ПОЛЕЗНО Шаговые двигатели, характеристики. Драйверы шаговых двигателей, разновидности, настройка.

[Alsan]

На форуме периодически всплывают вопросы о драйверах шаговых двигателей и их настройке. Решил разобраться с этим делом для себя, возможно кому-нибудь также пригодится.

Для начала разновидности двигателей Nema17.

17HS4401 ток 1,7A – обычные
17HS8401 ток 1,8А – более мощные
17HS4402 ток 1,3A – по некоторым сведениям менее шумные, чем 17HS4401



Nema17BH 42BHM(42BYG) - в архиве: Nema17 - (описание и параметры разновидностей ШД)

(здесь важен ток двигателя, для дальнейших расчетов).


А4988
Встречаются варианты разного цвета.

Поэтому нужно обращать внимание не на цвет, а на микросхему драйвера.

Схема и распиновка:


Характеристики А4988
Напряжения питания логической части: 3-5,5 В
Напряжения питания силовой части: 8-35 В
Максимальный ток без дополнительного охлаждения: 1 А
Максимальный ток с дополнительным охлаждением: 2 А
Дробление шага: 1, 1/2, 1/4, 1/8, 1/16
Защита от перегрузок и перегрева

Назначение контактов драйвера A4988
ENABLE – включение/выключение драйвера
MS1, MS2, MS3 – контакты для установки микрошага
RESET - cброс микросхемы
STEP - генерация импульсов для движения двигателей (каждый импульс – шаг), можно регулировать скорость двигателя
DIR – установка направление вращения
VMOT – питание для двигателя (8 – 35 В)
GND – общий
2B, 2A, 1A, 1B – для подключения обмоток двигателя
VDD – питание микросхемы (3.5 –5В)

Значение микрошага устанавливается комбинацией сигналов на входах MS1, MS2, и MS3. Есть пять вариантов дробления шага.
MS1 MS1 MS1 Дробление шага
0 0 0 1
1 0 0 1/2
0 1 0 1/4
1 1 0 1/8
1 1 1 1/16

Для работы в режиме микрошага необходим слабый ток. На модуле A4988 поддерживает тока можно ограничить находящимся на плате потенциометром. Драйвер очень чувствителен к скачкам напряжения по питанию двигателя, поэтому производитель рекомендует устанавливать электролитический конденсатор большой емкости по питанию VMOT для сглаживания скачков. Внимание ! - Подключение или отключение шагового двигателя при включённом драйвере может вывести двигателя и драйвер из строя!!!

Настройка Vref для A4988

Формула Vref для A4988 изменяется от номинала токочувствительных резисторов(Rs). Это два черных прямоугольника на плате драйвера. Обычно подписаны R050(номинал - 0.05 Ом) или R100 (номинал - 0.1 Ом).

Vref = Imax * 8 * (Rs)
Imax — ток двигателя;
Rs — сопротивление резистора. В моем случае Rs = 0,100.

Для 17HS4401 Vref = 1,7 * 8 * 0,100 = 1,36 В.

В связи с тем что рабочий ток двигателя равен 70% от тока удержания. Полученное значение нам нужно умножить на 0,7. В противном случае двигателя в режиме удержания будут сильно греться.

Для 17HS4401 Vref ист. = 1,36*0,7 = 0,952 В.
Обычно Vref ставят ниже, для снижения температуры нагрева шагового двигателя.
Исходя из этого, при длительной работе, на практике можно использовать коэффициент 0,6
Получается для Для 17HS4401, с током 1,7А Vref = 1,7 * 8 * 0,100*0,6=0,816 (0,82)

DRV8825
Плата создана на базе микросхемы компании TI (Texas Instruments Inc.) DRV8825 - биполярном шаговом драйвере двигателя. Расположение выводов и интерфейс модуля почти совпадает с драйвером шагового двигателя Pololu на микросхеме A4988, поэтому DRV8825 может стать высокопроизводительной заменой этой платы во многих приложениях.

Схема:



Характеристики:
шаг:1, 1/2, 1/4, 1/8, 1/16, 1/32.
Регулировка тока на обмотках двигателя, переменным резистором опорного напряжения.
Источника питания для двигателей от 8,2 В до 45 В.
Встроенный регулятор напряжения для логических цепей. Возможность подключения к логике как 3,3 В, так и 5 В.
Защита от перегрева (отключение при нагреве драйвера 150 градусов).
Защита по превышению тока обмоток.
Защита по пониженному напряжению.
Защита от короткого замыкания на землю.
При токе до 1,5 А на обмотку способен работать без радиаторов и дополнительного охлаждения.

