Дополнительные функции драйверов шаговых двигателей

В огромном выборе драйверов шаговых двигателей, что есть сейчас на рынке, несложно запутаться. Тем более, когда продавцы стараются написать побольше текста и страшных слов в описании продукта. Тем начинающим конструкторам, кого длинные списки с перечислением "расширенных функций" и всяких опций сбивают с толку при принятии решения, призвана помочь данная статья. Здесь описаны наиболее часто встречающиеся опции, а также дана субъективная оценка реальной нужности такой функции(или отсутствия таковой).

Оптоизолированные входы. Сейчас сложно встретить драйвер, в котором входы не изолированны гальванически от остальной части, и производители упоминают об оптоизоляции больше для проформы. Драйвер - устройство силовое, на входе у него маломощные сигналы, как правило 0..5 В, и током не более 50-100 мА, тогда как в драйвере коммутируются напряжения на порядок больше, иногда до 100-200 В, и токи бывают немалые - до 5-8А. В случае отсутствия оптопар на входе, при пробое силовой части эта энергия может устремиться в виде тока обратно по входным проводам, и повредить контроллер и подключенные к нему устройства. Поэтому защитная опторазвязка - строго обязательная часть любого нормального драйвера. Все драйверы Purelogic имеют оптоизолированные входы управления (опторазвязку).

Микрошаг и максимальная частота входных импульсов. Микрошаговый режим сам по себе, несомненно, полезная функция. Вопрос в том, можно ли использовать максимальное деление шага как аргумент при выборе драйвера. Иногда кажется, что производители соревнуются, кто больше делений шага сможет зашить в устройство. Многие фирмы предлагают драйверы, позволяющие делить шаг на 512 микрошагов. Для того, чтобы в таком режиме вращать вал со скоростью 20 об/сек(а это вполне нормальная скорость для качественных двигателя и драйвера), потребуется подавать импульсы STEP с частотой 512*200*20 = 2 Мгц. Тогда как сам драйвер обычно способен отрабатывать импульсы на частоте не более 200-300 кГц. Соответственно, если Вы используете деление шага 1/512 то быстрее чем 2 об/сек двигатель раскрутить не удастся - это в том случае, если Ваш контроллер может выдавать импульсы с частотой 300 кГц. Многие контроллеры ограничены частотой 100-150 кГц, и менее. Следовательно, в реальных задачах имеет смысл использовать микрошаг порядка 1/32 или 1/64, бОльшие деления - удел очень узкоспециальных применений. Мы рекомендуем не смотреть на максимальное деление шага при выборе драйвера, но желательно, чтобы драйвер позволял работать в диапазонах деления шага 1/2 - 1/64. Компания Purelogic выпускает одноканальные и многоканальные драйверы ШД с диапазоном деления шага от 2 до 64.

Функция прдавления резонанса. Она же функция компенсации резонанса, она же функция устранения среднечастотной нестабильности. Шаговые двигатели подвержены резонансу - такова их конструктивная особенность. Чем сильнее резонирует вал двигателя, тем меньший крутящий момент двигатель отдает. В 80% случаях прохождения частоты резонанса - вал останавливается. Функция подавления резонанса - помогает уменьшить негативный эффект резонанса. Этой функцией оснащены на самом деле очень мало драйверов шаговых двигателей, самые известные примеры - это драйверы Purelogic, Geckodrive и Leadshine серий DM, EM. Технологии, которые используют производители, не раскрываются, но примерно известно, что возникновение резонанса отслеживается по колебаниям ЭДС индукции, возникающим в обмотках двигателя от резонирующего ротора, после чего ПО драйвера определяет стратегию его устранения. Функция подавления резонанса достаточно полезна, и польза её растет вместе с нагрузкой на двигатель и его размером - если для двигателей 42 и 57 мм это не так существенно, то работать с 86 двигателями без такой функции уже может быть неприемлемо. Следует упомянуть, что алгоритмы подавления резонанса в блоках управления Purelogic и Geckodrive - автоматические, не требуют настройки и подобраны под конкретные типоразмеры двигателей во всем диапазоне частот. Именно поэтому Purelogic выпускают драйверы под конкретные типоразмеры ШД - PLD330 для PL42 (NEMA17), PLD440/PLD545/PLD57 для PL57 (NEMA23), PLD880/PLD86 для PL86 (NEMA34) и PLD8220 для PL110 (NEMA43). В драйверах Leadshine понадобится ручная настройка драйвера - подбор частот устранения резонанса (на выбор 3 диапазона частот) что делает эти драйверы более сложными и менее гибкими в настройке.

Морфинг. Функция, впервые появившаяся в драйверах Geckodrive. В полном шаге каждая обмотка постоянно запитана полным током, а при использовании микрошагового режима - меняются по синусоидальным законам, со смещением фазы в 90 градусов. Это значит, что в режиме полного шага на ротор действует сила, складывающаяся из сил магнитного притяжения обеих обмоток статора, причем - обе этих силы максимальны(запитка полным током). В случае микрошага - две обмотки могут быть запитаны полным током только в тот момент, когда ротор проходит положение полного шага. Следовательно, момент в микрошаговом режиме - меньше чем в полу- или полношаговом. При быстром вращении, однако, можно объединять много микрошагов в один шаг - в самом деле, ротор имеет инерцию, и ни мгновенно разогнаться, ни мгновенно остановиться не может, а значит, скорость меняется плавно, и можно объединять микрошаги в полный шаг без существенной потери точности - а значит, запитывать обмотки полным током, и получать больший момент на высоких оборотах. Функция плавного перехода с микрошагового управления(синусоидальных токов) к полношаговому(запитке фаз полным током) и называется морфингом. Таково теоретическое обоснование данной функции. Драйверы Purelogic поддерживают технологию морфинга.

Плавный пуск шаговых двигателей. При подаче питания на блоки управления, ток в обмотки подается обычно просто - полным напряжением и затем отсечка по достижению нужного значения тока. Поскольку до подачи тока ротор находится неизвестно где, то в момент подачи он приходит в положение равновесия рывком - это слышно при включении питания, раздается характерный "удар". При плавном пуске напряжение питания возрастает постепенно, и вал двигателя подтягивается тоже постепенно, без удара. В целом, это благотворно сказывается на механике. Все драйверы Purelogic имеют функцию плавного запуска ШД.

Снижение тока фаз при простое. При простое (отсутствии управляющих сигналов) драйвер может снижать ток в обмотках до установленного значения. Это позволяет уменьшить нагрев шагового двигателя и экономить энергию. Все драйверы Purelogic имеют функцию AUTO-SLEEP - снижение тока в обмотках ШД при простое.