Avtonova37.ru

Авто мастер
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Блок питания для шаговых двигателей своими руками

Система управления шаговым двигателем ШД-5Д1МУ3 (ДШР-80)

Как подключить шаговый двигатель – подробное пошаговое руководство и схемы подключения шаговых двигателей с 4, 5, 6 и 8 выводами. © Автор статьи интернет-магазин DARXTON

  1. Что такое шаговый двигатель?
  2. Преимущества и недостатки шагового электродвигателя
  3. Что такое шаговый двигатель?
  4. Управление шаговым двигателем
  5. КАК ПОДКЛЮЧИТЬ ШАГОВЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
  6. КАК ПОДКЛЮЧИТЬ ШАГОВЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С 4 ВЫВОДАМИ
  7. КАК ПОДКЛЮЧИТЬ УНИПОЛЯРНЫЙ ШАГОВЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С 6 ВЫВОДАМИ
  8. КАК ПОДКЛЮЧИТЬ ШАГОВЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С 8 ВЫВОДАМИ
  9. Карданные шарниры для дельта-принтера
  10. Устройство и принцип работы
  11. Какой термоборьер для Pet-g
  12. Типы шаговых двигателей
  13. По конструкции ротора
  14. Реактивный
  15. С постоянными магнитами
  16. Гибридные
  17. По виду обмоток
  18. Униполярный
  19. Биполярный
  20. Перейдем к практике
  21. Подключение шагового двигателя
  22. Типичные схемы подключения ШД
  23. Волнистые стенки.
  24. Простейший драйвер шагового двигателя своими руками

ПОЛЕЗНО Шаговые двигатели, характеристики. Драйверы шаговых двигателей, разновидности, настройка.

Alsan

Alsan

МЕСТНЫЙ СТАРОЖИЛА
  • 01.05.2019
  • Последнее редактирование: 04.05.2019
    Рекомендованный
  • #1

На форуме периодически всплывают вопросы о драйверах шаговых двигателей и их настройке. Решил разобраться с этим делом для себя, возможно кому-нибудь также пригодится.

Для начала разновидности двигателей Nema17.

17HS4401 ток 1,7A – обычные
17HS8401 ток 1,8А – более мощные
17HS4402 ток 1,3A – по некоторым сведениям менее шумные, чем 17HS4401

Nema17BH 42BHM(42BYG) — в архиве: Nema17 — (описание и параметры разновидностей ШД)

(здесь важен ток двигателя, для дальнейших расчетов).

А4988
Встречаются варианты разного цвета.

Поэтому нужно обращать внимание не на цвет, а на микросхему драйвера.

Схема и распиновка:

Характеристики А4988
Напряжения питания логической части: 3-5,5 В
Напряжения питания силовой части: 8-35 В
Максимальный ток без дополнительного охлаждения: 1 А
Максимальный ток с дополнительным охлаждением: 2 А
Дробление шага: 1, 1/2, 1/4, 1/8, 1/16
Защита от перегрузок и перегрева

Назначение контактов драйвера A4988
ENABLE – включение/выключение драйвера
MS1, MS2, MS3 – контакты для установки микрошага
RESET — cброс микросхемы
STEP — генерация импульсов для движения двигателей (каждый импульс – шаг), можно регулировать скорость двигателя
DIR – установка направление вращения
VMOT – питание для двигателя (8 – 35 В)
GND – общий
2B, 2A, 1A, 1B – для подключения обмоток двигателя
VDD – питание микросхемы (3.5 –5В)

Значение микрошага устанавливается комбинацией сигналов на входах MS1, MS2, и MS3. Есть пять вариантов дробления шага.
MS1 MS1 MS1 Дробление шага
0 0 0 1
1 0 0 1/2
0 1 0 1/4
1 1 0 1/8
1 1 1 1/16

Для работы в режиме микрошага необходим слабый ток. На модуле A4988 поддерживает тока можно ограничить находящимся на плате потенциометром. Драйвер очень чувствителен к скачкам напряжения по питанию двигателя, поэтому производитель рекомендует устанавливать электролитический конденсатор большой емкости по питанию VMOT для сглаживания скачков. Внимание ! — Подключение или отключение шагового двигателя при включённом драйвере может вывести двигателя и драйвер из строя.

Настройка Vref для A4988

Формула Vref для A4988 изменяется от номинала токочувствительных резисторов(Rs). Это два черных прямоугольника на плате драйвера. Обычно подписаны R050(номинал — 0.05 Ом) или R100 (номинал — 0.1 Ом).

Vref = Imax * 8 * (Rs)
Imax — ток двигателя;
Rs — сопротивление резистора. В моем случае Rs = 0,100.

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.
Обычно Vref ставят ниже, для снижения температуры нагрева шагового двигателя.
Исходя из этого, при длительной работе, на практике можно использовать коэффициент 0,6
Получается для Для 17HS4401, с током 1,7А Vref = 1,7 * 8 * 0,100*0,6=0,816 (0,82)

DRV8825
Плата создана на базе микросхемы компании TI (Texas Instruments Inc.) DRV8825 — биполярном шаговом драйвере двигателя. Расположение выводов и интерфейс модуля почти совпадает с драйвером шагового двигателя Pololu на микросхеме A4988, поэтому DRV8825 может стать высокопроизводительной заменой этой платы во многих приложениях.

Схема:

Характеристики:
шаг:1, 1/2, 1/4, 1/8, 1/16, 1/32.
Регулировка тока на обмотках двигателя, переменным резистором опорного напряжения.
Источника питания для двигателей от 8,2 В до 45 В.
Встроенный регулятор напряжения для логических цепей. Возможность подключения к логике как 3,3 В, так и 5 В.
Защита от перегрева (отключение при нагреве драйвера 150 градусов).
Защита по превышению тока обмоток.
Защита по пониженному напряжению.
Защита от короткого замыкания на землю.
При токе до 1,5 А на обмотку способен работать без радиаторов и дополнительного охлаждения.

Читать еще:  Высокие обороты при запуске двигателя мк кросс

Регулировку тока двигателя следует производить выставив переменным резистором опорное наряжение (на выводах 12,13 микросхемы или на «среднем контакте резистора») из расчета 1 к 2, т.е 0,5В соответствует 1А, напряжению 1В соответствует 2А.
Обратите внимание, что переходное отверстие (золотистое) на плате, возле выводов 12,13 не является контактом для проверки опорного напряжения, это линия питания двигателей.

Режим микрошага устанавливается путем подачи «1» на контакты MODE0, MODE1, MODE2. (В случае установки драйвера на RAMPS это перемычки MS1, MS2, MS3)

M0 M1 M2 Режим микрошага
не стоит не стоит не стоит полный
стоит не стоит не стоит 1/2
не стоит стоит не стоит 1/4
стоит стоит не стоит 1/8
не стоит не стоит стоит 1/16
стоит не стоит стоит 1/32
не стоит стоит стоит 1/32
стоит стоит стоит 1/32

DRV8825 расчет Vref
Current Limit = Vref * 2
Vref = Current Limit / 2

Например для шагового двигателя 17HS4401: Vref = 1,7 / 2 = 0,85В

Обычно Vref ставят ниже, для снижения температуры нагрева шагового двигателя.

Детальное описание драйверов А4988 и DRV8825 в архиве А4988_DRV8825.rar

Встречалась информация ,что по умолчанию на драйверах DRV8825 выставлен максимальный ток, поэтому регулировка перед началом работы обязательна:
«По умолчанию у красных A4988 опора стоит в 0.8V это 1A ничего плохого не случится, но у DRV8825 опора выставлена в 1.6V -это максимальный ток, в теории 3.2А, по документации DRV8825 рассчитан максимум на 2.5A(2.2А с обдувом), это может повредить, как двигатель, так и драйвер.»

Униполярные и биполярные шаговые двигатели

Также существует ещё два типа шаговых двигателей: униполярные и биполярные. На фундаментальном уровне, эти два типа работать точно так же; электромагниты включены в последовательном виде, заставляя центральный вал двигателя вращаться.

Но униполярный шаговый двигатель работает только с положительным напряжением, а биполярный шаговый двигатель имеет два полюса — положительный и отрицательный.

То есть фактическая разница между этими двумя типами заключается в том, что для однополярных требуется дополнительный провод в середине каждой катушки, что позволит току проходить либо к одному концу катушки, либо другому. Эти два противоположных направления производят две полярности магнитного поля, фактически имитируя как положительные, так и отрицательные напряжения.

Хотя оба они имеют общий уровень питающих напряжений 5V, биполярный шаговый двигатель будет иметь больший крутящий момент, потому что ток течет через всю катушку, производя более сильное магнитное поле. С другой стороны, униполярные шаговые двигатели используют только половину длины катушки из-за дополнительного провода в середине катушки, а значит меньший крутящий момент доступен для удержания вала на месте.