Регулировку тока двигателя следует производить выставив переменным резистором опорное наряжение (на выводах 12,13 микросхемы или на "среднем контакте резистора") из расчета 1 к 2, т.е 0,5В соответствует 1А, напряжению 1В соответствует 2А.
Обратите внимание, что переходное отверстие (золотистое) на плате, возле выводов 12,13 не является контактом для проверки опорного напряжения, это линия питания двигателей.

Режим микрошага устанавливается путем подачи "1" на контакты MODE0, MODE1, MODE2. (В случае установки драйвера на RAMPS это перемычки MS1, MS2, MS3)

M0 M1 M2 Режим микрошага
не стоит не стоит не стоит полный
стоит не стоит не стоит 1/2
не стоит стоит не стоит 1/4
стоит стоит не стоит 1/8
не стоит не стоит стоит 1/16
стоит не стоит стоит 1/32
не стоит стоит стоит 1/32
стоит стоит стоит 1/32

DRV8825 расчет Vref
Current Limit = Vref * 2
Vref = Current Limit / 2

Например для шагового двигателя 17HS4401: Vref = 1,7 / 2 = 0,85В

Обычно Vref ставят ниже, для снижения температуры нагрева шагового двигателя.

Детальное описание драйверов А4988 и DRV8825 в архиве А4988_DRV8825.rar

Встречалась информация ,что по умолчанию на драйверах DRV8825 выставлен максимальный ток, поэтому регулировка перед началом работы обязательна:
"По умолчанию у красных A4988 опора стоит в 0.8V это 1A ничего плохого не случится, но у DRV8825 опора выставлена в 1.6V -это максимальный ток, в теории 3.2А, по документации DRV8825 рассчитан максимум на 2.5A(2.2А с обдувом), это может повредить, как двигатель, так и драйвер."

 

[Alsan]

Продолжу.
Драйверы серии TMC2***

TMC2100



TMC2100 - драйвер шагового двигателя, предназначенный для бесшумной или плавной работы за счет интерполяции микрошагов microPlyer. Это означает, что если процессор просит TMC2100 сделать один микрошаг, он делает 16 интерполированных микрошагов на каждый реальный микрошаг. То есть он может сделать 256 микрошагов (16*16) и нет необходимости процессору для вычисления всех 256 микрошагов, драйвер за него это сделает.

Характеристики
Логика совместима с драйвером A4988. Напряжение от 3В до 5В.
Ток до 1,2А (максимально до 2,5А)
Настройки микрошага 1/16 или 1/256
Напряжение для двигателя от 5 до 45В
stealthChop — для бесшумной работы и плавного движения. Чрезвычайно плавное движение является полезным для многих приложений.
spreadCycle — предлагает плавную работу и большую энергетическую эффективность в широком диапазоне скоростей и нагрузок, то есть очень быстрая реакция на изменение скорости и нагрузки двигателя

Чип расположен на нижней части драйвера. Это сделано потому что низ чипа лучше рассеивает тепло. Радиатор нужно устанавливать на печатную плату. Vref регулируется через отверстие в печатной плате.

TMC2208


TMC2208 - драйвер шагового двигателя, создан, как более мощная альтернатива TMC2100

Характеристики
Логика совместима с драйвером A4988.
Ток до 2А. Зависит он установленных Rsense
Конфигурации микрошага 1/2, 1/4, 1/8, 1/16. Все они с интерполяцией до 1/256
1/256 без интерполяции только с управлением по UART
Напряжение для двигателя от 4,75 до 36В
Напряжение питания силовой части — 5.5 — 36 В;
Напряжения питания логической части — 3-5 В;
Ток максимальный, с дополнительным охлаждением — 2 A;

TMC2130

ток - 1.2a
Шаг до 256
Напряжение двигателя: 5.5-45 В
Напряжение логики: 3.3-5 В

При использовании в RAMPS1.4 или MKS Gen,снимите третью перемычку
Обратить внимание на положение при установке
Прикрепите теплоотвод, непосредственно к плате

Направление двигателя противоположное к A4988 и drv8825, настройте прошивку или настройте проводку двигателя, если хотите установить вместо A4988.

