Компания on semiconductor представила ис драйвера шагового двигателя

Драйвер шагового двигателя A4988.

Драйвер шагового двигателя A4988 является электронным устройством, которое заставляет вращаться шаговый двигатель, путем совершение шагов. Данное устройство незаменимо при разработке высокоточных ЧПУ станков и 3D принтеров.

Применение драйвера для шагового двигателя A4988.

Для создания высокоточных станков используют шаговые двигатели, которые обладают рядом преимуществ перед коллекторными двигателями:

  • Шаговый двигатель быстро стартует, останавливается и совершает реверс.
  • Высокая точность перемещения и позиционирования.
  • Позволяет позиционировать без применения обратной связи.
  • Большой диапазон изменения скорости.
  • Возможность обеспечивать низкую скорость вращения без применения редуктора.

Спектр применения шаговых двигателей очень большой. Вы пользуетесь офисной техникой и не подозреваете, что управляет вашим ксероксом, принтером, факсом, 3D принтером шаговые двигатели.

Управляет шаговым двигателем драйвер. Driver с английского языка «водитель». Одним из недорогих драйверов, и в связи с этим достаточно популярным, является драйвер A4988. Модуль A4988 имеет защиту от перегрузки и перегрева. Одним из параметров шаговых двигателей является количество шагов на один оборот 360°. Например, для шаговых двигателей Nema17 это 200 шагов на оборот, т.е 1 шаг равен 1.8°. Драйвер A4988 позволяет увеличить это значение за счёт возможности управления промежуточными шагами и имеет пять режимов микрошага (1(полный), 1/2, 1/4, 1/8 и 1/16).

Технические характеристики A4988.

  • напряжение питания: 8-35 v
  • режим деления шага: 1, 1/2, 1/4, 1/8, 1/16
  • логическое напряжение: 3-5.5 В
  • защита от перегрева
  • максимальный фазный ток: — 1 А без радиатора; — 2 А с радиатором
  • габариты драйвера: 20 х 15 х 10 мм;
  • габариты радиатора: 9 х 5 х 9 мм;
  • вес с радиатором: 3 г;
  • вес без радиатора: 2 г

Распиновка драйвера A4988.

Драйвер A4988 имеет всего 16 контактов, которые позволяют управлять шаговыми двигателями. Распиновка у A4988 следующая:

Назначение контактов драйвера A4988.

  • ENABLE – включение/выключение драйвера
  • MS1,MS2,MS3 – контакты для установки микрошага
  • RESET — сброс микросхемы
  • STEP — генерация импульсов для движения двигателей (каждый импульс – шаг), можно регулировать скорость двигателя
  • DIR – установка направления вращения
  • VMOT – питание для двигателя (8 – 35 В)
  • GND – общий
  • 2B, 2A, 1A, 1B – контакты для подключения обмоток двигателя
  • VDD – напряжение питания микросхемы (3.5 –5В)

Выводы выбора микрошага.

Драйвер A4988 допускает использование режима микрошага. Это достигается за счет подачи питания на катушки с промежуточными уровнями тока.

Например, если вы решите управлять шаговым двигателем NEMA 17 с шагом 1,8 градуса (200 шагов на оборот) в режиме 1/4 шага, то двигатель будет выдавать 800 микрошагов на оборот.

Драйвер A4988 имеет три вывода селектора размера шага (разрешения), а именно: MS1, MS2 и MS3. Установив соответствующие логические уровни на эти контакты, мы можем настроить двигатели на одно из пятиступенчатых разрешений.

Выводы выбора микрошага драйвер A4988.

По умолчанию эти три контакта подтянуты к земле внутренним резистором. Если мы оставим эти выводы не подключенными, то двигатель будет работать в режиме полного шага.

Выводы управления.

Драйвер A4988 имеет два управляющих вывода, а именно: STEP и DIR.

