Драйвер шаговых двигателей - Дополнительные функции

Оптоизолированные входы
Микрошаг и максимальная частота входных импульсов
Подавление резонанса
Морфинг
Определение остановки вала ("определение срыва", "stall detection")
Плавный пуск шаговых двигателей
Снижение тока фаз при простое

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 описание 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).

Начнем с самых распространенных:

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.

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

Функция подавления 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 отдельных случаях вал просто может остановиться. Функция подавления резонанса - помогает уменьшить негативный эффект резонанса. Этой функцией оснащены на самом деле очень мало драйверов шаговых двигателей, самые известные примеры - это драйверы Leadshine серий DM, AM и EM и драйверы Geckodrive. 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, в качестве которой может быть использовано смещение импульсов во времени. 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 фукнции уже может быть неприятно. Следует упомянуть, что алгоритмы подавления резонанса в блоках управления Geckodrive, Yako и Purelogic - автоматические, причем подогнаны под конкретные типоразмеры двигателей, а в блоках управления Leadshine - полностью настраиваемые с помощью специальной программы, что делает решение от Leadshine более гибким, но чуть более сложным 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. Практическое её значение под большим сомнением, так как при тестировании драйверов G203 и PLD86, оснащенных данной функцией, и драйвера Leadshine AM882 без таковой, драйвер AM882 показал больший крутящий момент на всех частотах вращения(тестирование проводилось на одном и том же стабилизированном источнике питания, с напряжением питания 50 В, частота вращения задавалась цифровым генератором прямоугольных импульсов). Поэтому мы рекомендуем не принимать во внимание данную функцию при выборе драйвера.

Определение остановки вала ("определение срыва", "stall detection")

Функция, присутствующая на текущий момент только в драйверах Leadshine серий AM и EM. Суть её в том, что драйвер способен определить момент, когда вал двигателя аварийно остановился - по причине заклинивания механической части или иным причинам. Это явление происходит с шаговыми двигателями на высоких скоростях вращения, и свидетельствует о слишком высоких заданных скоростях или ускорениях, малом напряжении питания, подклинивании в механической части. Используя закрытые алгоритмы, драйвер определяет этот момент и мгновенно подает сигнал ошибки на выход. В случае, когда на оси X станка стоят 2 приводных винта, и при холостом перегоне большого портала из одного конца в другой, например, при занулении станка, "срыв" одного из них приведет к тому, что второй винт будет продолжать перемещаться, и может возникнуть перекос. Заведя выход ошибки с драйвера на вход E-stop или иной аналогичный вход контроллера, можно добиться того, что весь станок остановится вслед за одним из двигателей. Такой подход также может спасти несколько заготовок - "срыв" двигателя во время обработки весьма пагубно скажется на обрабатываемой детали, если драйвера не оснащены такой функцией. Подобная функция свидетельствует о весьма интеллектуальной прошивке драйвера, и, не являясь строго необходимой, тем не менее, добавляет полезный функционал шаговым приводам.

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 наверняка благотворно сказывается на механике. Но как-то замерить или даже заметить результат её работы на механике вряд ли удастся - включаете Вы драйвер вряд ли чаще, чем 2-3 раза в день, а обычно - 1 раз, в начале работы. Этого слишком мало для проявления существенных преимуществ функции, она скорее относится к разряду "косметических".