Выбор драйвера шагового двигателя

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 по способу закачки тока в обмотки делятся на несколько видов:

• 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.
• 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.
• 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. При выборе 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.

Cила тока Первый параметр, на который стоит обратить внимание, — это сила тока, которую может обеспечить драйвер. Как правило, она регулируется в достаточно широких пределах, но драйвер нужно выбирать такой, который может выдавать ток, равный току фазы выбранного шагового двигателя.

Желательно, конечно, чтобы максимальная сила тока драйвера была еще на 15–40 % больше. С одной стороны, это даст запас на случай, если вы захотите получить больший момент от мотора, или в будущем поставите более мощный двигатель. С другой стороны, не будет излишней: производители иногда «подгоняют» номиналы радиоэлектронных компонентов к тому или иному виду/размеру двигателей, поэтому слишком мощный драйвер на 8 А, управляющий двигателем NEMA 17 (42 мм), может, к примеру, вызывать излишние вибрации.

Напряжение питания. Весьма важный и неоднозначный параметр. Его влияние достаточно многогранно — напряжение питания влияет на динамику (момент на высоких оборотах), вибрации, нагрев двигателя и драйвера. Обычно максимальное напряжение питания драйвера примерно равно максимальному току I, умноженному на 8–10. Если максимальное указанное напряжение питания драйвера резко отличается от данных величин, стоит дополнительно поинтересоваться, в чем причина такой разницы. Чем больше индуктивность двигателя, тем большее напряжение требуется для драйвера. Существует эмпирическая формула U = 32 * √(L), где L — индуктивность обмотки шагового двигателя. Величина U, получаемая по этой формуле, весьма приблизительная, но она позволяет ориентироваться при выборе драйвера. U должно примерно равняться максимальному значению напряжения питания драйвера. Если вы получили U равным 70, то по данному критерию проходят драйверы PLD86, PLD880.

Наличие опторазвязанных входов. Практически во всех драйверах и контроллерах, выпускаемых на заводах, тем более брендовых, опторазвязка стоит обязательно, ведь драйвер — устройство силовой электроники, и пробой ключа может привести к мощному импульсу на кабелях, по которым подаются управляющие сигналы, и выгоранию дорогостоящего ЧПУ-контроллера. Однако, приобретая незнакомую модель, стоит дополнительно поинтересоваться наличием оптоизоляции входов и выходов.

Наличие механизмов подавления резонанса. Резонанс шагового двигателя — явление, которое проявляется всегда. Разница состоит только в резонансной частоте, которая прежде всего зависит от момента инерции нагрузки, напряжения питания драйвера и установленной силы тока фазы мотора. При возникновении резонанса шаговый двигатель начинает вибрировать и терять крутящий момент, вплоть до полной остановки вала. Для подавления резонанса используется микрошаг и встроенные алгоритмы компенсации резонанса. Колеблющийся в резонансе ротор шагового двигателя порождает микроколебания ЭДС-индукции в обмотках, и по их характеру и амплитуде драйвер определяет, есть ли резонанс и насколько он силен. В зависимости от полученных данных драйвер несколько смещает шаги двигателя во времени относительно друг друга — такая искусственная неравномерность нивелирует резонанс. Механизм подавления резонанса встроен во все драйверы Purelogic R&D. Драйверы с подавлением резонанса — высококачественные устройства, и если бюджет позволяет, лучше брать именно такие. Впрочем, и без этого механизма драйвер остается вполне рабочим: основная масса проданных драйверов не имеют компенсации резонанса. Тем не менее, десятки тысяч станков без проблем работают по всему миру и успешно выполняют свои задачи.

Наличие защитных функций. Среди них — защита от превышения питающего напряжения, тока обмоток (в т. ч. от короткого замыкания обмоток), переполюсовки питающего напряжения, неправильного подключения фаз шагового мотора. Чем больше таких функций, тем лучше.

Наличие микрошаговых режимов. Сейчас практически в каждом драйвере есть множество микрошаговых режимов. Однако из каждого правила есть исключения, и в драйверах Geckodrive режим только один – деления шага 1/10. Мотивируется это тем, что большее деление не приносит большей точности, а значит, в нем нет необходимости. Однако практика показывает, что микрошаг полезен вовсе не повышением дискретности позиционирования или точности, а тем, что чем больше деление шага, тем плавней движение вала мотора и меньше резонанс. Соответственно, чем больше деление при прочих равных условиях, тем лучше. Максимально допустимое деление шага будет определяться не только встроенными в драйвер таблицами Брадиса, но и максимальной частотой входных сигналов. Так, для драйвера с входной частотой 100 кГц нет смысла использовать деление 1/256, так как скорость вращения будет ограничена 100 000 / (200 * 256) * 60 = 117 об/мин, что для шагового двигателя очень мало. Кроме того, персональный компьютер тоже с трудом сможет генерировать сигналы с частотой более 100 кГц. Если вы не планируете использовать аппаратный ЧПУ-контроллер, то 100 кГц, скорее всего, будет Вашим потолком, что соответствует делению 1/32.

Наличие дополнительных функций. Их может быть множество, например, функция определения «срыва» — внезапной остановки вала при заклинивании или нехватки крутящего момента у шагового двигателя, выходы для внешней индикации ошибок и т. п. Все они не являются необходимыми, но могут сильно облегчить жизнь при построении станка.

Качество драйвера. Оно практически не связано с характеристиками и т. п. Определить уровень драйвера заранее по каким-то косвенным данным достаточно трудно. Можно попробовать ориентироваться на количество интеллектуальных функций, таких как подавление резонанса, морфинг, а также воспользоваться проверенным способом — ориентироваться на бренды и качество технической поддержки.