STEP — управляет микрошагом мотора. Каждыйвысокий импульс, отправляемый на этот вывод, приводит двигатель в действие на количество микрошагов, заданное выводами Microstep Selection (MS1, MS2 и MS3). Чем быстрее импульсы, тем быстрее будет вращаться двигатель.

DIR — управляет направлением вращения двигателя. Если на него подать высокий уровень, то двигатель будет вращаться по часовой стрелке, а если низкий — против часовой стрелки.

Если вы просто хотите, чтобы двигатель вращался только в одном направлении, то вы можете соединить вывод DIR непосредственно с VCC или GND соответственно.

Выводы STEP и DIR не подтянуты внутренними резисторами, поэтому вы не должны оставлять их не подключенными.

Выводы управления питанием A4988.

A4988 имеет три различных вывода для управления состоянием питания, а именно. EN, RST и SLP.

EN — вывод включения (0)/ выключения (1) драйвера A4988. По умолчанию на этом выводе установлен низкий уровень, поэтому драйвер всегда включен.

SLP — подача на данный вывод сигнала низкого уровня переводит драйвер в спящий режим, сводя к минимуму потребление энергии. Вы можете использовать этодля экономии энергии.

RST — при подаче сигнала низкого уровня все входные данные STEP игнорируются, до тех пор, пока не будет установлен высокий уровень. Низкий уровень также сбрасывает драйвер, устанавливая внутренний транслятор в предопределенное состояние Home. Исходное состояние — это в основном начальное положение, с которого запускается двигатель, и оно различается в зависимости от разрешения микрошага.

Выводы для подключения шагового двигателя.

Выходные контакты: 1B, 1A, 2A и 2B.

К этим выводам можно подключить любой биполярный шаговый двигатель с напряжением питания от 8 до 35 В.

Каждый выходной контакт модуля может обеспечить ток до 2 А. Однако величина тока, подаваемого на двигатель, зависит от источника питания системы, системы охлаждения и настройки ограничения тока.

Система охлаждения — радиатор.

Чрезмерное рассеивание мощности микросхемы драйвера A4988 приводит к повышению температуры, которая может выйти за пределы возможностей микросхемы, что, вероятно, приведет к ее повреждению.

Даже если микросхема драйвера A4988 имеет максимальный номинальный ток 2 А на катушку, микросхема может подавать только около 1 А на катушку без перегрева.

Для достижения более 1 А на катушку требуется радиатор или другой метод охлаждения.

Драйвер A4988 обычно поставляется с радиатором. Желательно установить его перед использованием драйвера.

Ограничение тока.

Перед использованием драйвера нам нужно сделать небольшую настройку. Для этого нужно ограничить максимальный ток, протекающий через катушки шагового двигателя, и предотвратить превышение номинального тока двигателя.

На драйвере A4988 есть небольшой потенциометр, который можно использовать для установки ограничения тока. Вы должны установить ограничение по току равным или ниже номинального тока двигателя.

Расчет и установка ограничещего тока драйвер шагового двигателя A4988.

В данном случае мы собираемся установить ограничение тока путем измерения напряжения (Vref) на выводе «ref».

  • Взгляните на техническое описание вашего шагового двигателя. Запишите его номинальный ток. Для примера расчета будем использовать NEMA 17 200 шагов/об, 12 В 350 мА.
  • Переведите драйвер в полношаговый режим, оставив три контакта выбора микрошага отключенными.
  • Удерживайте двигатель в фиксированном положении, не синхронизируя вход STEP.
  • Во время регулировки измерьте напряжение Vref (один щуп мультиметра на минус питания, а другой к металлическому корпусу потенциометра).
  • Отрегулируйте напряжение Vref по формуле:

Vref = Imax * 8 * (RS)

Imax — ток двигателя;

RS — сопротивление резистора. В моем случае RS = 0,100.

Формула Vref для A4988 изменяется от номинала токочувствительных резисторов. Это два черных прямоугольника на плате драйвера. Обычно подписаны R050 или R100.

  • Для 17HS4401 Vref = 1,7 * 8 * 0,100 = 1,36 В.

В связи с тем что рабочий ток двигателя равен 70% от тока удержания. Полученное значение нам нужно умножить на 0,7. В противном случае двигателя в режиме удержания будут сильно греться.

Для 17HS4401 Vref ист. = 1,36*0,7 = 0,952 В.

  • Аналогично можно рассчитать значения дляEM-181

Vref = 1,2 * 8 * 0,100 = 0,96 В

Vrefист. = ,96*0,7 = 0 ,672 В.

Электроника для ЧПУ станков, в которой можно использовать драйвер шагового двигателя A4988.

Драйвер шагового двигателя A4988 можно подключить к микроконтроллеру, например к Arduino, напрямую.

Скетч вращения шагового двигателя NEMA 17, драйвер A4988.

Программа для вращения шагового двигателя NEMA 17, драйвер A4988. Сначала мотор совершает полный оборот в одну сторону, потом в другую.

Подробнее о подключении шаговых двигателей к Ardiono смотрите на сайте Ардуино технологии.

Для более простого подключения шагового двигателя к Arduino или другому микроконтроллеру существуют модули. Модули бывают разные, на фото ниже приведен пример двух различных модулей.

Распиновку и как подключать модуль драйвера A4988 будем рассматривать в следующей статье.

Использование драйвера A4988 с CNC shield v3 и CNC shield v4.

Драйвер A4988 можно установить на CNC shield v3 и CNC shield v4. CNC shield используются для управления ЧПУ станками и облегчают сборку электроники.

Данный набор позволяет без пайки собрать электронику для двух осевых, трех осевых, четырех осевых ЧПУ станков, а также для самостоятельной сборки 3D принтеров. При реализации ЧПУ станков данные шилды используются достаточно часто благодаря своей низкой цене и простоте сборки.

Более подробно CNC shield v3 и CNC shield v4 будем рассматривать в следующих статьях.

Читайте также  Эмулятор cd-чейнджера для магнитол audi на мк attiny13

Мы еще не рассмотрели использование данных драйверов для создания 3D принтеров на основе Ramps. Но это совсем другая история.

Вывод можно сделать следующий. Не смотря на свою небольшую стоимость и небольшой размер, драйвера отлично подходят для реализации большого количества проектов. От самодельных станков, до роботов манипуляторов.

Понравился Драйвер шагового двигателя A4988? Не забудь поделиться с друзьями в соц. сетях.

А также подписаться на наш канал на YouTube, вступить в группу Вконтакте, в группу на Facebook.

Спасибо за внимание!

Технологии начинаются с простого!

Управление шаговыми двигателями с помощью Simatic S7-1200 с ограниченным количеством импульсных выходов

В конце прошлого года ко мне обратилась одна фирма, которая предоставляет комплексные решения для зерновых культур с предложением рассмотреть проект автоматизации небольшой системы отбора проб зерна. Особенностью данного проекта являлось то, что конструктивные решения и исполнительные приводы уже были разработаны и реализованы в железе. Не вдаваясь в подробности технологического процесса отбора проб можно сказать, что цель автоматизации – это управление механическими задвижками зерно-воздушного потока, запуск шнекового смесителя для однородности проб, управление электродвигателями воздушных турбин, обработка управляющих сигналов оператора и датчиков некоторых шагов операций. Задвижки и смеситель были спроектированы так, что приводились в движение с помощью шаговых двигателей.

Раннее было принято решение построить систему автоматизации на базе одноплатного микрокомпьютера Orange pi plus 2e и микроконтроллера Arduino Nano. Для этих плат нашлось применения для другого подобного проекта, но это уже другая история. Но в последствии, после обсуждений всех преимуществ и недостатков остановились на PLC CPU 1214C DC/DC/DC с каталожным номером 6ES7 214-1AG40-0XB0 у которого на борту можно сконфигурировать до четырех импульсных выводов управления и модуль дискретных выходов SM 1222 DQ16 x 24VDC с каталожным номером 6ES7 222-1BH32-0XB0. Шаговые двигатели были выбраны из серии KRS56, управляемые драйверами TB6560 V2.

Выше представлено изображение из functional manual S7-1200 Motion Control V13 SP1 для понимания общей картины структуры управления


Рисунок 1 – схема выходов управления драйверами ШД и схема подключения ШД

Загвоздка состояла в том, что хотели найти компромис между бюджетом и оптимально выбранными комплектующими. И первая задача по управлению состояла в том, что на борту PLC только четыре импульсных вывода, а в исходном проекте необходимо было управлять восьмью шаговыми двигателями и одним сервоприводом по ШИМ. После ознакомления с тех-требованиями алгоритма управления системы выяснилось, что одновременный запуск приводов (шаговых двигателей) был не более двух единиц. И конструкция задвижек позволяла оставлять их без удерживающего момента. Поэтому решил реализовать программно так, чтобы один импульсный вывод можно задействовать для множества драйверов шаговых двигателей, управляя разрешающим входом EN драйвера. Импульсный вывод ШИМ управления сервопривода, конечно, оставался обособленно, т.к. это является аппаратно сконфигурированным. Таким образом я реализовал функциональный блок управления ШД. Алгоритм управления системой был выполнен в программном пакете TIA Portal v14 на графическом языке LAD.


Рисунок 2 – Функциональный блок управления драйвером ШД

Внутри функциональный блок представляет собой простую дискретную логику на лестничной диаграмме с сохранением состояния и таймаутом на срабатывание


Рисунок 3 – Функциональный блок детально

Настройка и программирование импульсных выходов для управления шаговыми двигателями подробно расписаны в мануалах, например STEP 7 S7- — 1200 Motion Control V13 SP1, также в сети есть видеоролики с объснением требуемых шагов
Приведу лишь пару скриншотов настройки импульсного выхода в моем проекте


Рисунок 4 – параметрирование импульсного выхода

Для управления непосредственно самим ипульсным выходом необходимо использовать библиотечные функции такие как MC_Power, MC_Home, MC_MoveAbsolute и прочие в данном разделе. Подробное описание функций находится в справочном разделе TIA Portal и в указанных мануалах.

На следующем рисунке приведены части логики, где в части и части 2 показано использование библиотечных функциональных блоков управления ипульсными выходами. Блок MC_Power используется для инициализации аппаратного управления, блок MC_Home – для обнуления позиции. Так как логика работы управления ШД поворотной части задвижки основывается на выборе точных позиций опытным путем, то используется блок MC_MoveAbsolute, где значения точных позиций и скорость являются уставками и расположены в соответсвующих тегах блока данных. На скрине упущены промежуточные преобразования между управляющим экземпляром блока FB1 SHUTTER и блоком MC_MoveAbsolute. Если кратко, то выходные сигналы из первого блока, такие как SW_OUT_EN – разрешение запуска драйвера ШД, являются входными для второго блока в качестве сигнала “execute”. На рисунке в части 3 и 4 показано управление выходными сигналами PLC, идущими на входа драйверов ШД, которые также формируются в блоке FB1 SHUTTER. Другими словами, можно создать множество экземпляров данного блока FB1 SHUTTER, связанного с управляющими библиотечными блоками импульсных выходов. Но соответствующие драйверы ШД будут задействованы только при наличии (или отсутствии в зависимости от схемы подключения) разрещающих входных сигналов, которые можно формировать отдельными ветвями логики.


Рисунок 5 – Логика управления импульсным выходом

Обзор драйвера шагового двигателя A4988

Автор: Сергей · Опубликовано 11.04.2019 · Обновлено 13.04.2020

Сегодня расскажу о драйвере A4988, данный драйвер подойдет тем, кто планирует создать свой собственный 3D-принтер или станок ЧПУ с управлением шаговым двигателям.

Технические параметры

► Напряжения питания: от 8 до 35 В
► Установка шага: 1, 1/2, 1/4, 1/8, 1/16
► Напряжение логики: 3 В или 5.5 В
► Защита от перегрева: Есть
► Максимальный ток на фазу: 1 А без радиатора, 2 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 A4988

Основная микросхема модуля это драйвер от Allegro — A4988, которая имеет небольшие размеры (всего 8 мм х 6 мм), хоть микросхема и маленькая, но она может работать с выходным напряжение до 35 В с током до 1 А на катушку без радиатора и до 2 А с радиатором (дополнительным охлаждением). Для управления шаговым двигателем, необходимо всего два управляющих контакта (по сравнению с L298N необходимо четыре), один используется для управления шагами, второй для управления вращения двигателем.
Драйвер позволяет использовать пять вариантов шага, полный шаг, полшага, четверть шага, восьмой шаг и шестнадцатый шаг.

Распиновка драйвера A4988:
На драйвере A4988 расположено 16 контактов, назначение каждого можно посмотреть ниже:

EN — включение и выключение модуля (0 — включен, 5 В — выключен).
MS1, MS2 и MS3 — 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 — питание шагового двигателя двигателя от 8 до 35 В (обязательное наличие конденсатора на 100 мкФ ).
2B, 2A, 1B, и 1A — подключение обмоток двигателя.
VDD & GND — питание внутренней логики от 3 В до 5,5 В.

Если не планируете использовать вывод RST необходимо подключить его к выводу SLP, чтобы подтянуть его к питанию, тем самым включить драйвер.

Настройка микрошага
Драйвер A4988 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, драйвер A4988 имеет три выхода, а именно MS1, MS2 и MS3. Установив соответствующие логические уровни для этих выводов, можно выбрать режим микрошага.

Вывода MS1, MS2 и MS3 в микросхеме A4988 подтянуты резистором к земле, поэтому, если не подключать их, двигатель будет работать в режиме полного шага.

Система охлаждения A4988
При интенсивной работе микросхемы A4988 начинает сильно греется и если температура превысит придельные значение, может сгореть. По документации A4988 может работать с током до 2 А на катушку, но на практике микросхема не греется если ток не превышает 1 А на катушку. Поэтому если ток выше 1 А необходимо устанавливать радиатор охлаждения, который идет в комплекте.

Читайте также  Шумоподавитель для звуковой карты

Настройка тока A4988
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.
Существует два способа настройки:
1. Замерить ток, для этого возьмем амперметр и подключим его в разрыв любой из обмоток (двигатель должен работать в полношаговом режиме), так же, при настройки ток должен составлять 70% от номинального тока двигателя.
2. Расчет значение напряжения Vref, согласно документации на A4988, есть формула I_TripMax = Vref / (8 × Rs), из которой мы можем получить формулу.

Vref = I_TripMax x 8 x Rs

где,
I_TripMax — номинальный ток двигателя
Rs — сопротивление на резисторе.

В моем случаи на драйвере A4988 установлены резисторы Rs = 0,100 Ом (R100), а номинальный ток двигателя 17HS4401 равняется 1,7 А.

Vref = 1,7 х 8 х 0,100 = 1,36 В

Мы рассчитали максимальное значение для двигателя 17HS4401, но при таком напряжение двигатель будет греться в режиме ожидания, необходимо уменьшить это значение на 70%, то есть:

Vref х 0,7 = 0,952 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 A4988 к Arduino UNO

Необходимые детали:
Arduino UNO R3 x 1 шт.
► Драйвер шагового двигателя A4988 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 VDD и GND к 5 В и GND на Arduino. Контакты DIR и STEP подключим к цифровым контактам 2 и 3 на Arduino. Подключение шагового двигатель к контактам 2B, 2A, 1A и 1B.

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

Затем необходимо подключить контакт RST к соседнему контакту SLEEP, 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, 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 A4988, загружайте данный скетч в Arduino.

Что такое драйвер шагового двигателя?

Драйвер шагового двигателя — электронное устройство, которое заставляет шаговый двигатель «шагать» по сигналам управления. Стандартом де-факто в области управления ШД являются сигналы STEP/DIR/ENABLE. STEP это сигнал шага, DIR это сигнал направления вращения, ENABLE это сигнал включения драйвера.

