Особенности и преимущества цифровых драйверов шаговых двигателей
В этой статье на примере цифровых драйверов Leadshine рассматриваются особенности цифровых драйверов шаговых двигателей, их функции и преимущества, в сравнении с обычными драйверами.
В отличие от обычных драйверов, имеющих на борту простой микроконтроллер, или вовсе без такового, цифровые драйвера имеют полноценный цифровой сигнальный процессор, обеспечивающий широкий набор функций управления, настроек и контроля.
Рис. 1. Цифровой драйвер Leadshine DM556.
Преимущества цифровых драйверов Leadshine над обычными драйверами:
- Набор функций для борьбы с резонансом;
- Автоматическое определение параметров подключенного двигателя, и выставление оптимальных настроек для него;
- Микрошаг до 102400 имп/об;
- Автоматическое регулировании тока удержания;
- ПИ-регулятор для контроля тока обмоток;
- Максимальная входная частота до 200кГц;
- Поддержка режимов работы PUL/DIR и CW/CCW;
- Возможность тонкой настройки с персонального компьютера;
- Возможность тестирования работы двигателя в отсутствие внешнего источника импульсов, благодаря встроенному генератору.
Рассмотрим подробнее особенности цифровых драйверов, и возможности их использования в реальных ситуациях.
При подключении нового двигателя к цифровому драйверу, последний автоматически определяет параметры двигателя, устанавливая необходимый максимальный рабочий ток. Эта функция очень полезна в тех случаях, когда под рукой нет спецификаций на подключаемый двигатель, и его рабочий ток неизвестен. Однако, выставить максимальный ток двигателя можно и принудительно, с помощью переключателей на драйвере, либо конфигурированием с компьютера посредством программы ProTuner. Выбор режима конфигурирования тока (переключатели или компьютер) осуществляется переключателями SW1, SW2, SW3. Когда эти переключатели находятся в положении «OFF», «работают» настройки, выставленные с компьютера. Иное их положение задает максимальный ток двигателя в зависимости от того, какой переключатель в каком положении находится, при этом настройки с компьютера игнорируются.
Что касается режима микрошага, то конечно же, он не выбирается автоматически. Его конфигурация производится вручную, либо с помощью переключателей, либо с компьютера через программу ProTuner. Алгоритм аналогичен установкам тока. Переключатели SW5 – SW8, в установленном положении «ON», определяют конфигурирование с компьютера; любое иное положение этих переключателей задает микрошаг в соответствии с тем, какой переключатель в каком положении находится, при этом настройки с компьютера игнорируются.
Вообще, конфигурирование тока и микрошага с помощью компьютера оказывается очень удобным в тех случаях, когда физический доступ пользователя к драйверу ограничен.
Также компьютер дает возможность провести тонкую настройку иных параметров, конфигурирование которых в обычных драйверах даже не предусмотрено.
Например настройка коэффициента пропорциональности и постоянной времени интегрирования для встроенного ПИ-регулятора тока. При использовании обычного драйвера, вы не можете быть точно уверены в том, что реальный рабочий ток двигателя соответствует установленному. Он может быть больше установленного – в этом случае происходит избыточный нагрев двигателя, потери мощности, ввиду возросшего сопротивления. Ток может быть также меньше установленного – в этом случае двигатель не будет развивать заявленного крутящего момента. Эти отклонения тока от заданного значения невелики, однако они возможны.
Возможны потому, что большинство обычных драйверов имеют схемотехнику пропорционального регулирования тока. Как известно из теории автоматического регулирования, при использовании только пропорциональной составляющей, неизбежна остаточная неравномерность, при которой реальное значение будет меньше заданного. При достаточно большом коэффициенте пропорциональности, остаточной неравномерности не будет, однако возникнут незатухающие колебания, приводящие к тому, что реальное значение тока будет то больше, то меньше заданного.
Цифровые драйвера Leadshine имеют встроенный пропорционально-интегральный регулятор. Интегральная составляющая позволяет убирать остаточную неравномерность при заданном коэффициенте пропорциональности, исключающем возможность автоколебаний. ProTuner позволяет не только менять эти коэффициенты, но и просматривать реальные значения тока и его отклонения от заданного значения с помощью графиков.
Рис. 2. Постоянная времени интегрирования Ki равна 0, то есть выключена. На графике видно, что при этом реальное значение тока двигателя меньше установленного. Крутящий момент при этом меньше паспортного значения.
Рис. 3. При правильно подобранных настройках регулятора реальное значение тока двигателя равно заданному. Крутящий момент соответствует паспортному значению.
Ещё одной важной возможностью, реализуемой с помощью программы ProTuner, является борьба с резонансом. Как известно, существует три области резонансных частот шагового двигателя, каждая из которых имеет свою природу: низкочастотная, среднечастотная, высокочастотная. Теоретическое определение резонансной частоты любой области является очень трудоемким делом, и, как правило, эти никто не занимается. Работа строится по принципу «авось пронесёт», и если вдруг «не проносит», то уже в этом случае начинают приниматься какие-то меры, например увеличивают момент инерции нагрузки, ставят демпфирующие муфты, и т.д.
ProTuner позволяет выявлять резонансные частоты еще на стадии наладки, и устранять резонанс. Это производится с помощью внутреннего генератора импульсов цифрового драйвера Leadshine.
Рис. 4. В верхней части настройки микрошага, тока и режима работы. В средней части антирезонансные настройки. В нижней части окна производится управления встроенным генератором импульсов.
Двигатель с нагрузкой (именно с рабочей нагрузкой!) подключается к драйверу, далее, как видно из рисунка 4, можно плавно менять частоту генератора, и пройти весь диапазон частоты вращения вала двигателя. При этом можно физически наблюдать, при какой частоте генератора возникает резонанс двигателя, после чего в соответствующей резонансной области пользователь меняет значения «Amp» и «Phase», подбирая их опытным путём, вплоть до устранения резонанса.
Как видим, цифровой драйвер в большинстве случаев оказывается предпочтительнее обычного, несмотря на чуть более высокую цену, так как взамен пользователь получает множество функций, которые невозможны на обычных аналоговых драйверах.