Технические характеристики A4988

Конструктивно это выглядит как два круглых полюса, на поверхности которых расположены зубцы ротора из магнитомягкого материала. Можно увеличить количество шагов в 16, 32, 64 раза и т.

Поддержка такого режима для указанного драйвера осуществляется микропроцессором, управляющим входами ЦАП. Таким образом, выполняется один шаг.

Для изменения направления вращения достаточно изменить очередность подачи импульсов в соответствующие обмотки. Режим управления двигателем задается коммутатором. Шаговые двигатели.

Данный двигатель можно не только использовать как биполярный или униполярный, но и самим определять, как соединить электромагниты обмоток, последовательно или параллельно. Из-за чего обеспечивается максимальный момент, в случае параллельного соединения или последовательного включения обмоток будет создаваться максимальное напряжение или ток. Этот метод использует в два раза больше шагов, чем полный шаг, но он также имеет меньший крутящий момент.

А принцип работы этого всего очень прост: конденсатор формирует сдвиг фаз на одной из обмоток, в результате обмотки работают почти попеременно и шаговый двигатель крутится. В таком двигателе сечение отдельных обмоток вдвое больше, а омическое сопротивление — соответственно вдвое меньше. Так, пожалуй, можно дать строгое определение. Готовые шаговые двигатели с редукторами хотя и существуют, однако являются экзотикой. Иногда двигатели с постоянными магнитами имеют 4 раздельных обмотки.

Общие сведения:

Микрошаговый режим. Режим удержания уменьшает максимальный ток, потребляемый обмотками двигателя, с двух до одного ампера. Диаграммы, диаграммы

В пределе, шаговый двигатель может работать как синхронный электродвигатель в режиме непрерывного вращения. Схема контроллера униполярного шагового двигателя с драйвером на биполярных транзисторах. Описание библиотеки для работы с шаговым двигателем В среде разработки Ардуино IDE существует стандартная библиотека Strepper. Гибридный двигатель.
Обзор копеечной платы управления шаговым двигателем.

Биполярные и униполярные шаговые двигатели

От того какая у шагового двигателя форма обмоток, двигатели делятся на униполярные и биполярные. У биполярного двигателя по 1 обмотке в каждой фазе. Всего две обмотки и соответственно 4 вывода (рис. а). Для обеспечения вращения вала на эти обмотки должно подаваться напряжение с изменяемой полярностью. Поэтому для биполярного двигателя необходим полумостовой либо мостовой драйвер, снабженный двухполярным питанием.

Читать еще:  Газель с 406 двигателем сколько звеньев на цепи

Униполярный двигатель также как и биполярный, для каждой фазы имеет по одной обмотке, но каждая обмотка содержит отвод от середины. В связи с этим, путем переключения половинок обмотки шагового двигателя, появляется возможность менять направление магнитного поля.

В данном случае значительно упрощается структура драйвера двигателя. Он должен обладать всего лишь четырьмя силовыми ключами. Соответственно, в униполярном двигателе применяется иной метод изменения направления магнитного поля. Отводы обмоток зачастую объединяются внутри двигателя, вследствие этого данный тип двигателя может обладать пятью или шестью проводами (рис. б).

Порой униполярные двигатели снабжаются четырьмя обмотками, каждая из которых содержит собственные выводы – то есть их всего восемь (рис. в). При определенном соединении этих обмоток подобный шаговый двигатель возможно использовать как биполярный либо униполярный. Кстати, униполярный двигатель, имеющий две обмотки с отводами по середине, возможно использовать и как биполярный. В этом случае провода, идущие от середины обмоток не используются.

Вольтовый режим управления шаговыми двигателями

Микрошаговый режим работы шагового двигателя

Микрошаговый режим управления шаговым двигателем основан на следующем принципе: Подавая на две фазы шагового двигателя синусоидальный ток со сдвигом 90° (синус и косинус), можно добиться выравнивания магнитного поля статора в любом положении.

Вольтовый режим управления шаговым двигателем позволяет это сделать с максимальной эффективностью.

Основы вольтового режима управления

Вольтовый режим управления основан на линейной модели шаговых двигателей. Если синусоида напряжения приложена к фазе шагового двигателя, результирующий ток тоже синусоидальный.

Токовый режим управления

Резкие изменения тока вызывают сильные механические колебания. В токовом режиме управление (квантирование и дискретизация) неидеальное. В результате при работе двигателя образуется шум, движение осуществляется рывками.

Контролируется пиковый ток. Среднее текущее значение тока отличается от целевого. Как результат – неточное позиционирование.

Частота переключения непостоянная. Пульсацию крутящего момента трудно контролировать.

Вольтовый режим управления

Плавный токовый переходной процесс уменьшает механические колебания и вибрации. Движение двигателя мягкое и бесшумное.

Среднее текущее значение тока контролируется. Как результат — точное позиционирование.

Частота переключения постоянная. Пульсацию крутящего момента под контролем.

Основы вольтового режима управления

Когда синусоида напряжения с амплитудой VPH подается на двигатель, амплитуда результирующего тока (IPH) зависит от:

  • электрических параметров шагового двигателя
  • обратной ЭДС двигателя (BEMF)
  • частоты синусоидальной волны (то есть от скорости двигателя)
  • фазового соотношения между магнитным полем ротора и статора (т.е. от крутящего момента)

Уравнение, связывающее фазное напряжение и фазу:

  1. Скорость двигателя низкая (соразмерно с fel)
  2. Скорость двигателя высокая (соразмерно с fel)

Алгоритм управления может быть определен через 4 параметра:

Назад

ПараметрЗначениеФормулаЕдиница измерения
KVALНапряжение на нулевой скоростиRm·|IPH|В
IntSpeedСкорость двигателя, определяющая медленную и быструю области4·Rm/2πLmШаги/сек
StSlpКоэффициент компенсации (угол наклона), применяемый в медленной области В/(шаги/сек)
FnSlpКоэффициент компенсации (угол наклона), применяемый в быстрой области В/(шаги/сек)

Вперед

Начальная амплитуда:
Амплитуда «нулевой скорости» выходной синусоиды

Начальный уклон компенсации:
Наклон кривой компенсации, когда скорость ниже скорости IntSpeed

Конечный уклон компенсации:
Наклон кривой компенсации, когда скорость больше скорости пересечения

Cкорость IntSpeed:
Скорость, при достижении которой наклон кривой компенсации переключается с начального на конечное значение

Компенсация напряжения питания

Синусоиды напряжения генерируются с помощью ШИМ-модуляции. Как следствие, фактическое фазное напряжение зависит от напряжения блока питания.

Уравнение также может быть записано в следующем виде:

Если коэффициент компенсации применить к рабочему циклу, ошибку можно исключить:

Поправочный коэффициент рассчитывается при помощи алгоритма компенсации

АЦП измеряет фактическое напряжение питания двигателя

Коэффициент компенсации применяется к амплитуде синусоиды

Максимальный выходной ток в зависимости от напряжения питания

Обнаружение останова без датчика

Управление двигателем в вольтовом режиме дает возможность обнаружения состояния остановки двигателя.

Измеряя ток фазы, можно определить состояние останова двигателя:

ОСТАНОВКА. Обратная ЭДС = 0 ток фазы резко повышается

Ограничения при обнаружении останова двигателя без датчика

Возможности обнаружения останова могут быть ограничены в следующих условиях:

  • На низкой скорости (при малом значении обратной ЭДС);
  • На высокой скорости (ток может быть низким из-за эффекта фильтрации нижних частот индуктора).

Явление резонанса в вольтовом режиме управления

Движение шагового двигателя является неравномерным, что вызывает появление резонанса в механике. При появлении резонанса ЭДС обратной связи перестает быть синусоидальной, что вызывает проблемы в алгоритме управления.

Следующие стратегии помогают снизить или избежать появления резонанса:

  1. Применение механической нагрузки к двигателю. Нагрузка смещает точку резонансна системы.
  2. Увеличение значения ускорения для более быстрого прохождения или пропуска резонансной частоты.

Если резонансная скорость ограничена диапазоном работы двигателя, ее можно пропустить, за счет инерции двигателя и более высоких значений ускорения.

Краткий обзор преимуществ режима напряжения

Основными преимуществами вольтового режима управления являются:

  • Чрезвычайная гладкость движения
  • Точное позиционирование (за счет контроль среднего значения тока)
  • Пульсации тока контролируются
  • Возможность определения состояния остановка (блокировки) двигателя

Основными недостатками являются:

  • Алгоритм управления должен быть настроен в соответствии с характеристиками двигателя
  • Режим чувствителен к резонансу двигателя.

