Выбираем драйвер шагового двигателя

Выбираем драйвер шагового двигателя

Шаговый двигатель — двигатель со сложной схемой управления, которому требуется специальное электронное устройство — драйвер.

Драйвер шагового двигателя получает на входе логические сигналы STEP/DIR, которые, как правило, представлены высоким и низким уровнем опорного напряжения 5 В, и в соответствии с полученными сигналами изменяет ток в обмотках двигателя, заставляя вал поворачиваться в соответствующем направлении на заданный угол. Сигналы STEP/DIR генерируются ЧПУ-контроллером или персональным компьютером, на котором работает программа управления типа Mach3, LinuxCNC или PureMotion.

Задача драйвера — изменять ток в обмотках как можно более эффективно. Поскольку индуктивность обмоток и ротор гибридного шагового двигателя постоянно вмешиваются в этот процесс, то драйверы весьма отличаются друг от друга своими характеристиками и качеством получаемого движения. Ток, протекающий в обмотках, определяет движение ротора: величина тока задает крутящий момент, его динамика влияет на равномерность и т. п.

Драйверы делятся по способу закачки тока в обмотки на несколько видов:

1. Драйверы постоянного напряжения. Эти драйверы подают постоянный уровень напряжения поочередно на обмотки. Результирующий ток зависит от сопротивления обмотки, а на высоких скоростях — и от индуктивности. Эти драйверы крайне неэффективны и могут быть использованы только на очень малых скоростях.

2. Двухуровневые драйверы. В драйверах этого типа ток в обмотке сперва поднимается до нужного уровня с помощью высокого напряжения, затем источник высокого напряжения отключается, и нужная сила тока поддерживается источником малого напряжения. Такие драйверы достаточно эффективны. Помимо прочего, они снижают нагрев двигателей. Их все еще можно иногда встретить в высококлассном оборудовании. Однако такие драйверы поддерживают только режим шага и полушага.

3. Драйверы с ШИМ. На текущий момент ШИМ-драйверы шаговых двигателей наиболее популярны. Практически все представленные сейчас на рынке драйверы как раз этого типа. Эти драйверы подают на обмотку шагового мотора ШИМ-сигнал очень высокого напряжения, которое отсекается по достижении током необходимого уровня. Величина силы тока, по которой происходит отсечка, задается либо потенциометром, либо DIP-переключателем. Иногда эта величина программируется с помощью специального ПО. Эти драйверы достаточно интеллектуальны и снабжены множеством дополнительных функций, поддерживают разные деления шага, что позволяет увеличить дискретность позиционирования и плавность хода. Однако ШИМ-драйверы также весьма сильно отличаются друг от друга. Помимо таких характеристик, как питающее напряжение и максимальный ток обмотки, у них отличается частота ШИМ.

Лучше, если частота драйвера будет более 20 кГц. И вообще, чем она больше, тем лучше. Частота ниже 20 кГц ухудшает ходовые характеристики двигателей и попадает в слышимый диапазон, в результате шаговые моторы начинают издавать неприятный писк.

Драйверы шаговых двигателей вслед за самими двигателями делятся на униполярные и биполярные.

Начинающим станкостроителям настоятельно рекомендуем не экспериментировать с приводами, а выбрать те, по которым можно получить максимальный объем технической поддержки, информации и для которых продукты на рынке представлены наиболее широко. Такими являются драйверы биполярных гибридных шаговых двигателей. 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.

Униполярный тактовый двигатель с управлением

Эта модель показывает, как использовать Драйвер Униполярного тактового двигателя, и Униполярный тактовый двигатель блокируется вместе, чтобы реализовать управляемый шаговый двигатель постоянного магнита. Модель обеспечивает два параметра контроллера: один, чтобы управлять положением и один, чтобы контролировать скорость. Чтобы изменить тип контроллера, щелкните правой кнопкой по блоку Controller, выберите Variant-> использование Override-> и выберите Position или Speed.

Степпер имеет полный размер шага 1,8 градусов. В режиме управления положения вход Касательно является желаемым количеством шагов. В режиме регулировки скорости вход Ref является желаемым количеством шагов в секунду.

Эта модель является системной моделью, подходящей для изучения динамики степпера и уменьшится ли угол шага при управлении данной загрузкой. Это может также использоваться, чтобы настроить контроллер степпера, чтобы улучшать шаговую производительность. Часто контроллер или частично или полностью реализован на стандартном контроллере степпера модуль.

Альтернатива для реализации алгоритма на микропроцессоре (таком как PIC) дает большую гибкость, и микропроцессор может также использоваться, чтобы управлять другими частями полной системы. В этом случае части Блока драйверов Шагового двигателя могут также быть реализованы в на микропроцессоре, оставив только этап усилителя мощности в аналоговой электронике.