Более научное определение — 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).

Управлять ШД намного сложнее чем обычным коллекторным двигателем — нужно в определенной последовательности переключать напряжения в обмотках с одновременным контролем тока. Поэтому для управления ШД разработаны специальные устройства — драйверы ШД. Драйвер ШД позволяет управлять вращением ротора ШД в соответствии с сигналами управления и электронным образом делить физический шаг ШД на более мелкие дискреты.

К драйверу ШД подключается источник питания, сам ШД (его обмотки) и сигналы управления. Стандартом по сигналам управления является управление сигналами STEP/DIR или CW/CCW и сигнал ENABLE.

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.

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 ШД 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.

Digitrode

цифровая электроника вычислительная техника встраиваемые системы

  • Вычислительная техника
    • Микроконтроллеры микропроцессоры
    • ПЛИС
    • Мини-ПК
  • Силовая электроника
  • Датчики
  • Интерфейсы
  • Теория
    • Программирование
    • ТАУ и ЦОС
  • Перспективные технологии
    • 3D печать
    • Робототехника
    • Искусственный интеллект
    • Криптовалюты

Чтение RSS

Драйвер шагового двигателя: принцип работы, особенности, как выбрать драйвер

Как управлять шаговым двигателем

Стандартный шаговый двигатель с постоянными магнитами имеет две обмотки. Если в системе используется биполярный драйвер, вращение достигается путем подачи определенной последовательности сигналов прямого и обратного тока через две обмотки. Таким образом, для биполярного шагового двигателя требуется H-мост для каждой обмотки. В униполярном приводе используются четыре отдельных драйвера, и они не должны иметь возможность подавать ток в обоих направлениях: центр обмотки представляется как отдельное соединение двигателя, а каждый драйвер обеспечивает ток, протекающий от центра обмотки к концу обмотки. Ток, связанный с каждым драйвером, всегда течет в одном и том же направлении.

На рисунке выше представлен биполярный шаговый двигатель (слева) и униполярный (справа). Направление протекания тока в однополярной системе указывает на то, что центр каждой обмотки подключен к напряжению питания двигателя.

Универсальные микросхемы для управления шаговым двигателем

Первое, что нужно иметь в виду – это то, что микросхемы, предназначенные для основных функций управления двигателем могут использоваться с шаговыми двигателями. Вам не нужна микросхема, которая специально помечена или продается как устройство управления шаговым двигателем. Если вы используете биполярный привод, вам нужно два H-моста на шаговый двигатель; Если вы используете однополярный подход, вам нужно четыре драйвера для одного двигателя, но каждый драйвер может быть одним транзистором, потому что все, что вы делаете, это включаете и выключаете ток, а не меняете его направление.

Читайте также  Урок 8 - библиотека шрифтов для дисплея st7783

Примером компонента в категории «универсальная микросхема» является DRV8803 от Texas Instruments. Это устройство описано как «драйверное решение для любого приложения переключения нижнего плеча».

В таком устройстве центр обмоток шагового двигателя подключен к напряжению питания, а к обмоткам подается питание путем включения транзисторов нижнего плеча, чтобы они позволяли току течь от источника питания через половину обмотки, далее через транзистор и на землю.

Подход с использованием универсальной микросхемы удобен, если у вас уже есть опыт работы с подходящим драйвером – вы можете сэкономить несколько долларов, повторно использовав старый компонент, или сэкономить время (и уменьшить вероятность ошибок проектирования), включив известную и проверенную микросхему в вашу цепь управления шаговым двигателем. Но более сложная микросхема может обеспечить расширенную функциональность и упростить задачу проектирования, поэтому предпочтительнее взять шаговый драйвер с дополнительными функциями.