Вольтовый режим управления шаговыми двигателями реализован в современных драйверах и контроллерах производства «Электропривод».

Шаговый двигатель с постоянными магнитами

Шаговый двигатель с постоянными магнитами имеет ротор на постоянных магнитах. Статор обычно имеет две фазы.

По сравнению с реактивными, шаговые двигатели с активным ротором создают большие вращающие моменты, обеспечивают фиксацию ротора при снятии управляющего сигнала. Недостаток двигателей с активным ротором — большой угловой шаг (7,5—90°). Это объясняется технологическими трудностями изготовления ротора с постоянными магнитами при большом числе полюсов. Если угол фиксации находится в диапазоне от 7,5 до 90 градусов скорее всего это шаговый двигатель с постоянными магнитами нежели гибридный шаговый двигатель.

Обмотки могут иметь ответвление в центре для работы с однополярной схемой управления. Двухполярное управление требуется для питания обмоток без центрального ответвления.

    Таким образом по виду обмоток выделяют два типа шаговых двигателей:
  • униполярный (однополярный),
  • биполярный (двухполярный).

Униполярный (однополярный) шаговый двигатель

Униполярный шаговый двигатель с постоянными магнитами имеет одну обмотку на фазу с ответвлением в центре. Каждая секция обмотки включается отдельно.

Таким образом расположение магнитных полюсов может быть изменено без изменения направления тока, а схема коммутации может быть выполнена очень просто (например на одном транзисторе) для каждой обмотки. Обычно центральное ответвление каждой фазы делается общим, в результате получается три вывода на фазу и всего шесть для обычного двухфазного двигателя.

Легкое управление однополярными двигателями сделало их популярными для любителей, они возможно являются наиболее дешевым способом чтобы получить точное угловое перемещение.

Биполярный шаговый двигатель

Двухполярные двигатели имеют одну обмотку на фазу. Для того чтобы изменить магнитную полярность полюсов необходимо изменить направление тока в обмотке, для этого схема управления должна быть более сложной, обычно с H-мостом. Биполярный шаговый двигатель имеет два вывода на фазу и не имеет общего вывода. Так как пространство у биполярного двигателя используется лучше, такие двигатели имеют лучший показатель мощность/объем чем униполярные. Униполярный двигатель имеет двойное количество проводников в том же объеме, но только половина из них используется при работе, тем не менее биполярный двигатель сложнее в управление.

Управление шаговым двигателем с постоянными магнитами

Для управления шаговым двигателем на постоянных магнитах к его обмоткам прикладывается сфазированный переменный ток. На практике это почти всегда прямоугольный сигнал сгенерированный от источника постоянного тока. Биполярная система управления генерирует прямоугольный сигнал изменяющийся от плюса к минусу, например от +2,5 В до -2,5 В. Униполярная система управления меняет направление магнитного потока катушки посредством двух сигналов, которые поочереди подаются на противоположные выводы катушки относительно ее центрального ответвления.

    Существует несколько способов управления:
  • волновое,
  • полношаговое,
  • полушаговое.

Волновое управление

Простейшим способом управления шаговым двигателем является волновое управление. При таком управлении в один момент времени возбуждается только одна обмотка. Но такой способ управления не обеспечивает максимально возможного момента.

Шаговый двигатель с постоянными магнитами может иметь разную схему соединения обмоток статора.

На рисунке выше представлены схема биполярного шагового двигателя и двухполюсные осциллограммы управления. При таком управлении обе полярности («+» и «-«) подаются на двигатель. Магнитное поле катушки поворачивается за счет того, что полярность токов управления меняется.

На рисунке выше представлены схема униполярного шагового двигателя и однополюсные осциллограммы управления.Так как для управления униполярным шаговым двигателем требуется только одна полярность это существенно упрощает схему системы управления. При этом требуется генерация четырех сигналов так как необходимо два однополярных сигнала для создания переменного магнитного поля катушки.

Необходимое для работы шагового двигателя переменное магнитное поле может быть создано как униполярным так и биполярным способом. Однако для униполярного управления катушки двигателя должны иметь центральное ответвление.

Шаговый двигатель с постоянными магнитами может иметь разную схему соединения обмоток статора. Схемы соединения шагового двигателя показаны на рисунке ниже.

Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector