Насколько точен микрошаг на самом деле?

Шаговые двигатели делят полный оборот на сотни отдельных шагов, что делает их идеальными для точного управления движениями, будь то автомобили, роботы, 3D-принтеры или станки с ЧПУ. Большинство шаговых двигателей, с которыми вы столкнетесь в проектах DIY, 3D-принтерах и небольших станках с ЧПУ, представляют собой биполярные двухфазные гибридные шаговые двигатели, либо с 200, либо — в варианте с высоким разрешением — с 400 шагами на оборот. В результате получается угол шага 1,8°, соответственно 0,9°.

В каком-то смысле шаги — это пиксели движения, и зачастую заданного физического разрешения недостаточно. Жесткое переключение катушек шагового двигателя в полношаговом режиме (волновой привод) приводит к перескакиванию двигателя с одного шагового положения на другое, что приводит к перерегулированию, пульсациям крутящего момента и вибрациям. Также мы хотим увеличить разрешение шагового двигателя для более точного позиционирования. Современные драйверы шаговых двигателей используют микрошаговый метод управления, который сжимает произвольное количество микрошагов в каждый полный шаг шагового двигателя, что заметно снижает вибрации и (предположительно) увеличивает разрешение и точность шагового двигателя.

С одной стороны, микрошаги — это действительно шаги, которые шаговый двигатель может физически выполнить даже под нагрузкой. С другой стороны, они обычно не повышают точность позиционирования шагового двигателя. Микрошаг обязательно вызовет путаницу. Эта статья посвящена тому, чтобы немного прояснить этот вопрос, и — поскольку это очень зависит от драйвера — я также сравню возможности микрошага широко используемых драйверов двигателей A4988, DRV8825 и TB6560AHQ.

В гибридном шаговом двигателе драйвер двигателя с микрошаговым режимом регулирует ток в катушках статора, чтобы расположить ротор с постоянными магнитами в промежуточном положении между двумя последующими полными шагами. Затем полный шаг делится на несколько микрошагов, и каждый микрошаг достигается за счет двух токов катушки.

Многие старые драйверы промышленных двигателей имеют только 4 микрошага (четвертьшаговый режим), но сегодня обычно встречаются 16, 32 и даже 256 микрошагов на полный шаг. Если раньше у нас был шаговый двигатель со скоростью 200 шагов на оборот, то теперь у нас есть чудо со скоростью 51 200 шагов на оборот. В теории.

На практике мы по-прежнему имеем дело с драйверами с разомкнутым контуром, что означает, что драйвер двигателя не знает точного углового положения вала двигателя и не корректирует отклонения. Трение, собственный стопорный момент двигателя и, что самое поразительное, внешняя нагрузка, действующая на ротор, останутся незамеченными водителем. Не замыкая контур с помощью энкодера и более сложного специального драйвера, лучшее, что мы можем предположить, это то, что двигатель будет где-то на ± 2 полных шага (да, это плохо) около своего целевого положения, которое представляет собой максимальное отклонение перед ротором. защелкивается в неправильном положении полного шага, что приводит к потере шага.

Прирост крутящего момента от одного микрошага к другому составляет, согласно беспощадной тригонометрии, лишь часть динамического крутящего момента двигателя. Чтобы гарантировать, что вал двигателя действительно устанавливается в пределах +/- 1 микрошага, нам необходимо также соответствующим образом уменьшить нагрузку. Превышение этого меньшего возрастающего крутящего момента не приведет к потере шага, но вызовет ту же абсолютную ошибку позиционирования, составляющую до ± 2 полных шагов. В таблице ниже показаны разрушительные отношения.

Источник: Техническое примечание по шаговым двигателям: Мифы и реальность микрошагов от Micromo.

Хорошей новостью является то, что до тех пор, пока мы используем достаточно мощный драйвер двигателя и если мы не превысим этот приращенный крутящий момент, будь то из-за внешней нагрузки или внутренней инерции двигателя, единственным теоретическим пределом для достижения микрошаговой точности позиционирования является внутреннее трение двигателя и стопорный момент. Эти значения сильно зависят от типа двигателя, но обычно являются довольно низкими (почти незначительными). Например, двигатель, использованный в следующем тесте, имеет фиксирующий момент 200 г·см. Это всего лишь 5% от удерживающего момента в 4000 г·см. Согласно приведенной выше таблице, этот двигатель должен обеспечивать точное позиционирование с точностью до 16 микрошагов на полный шаг привода.