Полнофункциональные драйверы шаговых двигателей

Высокоинтегрированные контроллеры шагового двигателя могут значительно сократить объем проектных работ, связанных с применением более мощных шаговых двигателей. Первая полезная особенность, которая приходит на ум – это автоматическая генерация управляющей последовательности, т.е. способность преобразовывать прямые входные сигналы управления двигателем в требуемые последовательности сигналов. Давайте рассмотрим L6208 от STMicroelectronics, в качестве примера.

Вместо логических входов, которые напрямую контролируют ток, подаваемый на обмотки двигателя, L6208 имеет:

  • Вывод, который выбирает между полушагом и полным шагом.
  • Вывод, который задает направление вращения.
  • Вывод «синхроимпульса», который заставляет внутренний конечный автомат управления двигателем меняться на один шаг при появлении фронта сигнала.

Этот интерфейс гораздо более интуитивно понятен, чем фактические последовательности включения и выключения, которые применяются к транзисторам, подключенным к обмоткам (пример которых приведен ниже).

Это последовательность для управления биполярным шаговым двигателем. «A» и «B» относятся к двум обмоткам, а столбцы «Q» указывают состояние транзисторов, управляющих током обмотки.

Микрошаги

Как следует из названия, функция микрошага заставляет шаговый двигатель выполнять вращение, которое значительно меньше одного шага. Это может быть 1/4 шага или 1/256 шага или где-то посередине. Микрошаг гарантирует точное позиционирование двигателя и обеспечивает более плавное вращение. В некоторых приложениях микрошаг совершенно не нужен. Однако, если ваша система может извлечь выгоду из чрезвычайно точного позиционирования, более плавного вращения или уменьшения механического шума, вам следует рассмотреть возможность использования микросхемы драйвера с возможностью организации микрошагов.

TMC2202 от Trinamic является примером микрошагового контроллера шагового двигателя.

Размер шага может быть всего лишь 1/32 от полного шага, также здесь есть некоторая функциональность интерполяции, которая обеспечивает «полную плавность 256 микрошагов». Эта микросхема также дает вам представление о том, насколько сложным может быть шаговый драйвер – он имеет интерфейс UART для управления и диагностики, специализированный алгоритм драйвера, который улучшает работу в режиме ожидания и низкоскоростную работу, а также различные другие вещи, о которых вы можете прочитать в 81-страничной документации на TMC2202.

Заключение

Если у вас есть микроконтроллер для генерации последовательностей для управления шаговым двигателем и достаточно времени и мотивации для написания надежного кода, вы можете управлять шаговым двигателем с помощью дискретных полевых транзисторов. Тем не менее, почти во всех ситуациях предпочтительнее использовать какую-либо микросхему, и, поскольку на выбор имеется так много устройств и функций, у вас не должно возникнуть особых проблем с поиском компонента, подходящего для вашего приложения.

Драйверы шаговых двигателей GECKODRIVE — Абсолютное американское качество

Предлагаем Вашему вниманию драйверы для шаговых двигателей от ведущего мирового разработчика и производителя устройств управления двигателями — компании Geckodrive Inc. (США).

Основной модельный ряд нового поколения представлен четырьмя драйверами: G201X, G210X, G203V и G213V. Все данные драйверы предназначен для управления биполярными шаговыми двигателями с максимальным рабочим током фазы до 7 Ампер при напряжении питания до 80 Вольт. Технические характеристики драйверов представлены в таблице.

Параметр G201X G210X G203V G213V
Входной ток управляющих сигналов STEP и DIR от 3 мА
Максимальная входная частота импульсов STEP 300 кГц 333 кГц
Встроенные функции защиты драйвера и ШД Нет КЗ, переполюсовка и превышение напряжения питания, перегрев
Габаритные размеры 64 х 64 х 22 мм
Вес 100 г

Основными функциональными преимуществами драйверов Geckodrive является:

  • подавление низкочастотных вибраций;
  • компенсация среднечастотного резонанса;
  • «морфинг» формы тока в фазах шагового двигателя в зависимости от частоты вращения;
  • адаптивная рециркуляция тока при простое двигателя;

Также следует отметить, что при всем этом функциональном разнообразии драйверы имеют миниатюрные габариты и малый вес (100 г).

