Микрошаговое управление приводом шаговых двигателей

Обзор

При работе шагового двигателя на низкой скорости ротор склонен многократно колебаться вблизи положения равновесия при переключении фаз из-за скоростного удара и инерции. Эти колебания снижают точность движения и создают значительный шум.

Для решения этой проблемы применяются два основных подхода:

1. Увеличение числа фаз двигателя для уменьшения углового перемещения ротора при каждом переходе между шагами.
2. Применение микрошагового управления приводом — метод, впервые предложенный в середине 1970-х годов и с тех пор получивший широкое распространение. Микрошаговый режим эффективно уменьшает угол шага двигателя, повышает стабильность работы и увеличивает гибкость управления.

Что такое микрошаговый режим?

Микрошаговый режим — это метод управления приводом, при котором собственный полный угол шага двигателя делится на ряд более мелких промежуточных шагов. Это реализуется полностью в драйвере путём точного управления фазными токами шагового двигателя и не зависит от конструктивных особенностей самого двигателя.

Принцип работы микрошагового режима

При обычном полношаговом управлении ток в запитанной фазе статора мгновенно возрастает до номинального значения, а ток в отключаемой фазе столь же резко падает до нуля, формируя приблизительно прямоугольную форму волны тока.

При микрошаговом управлении фазные токи изменяются плавно, а не переключаются скачкообразно. Форма волны тока обмотки становится N-уровневой приближённой ступенчатой волной вместо прямоугольной. Результирующее магнитное поле, создаваемое токами обмоток статора, формирует N новых положений равновесия для ротора в пределах каждого полного шага, что эффективно образует N микрошагов.

Преимущества микрошагового режима

Технология микрошагового управления является предметом обширных исследований по всему миру. Современные высокопроизводительные микрошаговые драйверы способны обеспечивать уровни микрошага в тысячи и более. Передовые алгоритмы управления током теперь обеспечивают высокую равномерность углов микрошагов, что даёт ряд ключевых преимуществ:

• Значительное повышение разрешения шага шагового двигателя.
• Уменьшение или полное устранение низкочастотных вибраций.
• Снижение слышимого шума.
• Более плавный выходной момент с уменьшением пульсаций момента.

Эти улучшения придают шаговым двигателям характеристики, более близкие к серводвигателям.

Точность микрошага и разрешение

При использовании микрошагового режима важно различать разрешение шага и фактическую точность позиционирования.

Микрошаговый режим по своей сути является методом электронного демпфирования. Его основная цель — уменьшение или устранение низкочастотных вибраций, присущих шаговым двигателям. Повышение точности позиционирования является вторичным преимуществом микрошаговой технологии.

Хотя микрошаговый режим увеличивает разрешение каждого командного импульса, приближается ли фактическая точность движения двигателя к этому разрешению, зависит от ряда факторов, прежде всего от точности управления током микрошагового драйвера. Точность драйверов существенно различается у разных производителей, и более высокие уровни микрошага по своей природе сложнее контролировать с высокой точностью.

Истинный микрошаговый режим и сглаживание тока

Истинный микрошаговый режим предъявляет высокие технические и производственные требования к драйверу и, соответственно, имеет более высокую стоимость. Некоторые драйверы вместо подлинного микрошагового управления фазными токами двигателя используют сглаживание тока. Такой подход иногда называют псевдомикрошаговым режимом.

Ключевые различия:

Следует отметить, что истинный микрошаговый режим не увеличивает номинальный удерживающий момент двигателя. Однако, поскольку он снижает вибрации и связанные с ними потери энергии, эффективный полезный момент, передаваемый на нагрузку, может незначительно возрасти по сравнению с полношаговым режимом работы.