шагового двигателя (ШД) в режиме микрошага (не важно, какой делитель), момент двигателя уменьшается в 1.4 раза по сравнению с режимом работы ШД в полном шаге. Производители ШД и драйверов ШД рекомендуют компенсировать потерю момента увеличением максимального тока до 1.4 раза и при этом соблюдать следующие рекомендации:
a) драйвер ШД должен уметь уменьшать ток в режиме удержания (простоя) не менее чем в 1.4 раза;
б) коэффициент увеличения тока 1-1.4 должен подбираться и удовлетворять температурному режиму работы ШД.
Максимальный ток фазной обмотки 4.2 А ( 3 * 1.4) и драйвер может уменьшать ток в режиме удержания до 70%.
2. Напряжение источника питания.
Напряжение источника питания подбирается по параметрам драйвера ШД. Не путать это напряжение со средним напряжением на фазных обмотках ШД. Среднее напряжение на фазных обмотках ШД имеет очень опосредованное отношение к напряжению источника питания и служит как справочная величина для расчета общей мощности источника питания. Для регулирования тока драйверы ШД использую метод ШИМ и более подробную информацию по этому методу можно почерпнуть из публичной литературы. Стоит отметить, что конечное напряжение источника питания при формировании приводной пары (ШД и драйвер ШД) корректируется в лабораторных условиях
Многие драйверы ЩД имеют режим микрошага. Делитель шага определяется настройками драйвера. Производители начали использовать режим микрошага исключительно в целях уменьшения резонансных эффектов ШД. При этом уменьшенная дискретность вращения вала ШД побочный эффект, хотя и положительный. Чем больше делитель шага тем мягче работа ШД. Но необходимо учитывать, что при сохранении скорости вращения ШД повышается частота тактового сигнала. При разработке устройств автоматики выбирают компромисс между скоростью вращения ШД и максимальной частотой тактового сигнала контроллера ЧПУ и самого драйвера ШД.
4. Тактовый сигнал.
Параметры тактового сигнала (шагового сигнала) по длительности импульсов и частоте должны быть согласованы между драйвером ШД и управляющим контролером ЧПУ. Лучший вариант, когда драйвер ШД формирует шаг/микрошаг по фронту или спаду импульса тактового сигнала. Многие драйверы и особенно драйверы, реализованные на специализированных чипах (интегральных драйверах ШД) могут иметь требования по длине импульса тактового сигнала, это надо учитывать при совместной работе драйвера ЩД и контроллера ЧПУ.
В качестве контроллера ЧПУ выступает персональный компьютер с установленным ПО MACH3. Данное ПО формирует импульсы тактового сигнала максимальной длительности 5 микросекунд.
Интегральный драйвер ШД THB7128 имеет требование по длине импульса 2 микросекунды и возможна корректная работа.
Интегральный драйвер ШД TB6560 имеет требование по длине импульса 15 микросекунд и корректная работа не возможна.
Производители драйверов ШД могут изменять эти параметры включением в схему дополнительных элементов и это, как правило, декларируется. Нередко, второй случай из примера обходят изменением полярности сигнала, что зеркально изменяет скважность импульсов, но это не совсем правильно и может приводить к ошибкам перемещения. Об ошибках чуть позже.
5. Сигнал направления.
Очень важным моментом для правильной работы драйвера ШД является время и скорость установки/изменения сигнала направления. Сигнал направления должен быть изменен и отработан драйвером ШД до подачи импульсов тактового сигнала. Такие задержки или упреждения могут формироваться на стороне контроллера ЧПУ или драйвера ШД. К сожалению не все устройства могут это делать и это надо учитывать. На рынке драйверов ШД существуют драйверы ШД с более медленным оптроном для сигнала направления чем для тактового сигнала. Это усугубляет ситуацию. Даже вовремя поданный сигнал направления может быть отработан драйвером ШД спустя 1-3 импульса тактового сигнала. Т.Е. фактически дистанция предыдущего направления увеличивается соответственно на 1-3 шаг/микрошаг ШД а дистанция текущего направления изначально меньше. Такая ошибка не накопительная, но может давать смещения (ступеньки) при многослойной выборке. В случае, когда контроллер ЧПУ формирует одновременно сигнал направления и импульс тактового сигнала, драйвер ШД имеющий одинаковые оптроны и не имеющий схему задержки может формировать хаотические ошибки дистанции соответственно +-1 шагу/микрошагу ШД.