Модель

Результаты симуляции от Simscape Logging

Контрольный тест положения

Угол вала двигателя по сравнению с сигналом спроса. Алгоритм управления положения принимает команду положения как многие шаги и преобразует ее в последовательность импульсов, которая управляет драйвером шагового двигателя. Скачки на графике скорости вращения происходят, когда вал приспосабливается к своему положению, которым управляют.

Тест регулировки скорости

Графики ниже показа угол вала двигателя по сравнению с сигналом спроса. Алгоритм регулировки скорости принимает команду скорости как многие шаги в секунду и преобразует ее в последовательность импульсов, которая управляет драйвером шагового двигателя. Скачки на графике скорости вращения происходят, когда вал приспосабливается к текущему шагу.

График ниже показов, как состояния контактов на униполярном драйвере степпера влияют на движение униполярного тактового двигателя. Драйвер инициирует шаг каждый раз, когда сигнал ENA повышается выше Разрешать порогового напряжения. Наборы драйверов общие связи A0 и B0, чтобы всегда быть высоким, и территория +, A-, B + и B-как требуется.

Обзор драйвера шагового двигателя DRV8825

В предыдущей статье рассказывало о драйвере для биполярного шагового двигателя A4988, который часто используют в проектировании станков ЧПУ. В этой статье расскажу о другом драйвере DRV8825, который полностью взаимозаменяемый с драйвером A4988 и может работать с микрошагом до 1/32, напряжением до 45 В и током до 2.5 А.

Технические параметры

► Напряжения питания: от 8,2 до 45 В
► Установка шага: 1, 1/2, 1/4, 1/8, 1/16, 1/32
► Напряжение логики: 3.3 В
► Защита от перегрева: Есть
► Максимальный ток на фазу: 1.5 А без радиатора, 2.5 А с радиатором.
► Габариты модуля: 20 мм х 15 мм х 10 мм
► Габариты радиатора: 9 мм х 5 мм х 9 мм

Общие сведения о драйвере DRV8825

Основная микросхема модуля это драйвер от TI (Texas Instruments Inc.) DRV8825, которая способна управлять одним биполярным шаговым двигателем. Как говорил ранее данный драйвер полностью взаимозаменяемый с драйвером A4988. Микросхема DRV8825 может работать с выходным напряжение до 45 В и током до 1.5 на катушку без радиатора и до 2.5 А с радиатором (дополнительным охлаждением). Так же, модуль имеет внутренний стабилизатор напряжение, который напитывает логическую часть модуля напряжение 3.3 В от источника шагового питания двигателя.
Драйвер позволяет использовать шесть вариантов шага: 1, 1/2, 1/4, 1/8, 1/16, 1/32

Распиновка драйвера DRV8825:
На драйвере DRV8825 расположено 16 контактов, назначение каждого можно посмотреть ниже:

► EN — включение и выключение модуля (0 — включен, 5 В — выключен).
► M0, M1 и M2 — выбор режима микро шаг (смотрите таблицу ниже).
► RST — сброс драйвера.
► SLP — вывод включения спящего режима, если подтянуть его к низкому состоянию драйвер перейдет в спящий режим.
► STEP — управляющий вывод, при каждом положительном импульсе, двигатель делает шаг (в зависимости от настройки микро шага), чем быстрее импульсы, тем быстрее вращаться двигатель.
► DIR — управляющий вывод, если подать +5 В двигатель будет вращается по часовой стрелке, а если подать 0 В против часовой стрелки.
► VMOT & GND MOT — питание шагового двигателя двигателя от 8.2 до 45 В (обязательное наличие конденсатора на 100 мкФ). Так же, нет необходим
► B2, B1, A1, и A2 — подключение обмоток двигателя.
► FAULT — Выход включения защиты, если состояние «0», значит полевые транзисторы H-моста отключены в результате защиты от перегрузки по току или был перегрев.
► GND LOGIC — заземление микроконтроллера.

Настройка микрошага
Драйвер DRV8825 может работать микрошаговом режиме, то есть может подавать питание на катушки с промежуточным уровням. Например, если взять двигатель NEMA17 с шагом 1.8 или 200 оборотов, в режиме 1/4, двигатель будет выдавать 800 шагов за оборот
Дня настройки микрошагов на драйвере DRV предусмотрены три выхода, а именно M0, M1 и M2. Установив соответствующие логические уровни для этих выводов, можно выбрать режим микрошага.

Вывода M0, M1 и M2 в микросхеме DRV8825 подтянуты резистором к земле, поэтому, если не подключать их, двигатель будет работать в режиме полного шага.

Система охлаждения DRV8825
При интенсивной работе микросхемы DRV8825 начинает сильно греется и если температура превысит придельные значение, может сгореть. По документации DRV8825 может работать с током до 2.5 А на катушку, но на практике микросхема не греется если ток не превышает 1.2 А на катушку. Поэтому если ток выше 1.2 А необходимо устанавливать радиатор охлаждения, который идет в комплекте.

Настройка тока DRV8825
Перед использованием мотора нужно сделать небольшую настройку, необходимо ограничить максимальную величину тока, протекающего через катушки шагового двигателя и ограничить его превышение номинального тока двигателя, регулировка осуществляется с помощью небольшого потенциометра.
Для настройки необходимо рассчитать значение напряжения Vref.

Vref = Current Limit / 2

где,
Current Limit — номинальный ток двигателя
В моем случаи, номинальный ток двигателя 17HS4401 равняется 1,7 А.

Vref = 1,7 / 2 = 0,85 В

Осталось только настроить, берем отвертку и вольтметр, плюсовой шуп вольтметра устанавливаем на потенциометр, а шуп заземления на вывод GND и выставляем нужное значение.

Подключение драйвера шагового двигателя DRV8825 к Arduino UNO

Необходимые детали:
► Arduino UNO R3 x 1 шт.
► Драйвер шагового двигателя DRV8825 x 1 шт.
► Шаговый двигатель 17HS4401 x 1 шт.
► Комплект проводов DuPont 2.54 мм, 20 см x 1 шт.

Подключение:
Теперь, можно приступить к сборке схемы. Первым делом подключаем GND LOGIC к GND на Arduino. Контакты DIR и STEP подключим к цифровым контактам 2 и 3 на Arduino. Подключение шагового двигатель к контактам B2, B1, A2 и A1.

Предупреждение: Подключение или отключение шагового двигателя при включенном приводе может привести к его повреждению.

Затем необходимо подключить контакт RST к соседнему контакту SLP к 5В на Arduino, чтобы включить драйвер. Так-же контакты выбора микрошага необходимо оставить не подключенными, чтобы работал режим полный микрошаг. Теперь осталось подключить питание двигателя к контактам VMOT и GND MOT, главное не забудьте подключить электролитический конденсатор на 100 мкФ, в противном случаи при скачке напряжение, модуль может выйти из строя.

Программа:
Теперь можно приступки к программной части и начать управлять шаговым двигателем с помощью драйвера DRV8825, загружайте данный скетч в Arduino.

Шаговый двигатель – принцип работы

Схема шагового двигателя

Шаговый двигатель – это мотор, перемещающий свой вал в зависимости от заданных в программе микроконтроллера шагов и направления. Подобные устройства чаще всего используются в робототехнике, принтерах, манипуляторах, различных станках и прочих электронных приборах. Большим преимуществом шаговых двигателей над двигателями постоянного вращения является обеспечение точного углового позиционирования ротора. Также в шаговых двигателях имеется возможность быстрого старта, остановки, реверса.

Шаговый двигатель обеспечивает вращения ротора на заданный угол при соответствующем управляющем сигнале. Благодаря этому можно контролировать положение узлов механизмов и выходить в заданную позицию. Работа двигателя осуществляется следующим образом – в центральном вале имеется ряд магнитов и несколько катушек. При подаче питания создается магнитное поле, которое воздействует на магниты и заставляет вал вращаться. Такие параметры как угол поворота (шаги), направление движения задаются в программе для микроконтроллера.

Упрощенные анимированные схемы работы шагового двигателя

Основные виды шаговых моторов:

• Двигатели с переменными магнитами (применяются довольно редко);
• Двигатели с постоянными магнитами;
• Гибридные двигатели (более сложные в изготовлении, стоят дороже, но являются самым распространенным видом шаговых двигателей).

Подключение L298N к Arduino

Как уже упоминалось, в первую очередь нужно проверить полярность подключенных двигателей. Двигатели, вращающиеся в различных направлениях, неудобно программировать.

Нужно присоединить источник питания. + подключается к пину 4 на плате L298N, минус (GND) – к 5 пину. Затем нужно соединить выходы с L298N и пины на Ардуино, причем некоторые из них должны поддерживать ШИМ-модуляцию. На плате Ардуино они обозначены

. Выходы с L298N IN1, IN2, IN3 и IN4 подключить к D7, D6, D5 и D4 на Ардуино соответственно. Подключение всех остальных контактов представлено на схеме.

Направление вращения задается с помощью сигналов HIGH и LOW на каждый канал. Двигатели начнут вращаться, только когда на 7 пине для первого мотора и на 12 пине для второго на L298N будет сигнал HIGH. Подача LOW останавливает вращение. Чтобы управлять скоростью, используются ШИМ-сигналы.

Для управления шаговым двигателем в Arduino IDE существует стандартная библиотека Stepper library. Чтобы проверить работоспособность собранной схемы, можно загрузить тестовый пример stepper_oneRevolution. При правильной сборке вал двигателя начнет вращаться.

При работе с моторами Ардуино может периодически перезагружаться. Это возникает из-за того, что двигателям требуются большие токи при старте и в момент торможения. Для решения этой проблемы в плату встроены конденсаторы, диоды и другие схемы. Также для этих целей на шидле имеется раздельное питание.