Как контроллер микрошагов обеспечивает более плавное движение шагового электродвигателя?

Микрошаговый режим — это значительный прогресс в технологии шаговых двигателей, представленный много лет назад, который позволяет электродвигателям совершать более точные «шаги в движении». Управляя текущим вектором, микрошаговый режим (микрошаг) создает очень хорошие разрешения шага. Меньший размер шага приводит к более точному позиционированию. Это также уменьшает пульсацию крутящего момента, обеспечивая более плавное движение, меньшую вибрацию и слышимый шум. Многие приложения извлекают выгоду из микрошага, такие как 3D-принтеры, которые дают возможность создавать более утонченные детали и более гладкие поверхности, а также более тихие медицинские приборы.

В свое время полный шаг был единственным доступным способом управления шаговым двигателем. Самые ранние приводы шаговых двигателей были операциями полного шага, использующими простую логику, которая привела к менее дорогой приводной электронике. Полный шаг также позволил использовать самый простой драйвер: драйвер L-R. Он использовал переключатели и сопротивление обмотки (или внешний силовой резистор) для контроля фазных токов. Драйвер L-R обеспечивает только два значения тока (плюс и минус) в каждой обмотке и обеспечивает очень низкую мощность на валу.

Драйвер L-R работает хорошо для таких применений, как печатающая головка в принтере и других приложений с низкой скоростью. Тем не менее, крутящий момент в системе L-R драйвера резко падает с увеличением скорости, что делает его нежелательным для большинства современных приложений автоматизации. Без мощного высокоскоростного крутящего момента режим управления L-R неэффективен и ограничен для использования в условиях низкой скорости и малой мощности.

На рисунке ниже показаны кривые зависимости крутящего момента от рабочего тока шагового двигателя, приводимого в движение полным шагом. Полный шаг двигателя позволяет применять только полный ток к обмоткам двигателя, поэтому результирующие кривые крутящего момента фиксируются на 90 градусов. Кроме того, это вызывает резкое изменение крутящего момента при вращении вала двигателя, также известное как пульсация крутящего момента. Пульсация крутящего момента создает резкое движение и слышимый шум. Уравнения, управляющие крутящим моментом для каждой фазы:

Уравнения управляющие крутящим моментом для каждой фазы шагового двигателя
Удерживающий крутящий момент представляет собой величину доступного крутящего момента, 
чтобы удерживать вал двигателя в требуемом положении. 
Если внешняя сила превышает удерживающий момент, вал двигателя переместится в другое положение, обычно на 7,2 градуса 
от предполагаемой позиции. 
Крутящий момент - это величина доступного крутящего момента для ускорения инерционной нагрузки или для преодоления трения 
при движении двигателя

Преимущества микрошагов

В современных электроприводах с шаговыми электродвигателями используются ШИМ-усилители с переключаемым режимом для управления токами обмоток, а также гораздо более сложная логика (встроенные процессоры), обеспечивающие микрошаг. Прогресс в обработке и измерении шагов позволяет разделить типичный гибридный шаговый двигатель на 1,8 градуса. Полные шаги двигателя преобразовывают в гораздо меньшие (рисунок ниже). При делении каждого полного шага на 10 микрошагов эта формула будет определять первый микрошаг после фазы А:

При делении каждого полного шага на 10 микрошагов эта формула будет определять первый микрошаг после фазы А
Эта диаграмма иллюстрирует, что векторы крутящего момента на микрошаге расположены намного ближе,
чем векторы на полных шагах. Это может быть использовано для достижения более плавного движения и точного позиционирования

Магия микрошагов заключается в более точном контроле тока в каждой обмотке и, тем самым, в более точном контроле момента и положения. Приложения выигрывают от меньшего количества вибрации и шума. Практически любой современный гибридный шаговый двигатель может извлечь выгоду из микрошагов, поскольку их конструкции позволяют оптимизировать магнитные элементы для синусоидальной кривой крутящего момента в зависимости от угла.

Эмуляция Microstep имитирует микрошаг для низкочастотных систем индексации

Многие схемы индексации (такие как низкочастотный выход в ПЛК) не могут обеспечить достаточный уровень высокочастотных сигналов для микрошаговых электродвигателей. В этих случаях применение микрошагов может резко снизить максимальную скорость двигателя. Кроме того, многие машины спроектированы на основе грубых указателей разрешения (ограниченных разрешением на шаг или на полшага), что делает нецелесообразным переход на режим микрошагов.

Microstep Emulation поддерживает искусственный микрошаг в достижении плавности на малой скорости и быстродействия. Процесс принимает сигналы полного шага от индексатора и синтезирует заданное движение, используя собственные внутренние микрошаги высокого разрешения привода. Этот высокоскоростной процесс «фиксирует» входящую последовательность шагов и следует за ней плавными микрошагами. Плавность движения может быть почти такой же хорошей, как и при реальном микрошаге. Тем не менее, окончательная позиция будет не такой точной, как при использовании микрошагов, так как она состоит из нескольких полных шагов (рисунок ниже).

Драйвер в цифровом виде делит каждый входящий полный шаг на несколько микрошагов. 
Общее пройденное расстояние такое же, но пульсация крутящего момента уменьшается за счет использования векторов крутящего момента, 
которые расположены ближе друг к другу.

Производители машин должны рассмотреть эмуляцию микрошагов, если скорость контроллера ограничена полными шагами. Если контроллер может обеспечить большую частоту импульсов, необходимую для микрошагования, то привод должен быть настроен на микрошаг.

Преимущества микроперехода по сравнению с полным пошаговым режимом многочисленны, включая более точное управление положением и крутящим моментом, меньшую вибрацию и менее слышимый шум. Хотя эти преимущества полезны для всех применений шаговых двигателей, они особенно полезны в точных приложениях, таких как 3D-печать, сканирование изображений, позиционирование камеры или датчика, прецизионная сборка и многое другое.

Приложения с контроллерами, которые не поддерживают высокочастотные импульсные сигналы, могут по-прежнему использовать преимущества микрошагов, используя специальные драйвера, которые предлагают эмуляцию микрошагов. Высокоскоростные приложения могут работать с двигателями, поддерживающими только полный шаг. Тем не менее, риск ниже, а производительность лучше при использовании микрошагового режима или эмуляции Microstep. Ваш источник двигателя / драйвера должен предлагать возможности для упрощения процесса движения.

Для инженеров доступны онлайн-калькуляторы, которые помогают определить, какой должна быть эмуляция микрошагов. Есть два способа, которыми приводы могут включить функцию эмуляции Microstep в своих двигателях:

  1. Шаговые драйверы и встроенные степперы оснащены встроенными микропереключателями. Операторы выбирают настройки DIP-переключателей 200 SMOOTH (полный шаг с эмуляцией Microstep) или 400 SMOOTH (полный шаг с эмуляцией Microstep).
  2. С помощью программного обеспечения ST Configurator операторы могут настроить значение фильтра сглаживания шага в диалоговом окне «Управление движением> Импульс и направление» (скриншот). Чем ниже значение ступенчатого фильтра сглаживания, тем больше влияние эмуляции микрошагов. Чем ниже значение, тем больше синтетических микрошагов вводится в командное движение. Например, значение фильтра сглаживания шага в 10 Гц будет генерировать чрезвычайно плавное движение, в то время как значение 1000 Гц или выше эквивалентно работе двигателя с исходным, низкочастотным разрешением шага.
Специализированное программное обеспечение позволяет задавать количество микрошагов на полный шаг двигателя

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *