Что такое микрошаг шагового двигателя

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

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

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

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

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

Применение микрошагового режима

У микрошагового режима может быть несколько применений.
Вначале разберем несколько заблуждений относительно микрошага:

1. Микрошаг позволяет увеличить точность привода.
   На самом деле это не так. Во-первых, этому мешает геометрическая неидеальность ротора и статора двигателя, неидеальные обмотки, зазоры в подшипниках вала и т.п. В результате двигатель выполняет шаги всегда с некоторой погрешностью(как правило, 5% от величины полного шага), причем абсолютное значение погрешности постоянно для любого выбранного микрошагового режима! Кроме того, во многих драйверах управление двигателем также далеко от идеального, что приводит к дополнительной неравномерности перемещения в режиме микрошага. Дальнейшее деление шага более чем на 5-10 микрошагов приводит только к увеличению разрешающей способности привода, но не точности. То есть вы сможете более дискретно задавать позицию в ЧПУ системе, но не сможете её получить с заданной точностью.
2. Микрошаг значительно снижает момент двигателя(относительно полношагового режима).
   Момент действительно снижается. Однако, использование микрошага одновременно увеличивает плавность хода двигателя, и снижает резонансные явления, что способствует увеличению момента. Два противоположных влияния на момент в среднем более-менее уравновешивают друг друга. В многих случаях применение микрошага на самом деле увеличивает момент, поэтому целесообразность отказа от микрошагового режима должна определяться в каждом конкретном случае.

Основным применением микрошагового режима является борьба с резонансом, снижение вибрации шагового двигателя и повышения плавности хода передачи. Достигается это благодаря тому, что при использовании микрошагового режима на вал мотора действуют более кратковременные усилия разгона-торможения, сам вал совершает шаги меньшей амплитуды, в результате инерционные явления проявлены слабее.

• Отправить тему по email
• Версия для печати

Какой микрошаг лучше выставить?

Сообщение alexparser » 31 май 2014, 00:07

Приветствую ув. форумчане!

Приобрел драйверы CW5045 для шаговых движков, но немного не понял в плане настроек.
Есть возможность выставить микрошаг (см. картинку), но поскольку опыта нет то какие режимы лучше использовать понятия не имею.
Подскажите плиз какой микрошаг лучше выставить и на что это значение будет влиять в процессе эксплуатации?

Re: Какой микрошаг лучше выставить?

Сообщение michael-yurov » 31 май 2014, 00:32

Поставь для начала 1/8.

На крупном шаге сильнее вибрирует, ниже дискретность позиционирования, но для управления не нужны высокие частоты сигнала.
На более мелком микрошаге — более плавная работа, меньше вибраций, но возникает проблема с ограничением частоты Step.
Возникает она и на стороне системы управления (около 35 кГц для ЛПТ) и на уровне интефейсной платы / опторазвязки (дешевые зеленые не справляются с частотами выше 10 кГц), и у самого драйвера (у этого драйвера предел в районе 100 — 300 кГц).

Re: Какой микрошаг лучше выставить?

Сообщение Золушок » 31 май 2014, 08:56

Re: Какой микрошаг лучше выставить?

Сообщение michael-yurov » 31 май 2014, 10:36

Re: Какой микрошаг лучше выставить?

Сообщение Тенгель » 31 май 2014, 12:03

Re: Какой микрошаг лучше выставить?

Сообщение megagad » 31 май 2014, 12:19

Re: Какой микрошаг лучше выставить?

Сообщение Baha » 31 май 2014, 14:00

Re: Какой микрошаг лучше выставить?

Сообщение Тенгель » 31 май 2014, 14:06

Re: Какой микрошаг лучше выставить?

Сообщение Baha » 31 май 2014, 14:16

Ну да «пальцы» для кого то универсальный инструмент. Значит у вас большой опыт!
Только такой метод в механике дает большую ошибку, вплоть до ампутаций. Так что берегите свой «пальчик» для основного назначения.

Здесь график, того что megagad описывал «на пальцах», график зависимости динамического момента и тока от pps.

Re: Какой микрошаг лучше выставить?

Сообщение AndyBig » 31 май 2014, 15:07

Re: Какой микрошаг лучше выставить?

Сообщение Baha » 31 май 2014, 15:26

Re: Какой микрошаг лучше выставить?

Сообщение michael-yurov » 31 май 2014, 15:28

Да не изменится момент при изменении микрошага.
Момент падает с ростом скорости — тут уж ничего не сделаешь — так работают шаговые моторы.

Речь была о том, что в режиме полного шага при переходе на новую позицию мотор развивает намного больший крутящий момент, чем в режиме микрошага при переходе на соседнюю позицию микрошага.
Если же в режиме микрошага (например 1/16) потребовать от мотора перейти сразу на 16 позиций микрошага — момент будет такой же, как и в режиме полного шага, т.к. ток в обмотках будет такой же и все будет так же.
Т.е. момент будет зависеть от угла отклонения от целевой позиции. Естественно, что в режиме микрошага при маленьком шажке и повернуться мотору нужно на маленький угол, и услие для этого он создает намного меньшее, чем если бы ему нужно было бы шагнуть на полный шаг.
Глупо сравнивать рубли и доллары и говорить, что доллары намного лучше, т.к. на 1 доллар можно купить намного больше товаров, чем на 1 рубль.
Ваши рассуждения сравнимы с тем, что если человеку начать выплачивать зарплату долларами — он станет намного лучше зарабатывать, и намного лучше жить.

А о чем говорит это сравнение площадей? о том, что в втором случае (красный график) мотор будет намного сильнее греться? (учти, что энергия уходящая на нагрев будет в квадратичной зависимости от тока, так что нужно не площадь смотреть, а брать интеграл от I²).
Так, вроде не нужно много ума, чтобы увеличить крутящий момент за счет увеличения рабочего тока шагового мотора. И микрошаг тут совсем ни при чем.

Про всякие TB6560 — вообще не стоит говорить, они в большинстве случаев нормально работают только в режиме крупного шага.

Сходства и различия интегральных схем для управления двигателем

Преимущество маломощных двигателей, помимо их скромных потребностей в токе и напряжении, заключается в том, что драйверы затвора MOSFET могут быть интегрированы с контроллерами и оптимизированы для конкретных потребностей. Рассмотрим трио соответствующих предложений от STMicroelectronics. Эти три микросхемы от ST имеют множество базовых характеристик, которые позволяют применять их совместно с различными типами двигателей. Помимо этого, они облегчают моделирование и просты в изучении.

Вот несколько преимуществ, которыми обладают эти изделия:

• максимальная интеграция с использованием интерфейса микроконтроллера (MCU), логики управления, драйвера и моста МОП-транзистора (требуется только несколько пассивных компонентов и нет необходимости во внешних активных компонентах);
• малое рабочее напряжение 1,8…10 В, которое хорошо подходит для низковольтных двигателей, в особенности – для работающих от небольших аккумуляторных батарей;
• высокий выходной ток до 1,3 A (RMS) и 2 A (пиковое значение) для каждого выхода;
• энергопотребление в режиме ожидания до 80 нA;
• повышенная надежность благодаря блокировке при падении напряжения (UVLO), тепловой защите и защите от перегрузки по току;
• небольшой QFN-корпус размером 3×3 мм.

Рассмотрим сходства и различия трех данных микросхем для управления двигателем. STSPIN220, предназначенная для шаговых двигателей, объединяет в себе логику управления, высокую эффективность и малое сопротивление «сток-исток» открытого канала R_DS(ON) (рисунок 5). Контроллер реализует управление токовым режимом с помощью широтно-импульсной модуляции (PWM) с программируемым временем выключения. STSPIN220 поддерживает разрешение 256 микрошагов на один полный шаг, что позволяет сделать движение максимально плавным.

Рис. 5. Микросхема STSPIN220 для управления шаговым двигателем

Микросхемы, аналогичные модели STSPIN220:

• STSPIN230 – монолитный драйвер для трехфазных двигателей BLDC;
• STSPIN240 – монолитный драйвер для двух независимых двигателей постоянного тока;
• STSPIN250 – монолитный драйвер для одного двигателя постоянного тока.