Такие драйверы имеют свою область применения, например, в моно приводе устройств автоматики, где не важна точность и дистанция диктуется концевыми датчиками. Применение таких драйверов в составе много осевого синхронизированного привода ЧПУ оборудования условное или нежелательное.
6. Цифровой или нецифровой.
От наших покупателей поступают вопросы о различии цифровых и аналоговых драйверов ШД. Стоить отметить, что аналоговых драйверов ШД не существует. По исполнению драйверы ШД могут быть разбиты на две категории:
а) выполненные на специализированных микросхемах (интегральных драйверах ШД);
б) выполненные на универсальных программируемых контроллерах.
В обоих случаях присутствуют вычисления. В первом случае стоит руководствоваться описанием чипа и декларацией производителя о дополнительных свойствах/функциях, полученных дополнительными элементами в схеме. Во втором случае разброс контроллеров и их вычислительных мощностей может быть большим и весь набор свойств и функций определяется программным обеспечением контроллера (прошивкой). Такие драйверы ШД могут иметь задержки сигналов, упомянутые ранее, фильтры помех, контроль над режимами. Некоторые драйверы ЩД могут обнаружить остановку или пропуски шагов ШД, связанные с механическими неисправностями и выдавать соответствующий сигнал контроллеру ЧПУ. Некоторые драйверы могут иметь вход для подключения энкодера перемещения.
7. Подключение драйвера ШД.
Особо хотим обратить внимание на правильность подключения для тактового сигнала. Для правильной работы драйвера ШД необходимо согласовать всю цепь начиная от настроек контроллера ЧПУ. Изменение полярности сигнала может соответственно изменить общий режим работы. Если контроллер ЧПУ считает, что шаг формируется по фронту импульса, а реально драйвер ШД формирует шаг/микрошаг по спаду импульса это также может вызвать ошибки в дистанции соответственно +-1 шаг/микрошаг ЩД.
8. Проверка драйвера ШД.
Проверить работу шагового привода достаточно просто. Это можно сделать на станке или вне его. На вал ШД необходимо установить стрелочный указатель (это может быть не толстая проволока и т.д.). На корпусе ШД сделать маркер. Проверять лучше с делителем шага не более 4. С таким делителем отчетливо будет видно несоответствие положения маркера и указателя. Обнулить координаты и сделать холостой прогон программы на максимальной скорости, где по плоскости осей присутствуют окружности и угловые фигуры, например, это может быть цилиндрическая выборка. Начальное и конечное положения в программе должны быть одинаковыми. По завершению программы и возврату привода в исходное состояние, маркер и указатель должны быть совмещены. В противном случае имеются ошибки.
В завершении можем сказать, что учет всех описанных моментов позволит вашему оборудованию работать правильно, избежать необоснованных выводов и решений, требующих дополнительных затрат.
Для того, чтобы подобрать замену вышедшему из строю драйверу шагового двигателя, необходимо учесть несколько параметров:
1. Двигатели бывают с 2-х фазным питанием и 3-х фазным.
У 2-х фазных двигателей обычно 2,4,6 или 8 проводов. Для них соответственно необходимы драйверы с выходом питания на 2 фазы. На драйвере клемма, которая отвечает за питание двигателя, обычно подписана: A+, A-, B+, B-.
___________________ 
Драйвер Leadshine DM442 для двухфазных двигателей _____________________ Двухфазный двигатель Moons 34HD4404-02
У 3-х фазных двигателей обычно 3 или 6 проводов. На драйвере клемма, которая отвечает за питание двигателя, подписана: U, V, W.
________________ 
Драйвер Leadshine 3ND583 для трёхфазных двигателей _________________ Трёхфазный двигатель Leadshine 573S-09
2. Драйвера тоже должны получать питание для работы.
Обычно им необходимо питание не “жёстко установленное” (например, 48 вольт), а в диапазоне, например, от 20 до 50 вольт (как на примере выше, драйвер 3ND583). Идеально, если диапазон питания старого драйвера и нового пересекаются. В другом случае, необходимо проверить блоки питания оборудования на предмет того, есть ли у них такие выходы питания, чтобы подходили под диапазон питания драйвера.
Например, в лазерном станке стоит материнская плата Ruida RDLC-320a, которая питается от 24 вольт. Значит где-то в оборудовании размещен блок питания, который раздает питание 24 вольта. Значит драйвер можно так же запитать от блока питания, который даёт питание материнской плате.
Если у вас в станке стоит материнская плата Ruida RDLC-320a, то вы без сомнения сможете запитать драйвер Moons SR4H
3. Каждому двигателю необходима своя сила тока (А – амперы) для нормальной работы.
Если поставить силу тока меньшую необходимой, то двигатель в какие-то моменты вообще не будет крутиться, так как ему передаётся малое “усилие”. Наоборот, если поставить слишком высокую силу тока, то двигатель будет перегреваться и может совсем выйти из строя.
Подобрать необходимую силу тока можно из характеристики двигателя. Либо взять драйвер, который ранее работал в сопряжении с данным двигателем, и посмотреть, на какую силу тока он был настроен (для этого на драйвере есть pin-переключатели и соответствующая таблица).
__________________ 
К двигателю 57HS09 с током фазы 3А подойдёт драйвер Leadshine DM442, у которого можно настроить выдаваемую силу тока от 2,36 до 3,31А
4. Драйвер передает некоторое кол-во импульсов (сигналов) на двигатель для того, чтобы вал двигателя сделал один оборот на 360 градусов. Он может передавать 2 импульса, чтобы двигатель делал один оборот. Или 10 000 импульсов, и двигатель так же будет делать один оборот.
Кол-во импульсов на один оборот так же настраивается на драйвере pin-переключателями соответственно таблице. Необязательно, чтобы данная характеристика сходилась на старом и на новом драйвере. Но желательно, чтобы значение, установленное на старом драйвере, делилось на одно из возможных значений на новом драйвере без остатка. Таким образом будет проще настроить передаточное число.
Например, на старом драйвере было значение 1000. На новом драйвере значение 200. Тогда передаточное число, которое надо будет подстроить в программе, будет больше в 5 раз. Без остатка.
Если же на старом драйвере было значение 1000, а на новом 300, то передаточное число будет в 3,33(3) раза выше. Это не точная цифра, и подстроить верное передаточное число будет сложнее.
Идеальный вариант, когда на новом драйвере есть значение пульсов на 1 оборот такое же, как и установленное значение на старом драйвере.
Краткая инструкция как быстро подобрать драйвер аналогично тому, который недавно вышел из строя
1. Берем наш старый драйвер и смотрим на расположение pin-переключателей:
_________ 
2. Если сверить расположение наших pin-переключателей с таблицей, то получаем следующий результат: драйвер настроен на выдаваемую силу тока от 2,03А до 2,84А, а установленное количество шагов на 1 оборот – 6 400.
3. Драйвер DM442 двухфазный, о чём говорят обозначения A+, A-, B+, B- на одной из колодок.
4. Необходимое питание для драйвера в диапазоне от 20 до 40 вольт, что говорит надпись в нижнем левом углу.
5. В поисках нужного драйвера я наткнулся на драйвер Moons SR4H, который наиболее вероятно подойдёт под замену вышедшему из строя Leadshine DM442.
____________ 
Pin-переключатели я настроил на 2.5А, количество шагов на оборот – 1/32, что, в соответствии с инструкцией к данному драйверу, означает 6 400 импульсов на 1 оборот двигателя. Необходимое питание для Moons SR4H составляет от 24 до 48 вольт, что как раз вписывается в диапазон питания драйвера Leadshine DM442. Необходимые клеммы, такие как Dir+/Dir- и Step+/Step- (PUL+/PUL-) так же присутствуют на новом драйвере. Этот драйвер точно подойдёт на замену DM442.
Драйвер шагового двигателя
Краткое введение в теорию и типы драйверов, советы по подбору оптимального драйвера для шагового двигателя.
Если вы хотите купить драйвер шагового двигателя, нажмите на информер справа
Типы (виды) драйверов ШД
Драйверы делятся по способу закачки тока в обмотки на несколько видов:
1) Драйверы постоянного напряжения
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.