Аппаратная функция компенсации среднечастотного резонанса и подавления низкочастотных вибраций является главным ноу-хау компании Geckodrive, и на сегодняшний день драйверы Geckodrive являются единственными в мире драйверами шаговых двигателей без обратной связи по положению ротора, в которых полноценно реализована эта функция.

В комплексе с микрошаговым управлением данная функция обеспечивает качественное и плавное вращение ротора шагового двигателя в широком диапазоне рабочих частот — от единиц Гц до десятков кГц, тем самым позволяя добиться от двигателя превосходной динамики и высоких скоростей вращения. Таким образом, проблемы, связанные с пропуском шагов на низких частотах и срывом вращения на средних частотах, больше не актуальны для пользователей драйверов Geckodrive.

Другим преимуществом драйверов Geckodrive является функция «морфинга» – плавного изменения формы тока в фазах шагового двигателя в зависимости от частоты вращения ротора. С увеличением скорости, драйвер плавно переходит из микрошагового режима с синусоидальной формой тока в фазах шагового двигателя к полношаговому режиму с прямоугольной формой тока. Следует отметить, что несмотря на изменение режима управления, драйвер точно осуществляет позиционирование ротора двигателя и никаких «проскоков» шагов не возникает.

Известно, что микрошаговый режим отлично подходит для низких скоростей вращения шаговых двигателей, но с увеличением скорости двигатель в данном режиме не может обеспечить достаточный крутящий момент, что приводит к срыву вращения. Использование функции «морфинга» позволяет увеличить крутящий момент шагового двигателя на средних и высоких скоростях до 30%.

В качестве примера приведены нагрузочные характеристики двигателя FL57STH76-2804A полученные при работе с драйверами Geckodrive G203V и Leadshine M542 (Китай). Как видно из графика, крутящий момент у двигателя под управлением G203V благодаря функции «морфинга» значительно увеличился в диапазоне скоростей вращения от 300 до 1500 об/мин. А именно этот диапазон скоростей и является основным для шаговых двигателей.

Во всех драйверах Geckodrive используется функция адаптивной рециркуляции тока в обмотках шагового двигателя, которая позволяет без потери выходного крутящего момента на валу двигателя уменьшить нагрев его корпуса как при вращении, так и в статическом режиме. Кроме того, благодаря данной функции корпус самого драйвера при работе на токах до 4 Ампер не нагревается больше чем на 40°, и, соответственно, не требует принудительного охлаждения.

В дополнение к данной функции в драйверах реализован режим автоматического уменьшения рабочего тока в обмотках шагового двигателя при простое. Данный режим дополнительно уменьшает нагрев как самого двигателя, так и драйвера, и позволяет значительно сократить потребляемую приводом мощность в статическом состоянии.

Управление драйверами стандартное для устройств данного класса и осуществляется двумя логическими сигналами «ШАГ» (STEP) и «НАПРАВЛЕНИЕ» (DIR). Каждый импульс на входе STEP вызывает поворот ротора двигателя на один шаг или микрошаг в зависимости от выбранного режима работы в сторону, заданную уровнем сигнала на входе DIR.

Минимальный входной ток управляющих сигналов составляет всего 3 мА, что позволяет использовать для управления драйверами маломощные источники сигналов с выходным напряжением от 3.3 Вольт, а также подключать драйвер напрямую к LPT-порту компьютера без использования дополнительных буферных цепей.

Инженеры компании Geckodrive не останавливаются на достигнутом, и в настоящее время ведется активная работа по созданию контроллера шагового двигателя нового поколения с управлением через интерфейс RS-485, а также шагового сервопривода.

Компания НПО «АТОМ» является официальным дистрибьютором Geckodrive Inc. на территории России. Мы всегда поддерживаем на складе все основные модели драйверов шаговых двигателей и готовы оказать полную техническую поддержку и консультации по использованию продукции Geckodrive.