Настройка тока шаговых двигателей на драйверах TMC2100/TMC2130/TMC2208

термины:
Vref - Напряжение замеряемое вольтметром между пином Vref и GND от 0 до 2,5 вольт.
Irms - Постоянный ток подаваемый на двигатели.
Imax - Пиковый ток подаваемый на двигатели.

Произведем необходимые расчеты:Формула для расчета напряжения Vref из постоянного тока Irms кторый мы хотим задать:

Vref = (Irms * 2.5) / 1.77

Формула для расчета постоянного тока Irms который настроен на драйверах:

Irms = (Vref * 1.77) / 2.5

Зная постоянный ток Irms можно рассчитать пиковый ток Imax:

Imax = Irms * 1.41

А так же можно произвести обратный расчет из пикового тока Imax в номинальный Irms:

Irms = Imax / 1.41

Практические примеры:
Пример 1:
Я хочу подавать постоянный ток 1А, подставим получим формулу:

Vref = (1A * 2.5) / 1.77 = 1.41V

Полученное напряжение необходимо выставить при помощи вольтметра на потенциометре шагового драйвера.

Пример 2:
Мы не знаем какой ток подается на шаговые двигатели и хотим это выяснить.
Нам необходимо замерить Vref на шаговом драйвере, например мы получили 1,1V, подставив полученные данные в формулу получим постоянный ток на котором работают двигатели в данный момент:

Irms = (1.1V * 1.77) / 2.5 = 0.77A

Пример 3:
Шаговые драйверы TMC, в отличии от других, умеют подавать ток в зависимости от текущей нагрузки, так например если нагрузки нет, драйвер будет подавать ток меньше номинального, если нагрузка возрастет он поднимет ток до необходимого уровня для преодоления нагрузки, при этом не превышая значения тока Imax. Допустим у меня есть двигатели с рабочим током 1.5А, я хочу что бы пиковый ток был 1,5А, а постоянный был меньше, что бы двигатели не перегревались.

Пример 4:
Irms = (Vref * 1,77A) / 2,5V
Vref = (Irms * 2,5V) / 1,77A
Current Limit = 1.41 * Irms

Например для 17HS4401: Vref = (Current Limit * 0,707 * 2,5В) / 1,77А = (1,7 * 0,707 * 2,5) / 1,77 = 1,697В

При таком Vref шаговый двигатель возможно будет нагреваться, поэтому Vref придётся подстроить во время работы.

Расчитаем постоянный ток Irms:

Irms = 1.5А / 1.41 = 1.06А

Расчитаем Vref из постоянного тока Irms:

Vref = (1.06А * 2.5) / 1.77 = 1.49v

Важно:
1 - Максимальный постоянный ток для данных драйверов 1.2А.
2 - Измерять Vref можно между либо между потенциометром и GND, либо между пином Vref и GND.
3 - Во время настройки Vref необходимо отключать кабель двигателя во избежании повреждения драйвера.
4 - Для настройки необходимо подавать внешнее питание на шилд, а не на USB ардуины.Настройка Vref на драйверах:Для удобства настройки желательно наличие две пары рук, маленькая плоская отвертка - желательно керамическая, вольтметр.
Вольтметр необходимо установить в измерение постоянного напряжения до 2 вольт.

Первая пара рук настраивает отверткой вольтаж потенциометром постоянно контролируя показания вольтметра.
Вторая пара рук удерживает красный положительный щуп на пин Vref или потенциометр и черный щуп на GND, для удобства GND можно использовать вход на плату с блока питания.

Точки замеров:

TMC2130 TMC2100 TMC2208

Некоторые моменты которые стоит учитывать:
На практике использование дробления шага 1/32 вместо 1/16 не приводит к увеличению разрешения. Но может приводить к увеличению нагрева драйвера и двигателя, снижению момента двигателя. Не всегда использование 1/32 приведёт и к снижению шума, как в режиме удержания, так и режиме хода.

При дроблении шага уменьшается момент вращения шагового двигателя, что черевато пропуском шагов и не очень хорошо для фрезера.

 

[Alsan]

Установка драйверов А4988 и DRV8825 на плате отличаются. Это нужно иметь в виду при замене драйверов или их смешанном применении. Правильное положение установки на фото (вариант для платы Woodpecker 3.2):

 

[hydrooz]

При использовании в RAMPS1.4 или MKS Gen,снимите 3 перемычки
Обратить внимание на положение при установке

Не уверен, но здесь похоже ошибка в машинном переводе. Снять надо не 3 перемычки, а третью перемычку. По крайней мере про 2208 уверен на 100 процентов, третья перемычка нужна для программирования уарт, а при двух первых драйвер будет работать на полный микрошаг в режиме стэндэлоун.

 

[Alsan]

hydrooz, Спасибо, исправил.

 

[hydrooz]

Кстати, раз уж тема про драйверы. Если у кого-то есть 3д принтер, лазерный гравер или на нашем станке пользуетесь только лазерным модулем, то настоятельно рекомендую поменять драйвера на 2208. Сначала я долго читал, потом долго сомневался, но теперь я с уверенностью присоединяюсь к тем людям, которые пишут, что слышно только работу кулеров, это правда так. Ну ещё слышно вращение шаговиков, но больше принтер не пытается связаться с инопланетянами. Повторюсь, только для тех, кто ищет тишины.

 

[Alsan]

hydrooz, А как момент вращения шагового двигателя? Для фрезера он важен.

 

[hydrooz]

Alsan, про фрезер не могу ничего сказать, не вижу смысла менять 4988, максимум на 8825.
У меня шаговики на принтере 1.5 А, какие-то не самые распространенные, поставил Vref от 1.2 (по з) до 1.45 (остальные оси). Расчеты брал с нашего форума. Irms = 1.5/1.41, и из таблицы вытащил такой Вреф. Стоит кулер 100 примерно через два резистора, временно гонял вчера, драйвера чуть теплые. Объективно стал принтер работать чётче, до этого хозяин случайным образом выставлял Вреф на 4988, 0.68 В, стандартный расчет для резисторов 0.05, только здесь всё было не то, как в этих стандартных формулах. И Imax 1.5, а не 1.7 как обычно, и резисторы 0.1. Извините, накатал телегу не по делу, всё в кучу сложил, но вдруг кто-то что-то подчерпнет, если что, подскажу, пока в памяти свежо.

 

[Alsan]

hydrooz, Если получится собрать информацию по драйверам шаговых двигателей в одном месте, думаю это пойдет только на пользу. Тема и создавалась, чтобы и самому получше разобраться и уважаемому форумчанину подсказать. Так что любые нюансы только в плюс.

 

[tosik1989]

Друзья, очень нужна ваша помощь!
Итак, чпу3018 проработав последний раз 26 часов вдруг после окончания фрезеровки начал издавать трещание во всех моторах, но не постоянно
и то есть этот неправильный звук/треск, то нет.
Если рукой кручу за валы, то никаких звуков и сопротивлений нет - значит видимо не механика .
Настройки в Candle не менялись, все перепроверил и поэтому "задний мост" подсказывает, что это причина в драйверах.
Но тут же вопрос: сразу вышли из строя все три драйвера и случалось ли такое? Двигатели вряд ли..
Еще мне где-то попадалось, что в драйверах нужно настраивать(подкручивать силу тока), но я это не делал и так учился фрезеровать 4 месяца.
Два драйвера из трех менял местами, но ничего не изменилось. Что дальше делать не знаю и без вашей помощи не обойтись.
Драйвера установлены A4988
Двигатели D42HSC1413B-24
Прошу подсказать где искать причину по пунктикам простым языком как "пионеру".
Заранее всем громадное спасибо!

 

[tosik1989]

Установка драйверов А4988 и DRV8825 на плате отличаются.

а у меня почему-то драйвера А4988 стоят не так как на Вашем фото..
Или это с чем-то связано?

 

[Alsan]

tosik1989, У вас другая плата, на фото плата Woodspecker 3.2 и вариант установки драйверов ШД для нее.

 

[tosik1989]

У вас другая плата

Не могли бы подсказать какие параметры я должен выставить на моих драйверах А4988 ?
для моих моторов D42HSC1413B-24 если в описании продавца написано:
42 шаговых двигателя, напряжение: 12 В, фазный ток 1,3 А, крутящий момент 0,25 Нм
спасибо!

 

[Alsan]

tosik1989, Подправил тему, загляните в архив в первом посте и таблицу с ШД на фото, возможно найдете параметры своего ШД.

 

[tosik1989]

возможно найдете параметры своего ШД.

Alsan, спасибо! Но я в этих шаговиках и драйверах полный чайник и если можете подскажите что и как..