Примечание: драйвер STSPIN250 предназначен для одного двигателя в отличие от двухмоторного драйвера STSPIN240. STSPIN250 может обеспечивать более высокий ток 2,6 А (среднеквадратичное значение) и 4 А (пиковое значение).

Все эти интегральные схемы имеют максимально схожий внешний интерфейс и оперативные команды, функционально отличаются лишь их интерфейсы со стороны двигателя.

Содержание

Конструктивно шаговые электродвигатели состоят из статора, на котором расположены обмотки возбуждения, и ротора, выполненного из магнито-мягкого (ферромагнитного) материала или из магнито-твёрдого (магнитного) материала. Шаговые двигатели с магнитным ротором позволяют получать бо́льший крутящий момент и обеспечивают фиксацию ротора при обесточенных обмотках.

Гибридные двигатели сочетают в себе лучшие черты двигателей с переменным магнитным сопротивлением и двигателей с постоянными магнитами.

Статор гибридного двигателя также имеет зубцы, обеспечивая большое количество эквивалентных полюсов, в отличие от основных полюсов, на которых расположены обмотки. Обычно используются 4 основных полюса для 3.6 град. двигателей и 8 основных полюсов для 1.8 — 0.9 град. двигателей. Зубцы ротора обеспечивают меньшее сопротивление магнитной цепи в определенных положениях ротора, что улучшает статический и динамический момент. Это обеспечивается соответствующим расположением зубцов, когда часть зубцов ротора находится строго напротив зубцов статора, а часть между ними.

Ротор гибридного двигателя имеет зубцы, расположенные в осевом направлении. Ротор разделен на две части, между которыми расположен цилиндрический постоянный магнит. Таким образом, зубцы верхней половинки ротора являются северными полюсами, а зубцы нижней половинки — южными. Кроме того, верхняя и нижняя половинки ротора повернуты друг относительно друга на половину угла шага зубцов. Число пар полюсов ротора равно количеству зубцов на одной из его половинок. Зубчатые полюсные наконечники ротора, как и статор, набраны из отдельных пластин для уменьшения потерь на вихревые токи.

Типы шаговых двигателей

Ротор такого мотора несет постоянный магнит в форме диска с двумя или большим количеством полюсов. Работает точно также как описано выше. Обмотки статора будут притягивать или отталкивать постоянный магнит на роторе и создавать тем самым крутящий момент. Ниже представлена схема шагового двигателя с постоянным магнитом.

Обычно, величина шага таких двигателей лежит в диапазоне 45-90°.

Сравнение громкости работы двигателя на разных Vref

• Шаговый двигатель Wantai 42BYGHW609 ток 1,7А
• Драйвер A4988
• 3D принтер Mendel90

Тестовый G-код примерно такой (правил в процессе и после)

Используем аудиоредактор Audacity. Примитивный микрофон подключен к встроенной аудиокарте ПК. Микрофон прижат к корпусу ШД и сверху обмотан поролоном. Надеюсь этого хватит для регистрации уровня шума.

Vref устанавливаю на 0,58В, запускаю программу из Pronterfaceи записываю звук с микрофона. Затем повторяю запись на Vref = 0,78В. Картинки уровней громкости складываю в Фотошопе для наглядности сравнения. Вот что получилось:

Красным Vref = 0,58В

Синим Vref = 0,78В

На некоторых скоростях разность в громкости вполне существенная. Такие напряжения взяты для наглядности, хотя и не сильно отличаются. На не настроенном драйвере может стоять любое напряжение Vref!

Пожалуйста не путайте ток с напряжением Vref, когда пишете об этом

Подробнее про эти драйверы можно почитать на сайтах производителей:

Для более глубокого понимания формул смотрите отдельную тему на форуме по этому вопросу.

Ссылка на обсуждение на форуме методов борьбы с шумом 3D принтера.

Метки: A4988, DRV8825, TMC2100, драйверы&nbsp&nbsp 2016-01-12&nbsp&nbsp &nbsp&nbsp Раздел: Настройка, Электроника&nbsp&nbsp Автор: AKDZG Просмотров: 237 999&nbsp&nbsp 45 комментариев

Kubocore. BOM и калькуляция &nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbspТест на шумность шаговых двигателей и драйверов для 3D принтера Используемые источники: