Содержание
- Назначение и принцип работы,
- Разновидности и сравнительные характеристики,
- Применение драйверов шаговых двигателей,
- Вывод,
- FAQ.
Назначение и принцип работы
Шаговый двигатель, если очень упрощенно, представляет из себя мотор с ротором, в котором закреплен постоянный магнит, и статором с несколькими обмотками электромагнитов. Постоянный магнит поворачивает ротор в соответствии с магнитным полем, создаваемым постоянным током в статоре, таким образом подавая ток импульсами на обмотки в определенном порядке и полярности, можно добиться вращения магнитного поля, а за ним и ротора в нужную сторону с нужной скоростью.
Пример шагов работы биполярного шагового двигателя:
Управлять включением магнитов можно непосредственно командами микроконтроллера. Слаботочные шаговые двигатели работают напрямую от пинов или при помощи сдвиговых регистров, для мощных и высоковольтных потребуется собрать довольно сложный силовой H-мост для двух катушек и открывать сигналами попарно те или транзисторы.
Все бы ничего, но у этого подхода есть несколько недостатков. Потребуется Н-мост с точно расчитанными параметрами, TTL-транзисторами, защитой от индукции и прочими инженерными решениями. Для управления одним мотором нужно минимум четыре пина, если мотор биполярный на две обмотки. У 3D-принтера, как известно, минимум 4 шаговика, а значит поиск 16 свободных пинов может стать проблемой. Из первого вытекает второй недостаток - повышенная нагрузка на вычислительный ресурс, который на принтерах и так задействован на полную.
Вот была бы возможность лишь указывать двигателю когда и в какой момент делать шаг. Такую возможность предоставляет герой нашей статьи - драйвер шагового двигателя.
Драйвер шагового двигателя - электронное устройство, которое управляет обмотками двигателя, руководствуясь командами от микроконтроллера. Конструктивно драйвер может быть выполнен по-разному, однако у любого есть несколько обязательных элементов. Вход: два сигнала, DIR - направление и PUL - команда на выполнение шага, выход: два контакта на одну катушку, называемую ”А”, и два на вторую - “B”. Что происходит внутри драйвера - великая тайна, покрытая разработчиками, но на выходе мы получаем то, что нам и нужно - импульсы питания на обмотки мотора.
В остальном у различных драйверов могут быть отличия, и серьезные, например, по допустимым напряжениям и силе тока. Самые простые варианты драйверов не имеют настроек и работают по минимальному алгоритму, вроде того, что показан на первой картинке: обмотки включаются, поочередно меняя полярности. При этом вращение происходит рывками, шумно, но самое главное, не обеспечивается максимальный крутящий момент.
Для более мощного и плавного вращения мотор работает так называемыми “полушагами”. Между основными положениями появляются промежуточные, когда обе обмотки в правильном порядке включаются одновременно.
Возможны и более сложные варианты, при которых на пары обмоток подается напряжение различного уровня, тем самым разделяя полушаг еще на несколько градаций. Осциллограмма “многошаговой” работы гораздо сложнее и представляет собой четыре ломаных причудливым образом ступенчатых линии. Алгоритмы сигналов отличаются у разных производителей, есть более успешные, есть поменьше. Но одно точно, чем больше градаций шага, называемых “микрошагов”, тем плавнее и тише работает двигатель. Обеспечить двигатель полушагами и микрошагами тоже входит в задачу драйвера, контроллеру за этим следить не надо. Учитывая, что таких градаций может быть до 256 на каждый шаг, можно сделать вывод, что драйверы облегчают работу контроллеру в десятки и сотни раз, при этом обеспечивая плавное и непрерывное управление двигателем.
Некоторые драйверы способны и на дополнительные трюки, например, регулирование мощности тока в зависимости от нагрузки на ротор, что обеспечивает экономию энергии и уменьшает нагрев драйвера и двигателя, а также прочие полезные и не очень вещи.
Часть драйверов изначально строго придерживается одного единственного алгоритма работы, другая способна менять параметры: мощность, количество полушагов и прочие настройки программными командами или аппаратными переключателями.
Поговорим о возможностях и отличиях существующих драйверов более подробно.
Разновидности и сравнительные характеристики
Драйверов шаговых двигателей, как и самих шаговых двигателей выпускается великое множество. Отличаются они как конструктивно, так и по характеристикам, возможностям и, разумеется, цене. Мы рассмотрим варианты, назначением приближенные к DIY-ЧПУ, особенно к 3D-принтерам.
Корпусные драйверы
типа DM422, DM542, DM556, DM860, TMC2160 и так далее, подобных моделей очень много.
Главным отличием, как нетрудно догадаться, является корпусное исполнение, что дает ряд преимуществ, как то - большая площадь охлаждения, удобные вводы-выводы, разъемы управления и наглядная настройка переключателями. Рассчитаны на большие токи и длительные высоконагруженные режимы работы. Часто используются на “больших”, достаточно мощных ЧПУ, типа токарных и фрезерных станков, манипуляторов, систем автоматизации производства и прочих подобных механизмах.
Большая часть настроек выполняется при помощи комбинации джамперов, согласно таблицы на корпусе, иные модели дополнительно “тонко” настраиваются через интерфейсы RS232, UART и т.п., что позволяет использовать их в широком диапазоне применений. В зависимости от сложности и цены оснащаются дополнительными функциями, такими как компенсация резонанса, защита от короткого замыкания обмоток, обратной ЭДС, режим удержания ротора шагового двигателя и так далее.
Цена разных моделей варьируется очень сильно - от полутора тысяч до десятков тысяч рублей, при выборе обязательно следует учитывать, насколько мощный нужен драйвер для вашей задачи и какие дополнительные свойства и функции ему обязательно нужны.
Корпусные драйвера, безусловно, лучший выбор, если размер и цена не имеет значения, большинство же 3D-принтеров себе такого подкапотного пространства позволить не может, поэтому для них создаются специализированные компактные устройства.
A4988
. Пожалуй, самая дешевая, но и одна из самых надежный версий драйвера для принтера. Ток двигателя до 2 А регулируется подстроечным резистором, режим дробления шага от 1 до 1/16 перемычками. Есть защита от КЗ, перенапряжения, перегрузки и перегрева. В комплекте идет алюминиевый радиатор. То есть драйвер, своего рода аналог автомата Калашникова - прост, надежен, дешев. Есть недостаток - очень шумный, если принтер стоит у вас дома, забудьте о сне, отдыхе и умственном труде в его присутствии. Для принтера, размещенного в гараже, мастерской или на производстве, выбор отличный.
DRV8825
. Из положительных отличий от A4988 - более мелкий режим дробления шага, до 1/32, чуть более мощный, до 2,2 А. В остальном хуже, причем серьезно. Работает чрезвычайно громко, иногда нестабильно, на высоких скоростях и нагрузках частенько пропускает шаги, к тому же вдвое дороже предыдущего. К покупке не рекомендуется, к эксплуатации тем более.
LV8729
. Вполне удачная модель драйвера. Дробление шага аж до 1/128, тихая работа и высокая стабильность. Отлично подходит для шаговиков NEMA 17. Единственный минус - относительно невысокая мощность, до 1,5 А, однако для большинства бытовых принтеров этого более чем достаточно, особенно если речь идет об управлении оси Z или подачи филамента. Цена сравнима с DRV8825, при несравнимо более высоком качестве.
ST820
. Мощный гигант по заявлению производителя - до 6,8 А тока на обмотки, однако, в реальности тянет не более 1,5 А. Зачем было так перехваливать непонятно. По тем же заявлениям, дробит шаг на 256 микрошагов, но и это вызывает сомнения. В целом средний во всем, и по возможностям, и по характеристикам, и по шуму, и по цене драйвер. Зачем-то инвертирован канал Enable. Стопроцентной стабильностью похвастаться не может, некоторые режимы даются с трудом. Цена средняя. В целом, к эксплуатации не советуем.
S6128 (SD6128)
. Микрошаг до 1/128, сила тока до 2,2 А, тихим не назвать, но и не воет на всю квартиру как DRV8825. Цена средняя. Не выделяется ни в чем, ни в лучшую, ни в худшую сторону. В целом, вполне рабочий вариант для офисного или учебного принтера.
TMC2100, TMC2130, TMC2208
. Серия похожих драйверов с небольшими отличиями по характеристикам. На данный момент это, пожалуй, самые совершенные драйвера для 3D-принтера. Стандартно шаг делится на 16, но командой по UART или SPI можно разбить его до 256 частей. Дробление происходит по фирменной технологии stealthChop, что позволяет драйверам работать чрезвычайно плавно и тихо. Поддерживаемый ток до 2 А у TMC2208 и до 2,5 А для остальных, что является неплохим показателем. Динамическое изменение тока в зависимости от нагрузки не дает чипу перегреваться без нужды, при этом обеспечивая высокий крутящий и удерживающий момент. Несмотря на чуть более высокую цену, категорически рекомендуются к покупке и эксплуатации, если вы цените тишину, качество и надежность.
Есть еще несколько моделей, как устаревших, так и экзотических, но останавливаться на них мы уже не будем, так как уже определились с оптимальным вариантом -
TMC2208
.
Применение драйверов шаговых двигателей
Как уже было сказано выше, шаговым двигателем можно крутить и без драйвера вовсе, однако это недорогое устройство максимально упрощает процесс подключения и управления, обеспечивает удобство и безопасность, делает работу плавнее и увеличивает крутящий момент, радикально снижает нагрузку на вычислительные мощности контроллера и количество задействованных пинов, что делает его присутствие на современном ЧПУ не просто желательным, но уже и обязательным.
Драйвер следует выбирать индивидуально под каждый проект. Если речь о 3D-принтере, то большое значение имеет совместимость с материнской платой и требования установленных шаговых двигателей, в первую очередь по току и вольтажу. Немаловажная характеристика, особенно для домашнего принтера, плавность и тишина работы, мало кто сможет терпеть часами воющую и жужжащую коробку, выдающую волнистые изделия. Разность в цене, в данном случае, не имеет большого значения, сомнительная экономия не стоит потери надежности, комфорта и качества.
Что касается мощных станков ЧПУ, выбирать следует из корпусных драйверов. Они представлены широким диапазоном моделей под любые нагрузки и задачи.
Вывод
Драйвер шагового двигателя - удобный, а зачастую и вовсе необходимый элемент современных станков ЧПУ, к которым относятся и наши любимые 3D-принтеры. В точной механической технике нет незначительных деталей, все звенья оказывают влияние на конечный результат, а значит стоит уделять внимание даже таким “мелочам”.
Для 3D-принтеров любительского и полупрофессионального уровня мы нашли лучший универсальный драйвер, победителем стал TMC2208, для задач посложнее выбирать придется самостоятельно, руководствуясь здравым смыслом, разумной достаточностью и бюджетом проекта.
Уметь правильно выбрать, подключить и настроить подходящие драйвера к своему шаговому двигателю должен каждый уважающий себя DIY-мастер.
FAQ
У меня в принтере установлены “шумные” драйвера, могу ли я сделать апгрейд, заменив их на более современные и тихие?
Зависит от материнской платы принтера. Не на всех платах драйвера съемные, но даже если так, следует сперва убедиться в соответствии распайки ножек нового со старым драйвером и не забыть отрегулировать силу тока. Большинство современных плат, даже на бюджетных принтерах, позволяют безболезненно менять драйвера на более совершенные. Второй, менее бюджетный вариант - поменять материнскую плату целиком с установленными современными драйверами или на подходящую для их установки.
Что будет, если установить слишком низкий или слишком высокий уровень силы тока на драйвере?
В первом случае возможны пропуски шагов, а значит, возможно и возникновение дефектов печати. Во втором перегрев драйвера и двигателя, снижение ресурса и повышение вероятности их преждевременного выхода из строя.
Есть ли смысл в “улучшайзерах” драйверов, так называемых TL-Smoother-ах?
Это предмет холивара, длящегося не один год. Мнения диаметральные, от полного восторга до глубокого разочарования. Мы не будем пока однозначно вставать на ту или иную сторону, но есть мнение, что чудотворность смуферов сильно зависит от имеющихся драйверов, двигателей и даже блоков питания. Качественные компоненты уже снабжены системами защиты от обратных токов, провалов питания и прочих дребезгов, а на дешевых и “уставших” данные приспособления вполне могут показывать повышение качества из совсем плохого в просто плохое. В любом случае, стоимость улучшайзеров небольшая, попробовать можно.
Иногда советуют модернизировать только приводы Х и Y, почему?
Потому что они выполняют 90% всей работы. По оси Z движение происходит гораздо реже и медленнее, подача прутка тоже не отличается огромными скоростями, если нет возможности обновить все драйверы, можно ограничиться этими двумя, разница в лучшую сторону уже будет ощутимой. Разумеется, это касается принтеров с классической кинематикой, на “дельтах” все три привода имеют одинаковое значение и апгрейдиться должны одновременно.
