Драйвер шагового двигателя A4988

Драйвер шагового двигателя A4988.

Драйвер шагового двигателя A4988 является электронным устройством, которое заставляет вращаться шаговый двигатель, путем совершение шагов. Данное устройство незаменимо при разработке высокоточных ЧПУ станков и 3D принтеров.

Применение драйвера для шагового двигателя A4988.

Для создания высокоточных станков используют шаговые двигатели, которые обладают рядом преимуществ перед коллекторными двигателями:

• Шаговый двигатель быстро стартует, останавливается и совершает реверс.
• Высокая точность перемещения и позиционирования.
• Позволяет позиционировать без применения обратной связи.
• Большой диапазон изменения скорости.
• Возможность обеспечивать низкую скорость вращения без применения редуктора.

Спектр применения шаговых двигателей очень большой. Вы пользуетесь офисной техникой и не подозреваете, что управляет вашим ксероксом, принтером, факсом, 3D принтером шаговые двигатели.

Управляет шаговым двигателем драйвер. Driver с английского языка «водитель». Одним из недорогих драйверов, и в связи с этим достаточно популярным, является драйвер A4988. Модуль A4988 имеет защиту от перегрузки и перегрева. Одним из параметров шаговых двигателей является количество шагов на один оборот 360°. Например, для шаговых двигателей Nema17 это 200 шагов на оборот, т.е 1 шаг равен 1.8°. Драйвер A4988 позволяет увеличить это значение за счёт возможности управления промежуточными шагами и имеет пять режимов микрошага (1(полный), 1/2, 1/4, 1/8 и 1/16).

Технические характеристики A4988.

• напряжение питания: 8-35 v
• режим деления шага: 1, 1/2, 1/4, 1/8, 1/16
• логическое напряжение: 3-5.5 В
• защита от перегрева
• максимальный фазный ток: — 1 А без радиатора; — 2 А с радиатором
• габариты драйвера: 20 х 15 х 10 мм;
• габариты радиатора: 9 х 5 х 9 мм;
• вес с радиатором: 3 г;
• вес без радиатора: 2 г

Распиновка драйвера A4988.

Драйвер A4988 имеет всего 16 контактов, которые позволяют управлять шаговыми двигателями. Распиновка у A4988 следующая:

Назначение контактов драйвера A4988.

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

Выводы выбора микрошага.

Драйвер A4988 допускает использование режима микрошага. Это достигается за счет подачи питания на катушки с промежуточными уровнями тока.

Например, если вы решите управлять шаговым двигателем NEMA 17 с шагом 1,8 градуса (200 шагов на оборот) в режиме 1/4 шага, то двигатель будет выдавать 800 микрошагов на оборот.

Драйвер A4988 имеет три вывода селектора размера шага (разрешения), а именно: MS1, MS2 и MS3. Установив соответствующие логические уровни на эти контакты, мы можем настроить двигатели на одно из пятиступенчатых разрешений.

Выводы выбора микрошага драйвер A4988.

По умолчанию эти три контакта подтянуты к земле внутренним резистором. Если мы оставим эти выводы не подключенными, то двигатель будет работать в режиме полного шага.

Выводы управления.

Драйвер A4988 имеет два управляющих вывода, а именно: STEP и DIR.

STEP — управляет микрошагом мотора. Каждыйвысокий импульс, отправляемый на этот вывод, приводит двигатель в действие на количество микрошагов, заданное выводами Microstep Selection (MS1, MS2 и MS3). Чем быстрее импульсы, тем быстрее будет вращаться двигатель.

DIR — управляет направлением вращения двигателя. Если на него подать высокий уровень, то двигатель будет вращаться по часовой стрелке, а если низкий — против часовой стрелки.

Если вы просто хотите, чтобы двигатель вращался только в одном направлении, то вы можете соединить вывод DIR непосредственно с VCC или GND соответственно.

Выводы STEP и DIR не подтянуты внутренними резисторами, поэтому вы не должны оставлять их не подключенными.

Выводы управления питанием A4988.

A4988 имеет три различных вывода для управления состоянием питания, а именно. EN, RST и SLP.

EN — вывод включения (0)/ выключения (1) драйвера A4988. По умолчанию на этом выводе установлен низкий уровень, поэтому драйвер всегда включен.

SLP — подача на данный вывод сигнала низкого уровня переводит драйвер в спящий режим, сводя к минимуму потребление энергии. Вы можете использовать этодля экономии энергии.

RST — при подаче сигнала низкого уровня все входные данные STEP игнорируются, до тех пор, пока не будет установлен высокий уровень. Низкий уровень также сбрасывает драйвер, устанавливая внутренний транслятор в предопределенное состояние Home. Исходное состояние — это в основном начальное положение, с которого запускается двигатель, и оно различается в зависимости от разрешения микрошага.

Выводы для подключения шагового двигателя.

Выходные контакты: 1B, 1A, 2A и 2B.

К этим выводам можно подключить любой биполярный шаговый двигатель с напряжением питания от 8 до 35 В.

Каждый выходной контакт модуля может обеспечить ток до 2 А. Однако величина тока, подаваемого на двигатель, зависит от источника питания системы, системы охлаждения и настройки ограничения тока.

Система охлаждения — радиатор.

Чрезмерное рассеивание мощности микросхемы драйвера A4988 приводит к повышению температуры, которая может выйти за пределы возможностей микросхемы, что, вероятно, приведет к ее повреждению.

Даже если микросхема драйвера A4988 имеет максимальный номинальный ток 2 А на катушку, микросхема может подавать только около 1 А на катушку без перегрева.

Для достижения более 1 А на катушку требуется радиатор или другой метод охлаждения.

Драйвер A4988 обычно поставляется с радиатором. Желательно установить его перед использованием драйвера.

Ограничение тока.

Перед использованием драйвера нам нужно сделать небольшую настройку. Для этого нужно ограничить максимальный ток, протекающий через катушки шагового двигателя, и предотвратить превышение номинального тока двигателя.

На драйвере A4988 есть небольшой потенциометр, который можно использовать для установки ограничения тока. Вы должны установить ограничение по току равным или ниже номинального тока двигателя.

Расчет и установка ограничещего тока драйвер шагового двигателя A4988.

В данном случае мы собираемся установить ограничение тока путем измерения напряжения (Vref) на выводе «ref».

• Взгляните на техническое описание вашего шагового двигателя. Запишите его номинальный ток. Для примера расчета будем использовать NEMA 17 200 шагов/об, 12 В 350 мА.
• Переведите драйвер в полношаговый режим, оставив три контакта выбора микрошага отключенными.
• Удерживайте двигатель в фиксированном положении, не синхронизируя вход STEP.
• Во время регулировки измерьте напряжение Vref (один щуп мультиметра на минус питания, а другой к металлическому корпусу потенциометра).
• Отрегулируйте напряжение Vref по формуле:

Vref = Imax * 8 * (RS)

Imax — ток двигателя;

RS — сопротивление резистора. В моем случае RS = 0,100.

Формула Vref для A4988 изменяется от номинала токочувствительных резисторов. Это два черных прямоугольника на плате драйвера. Обычно подписаны R050 или R100.

• 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.

• Аналогично можно рассчитать значения дляEM-181

Vref = 1,2 * 8 * 0,100 = 0,96 В

Vref_ист. = ,96*0,7 = 0 ,672 В.

Электроника для ЧПУ станков, в которой можно использовать драйвер шагового двигателя A4988.

Драйвер шагового двигателя A4988 можно подключить к микроконтроллеру, например к Arduino, напрямую.

Скетч вращения шагового двигателя NEMA 17, драйвер A4988.

Программа для вращения шагового двигателя NEMA 17, драйвер A4988. Сначала мотор совершает полный оборот в одну сторону, потом в другую.

Подробнее о подключении шаговых двигателей к Ardiono смотрите на сайте Ардуино технологии.

Для более простого подключения шагового двигателя к Arduino или другому микроконтроллеру существуют модули. Модули бывают разные, на фото ниже приведен пример двух различных модулей.

Распиновку и как подключать модуль драйвера A4988 будем рассматривать в следующей статье.

Использование драйвера A4988 с CNC shield v3 и CNC shield v4.

Драйвер A4988 можно установить на CNC shield v3 и CNC shield v4. CNC shield используются для управления ЧПУ станками и облегчают сборку электроники.

Данный набор позволяет без пайки собрать электронику для двух осевых, трех осевых, четырех осевых ЧПУ станков, а также для самостоятельной сборки 3D принтеров. При реализации ЧПУ станков данные шилды используются достаточно часто благодаря своей низкой цене и простоте сборки.

Более подробно CNC shield v3 и CNC shield v4 будем рассматривать в следующих статьях.

Мы еще не рассмотрели использование данных драйверов для создания 3D принтеров на основе Ramps. Но это совсем другая история.

Вывод можно сделать следующий. Не смотря на свою небольшую стоимость и небольшой размер, драйвера отлично подходят для реализации большого количества проектов. От самодельных станков, до роботов манипуляторов.

Понравился Драйвер шагового двигателя A4988? Не забудь поделиться с друзьями в соц. сетях.

А также подписаться на наш канал на YouTube, вступить в группу Вконтакте, в группу на Facebook.

Спасибо за внимание!

Технологии начинаются с простого!

Подбор и расчет шаговых двигателей для ЧПУ

При подборе шагового двигателя для ЧПУ необходимо отталкиваться от планируемой сферы применения станка и технических характеристик. Ниже представлены критерии выбора, классификация наиболее популярных двигателей и примеры расчета.

Как выбрать шаговый двигатель для ЧПУ: критерии

1. Индуктивность. Следует вычислить квадратный корень из индуктивности обмотки и умножить его на 32. Полученное значение нужно сравнить с напряжением источника питания для драйвера. Различия между этими числами не должны сильно отличаться. Если напряжение питания на 30% и более превышает полученное значение, то мотор будет греться и шуметь. Если меньше, то крутящий момент будет слишком быстро убывать со скоростью. Большая индуктивность потенциально обеспечит возможность для большего крутящего момента. Однако для этого потребуется драйвер с большим напряжением питания.
2. График зависимости крутящего момента от скорости. Позволяет определить, удовлетворяет ли выбранный двигатель условиям в техническом задании.
3. Геометрические параметры. Имеет значение длина двигателя, фланец и диаметр вала.

Тип двигателя

Важный критерий – тип шагового двигателя для ЧПУ станка. Широко распространены биполярные, униполярные и трехфазные модели. Каждая из них имеет свои особенности:

• биполярные чаще всего используют для ЧПУ благодаря простому подбору нового драйвера при выходе старого из строя, высокому удельному сопротивлению на малых оборотах;
• трехфазные отличаются большей скоростью, чем биполярные аналогичного размера. Подходят для случаев, когда требуется высокая скорость вращения;
• униполярные представляют собой несколько видов биполярных двигателей в зависимости от подключения обмоток.

Примеры расчетов шаговых двигателей для ЧПУ

Определяем силы, действующие в системе

Необходимо определить силу трения в направляющих, которая зависит от используемых материалов. Для примера коэффициент трения составляет 0.2, вес детали – 300 кгс, вес стола – 100 кгс, необходимое ускорение – 2 м/с 2 , сила резания – 3 000 Н.

1. Чтобы рассчитать силу трения нужно умножить коэффициент трения на вес движущейся системы. Для примера: 0.2 x 9.81 (100 кгс+300 кгс). Получается 785 Н.
2. Чтобы рассчитать силу инерции надо умножить массу стола с деталью на требуемое ускорение. Для примера: 400 x 2 = 800 Н.
3. Чтобы рассчитать полную силу сопротивления надо сложить силы трения, инерции и резания. Для примера: 785 + 800 + 3 000. Получается 4 585 Н.

Рассчитываем мощность

Формулы, приведенные ниже, представлены без учета инерции вала самого шагового двигателя и других вращающихся механизмов. Поэтому для большей точности рекомендуется увеличить или убавить требования по ускорению на 10%.

Для расчета мощности шагового двигателя следует воспользоваться формулой F=ma, где:

• F – сила в ньютонах, необходимая для того, чтобы привести тело в движение;
• m – масса тела в кг;
• а – необходимое ускорение m/c 2 .

Для определения механической мощности необходимо умножить силу сопротивления движения на скорость.

Рассчитываем редукцию оборотов

Определяется на основании номинальных оборотов сервопривода и максимальной скорости перемещения стола. Например, скорость перемещения составляет 1 000 мм/мин, шаг винта шариковой винтовой передачи – 10 мм. Тогда скорость вращения винта ШВП должна быть (1 000 / 10) 100 оборотов в минуту.

Для расчета коэффициента редукции учесть номинальные обороты сервопривода. Например, они равны 5 000 об/мин. Тогда редукция будет равна (5 000 / 100) 50.

Классификация шаговых двигателей для ЧПУ

Советские модели

В станках часто применяют шаговые двигатели индукторного типа, изготовленные в СССР. Речь о моделях ДШИ-200-2 и ДШИ-200-3. Они обладают следующими характеристиками:

При выборе следует обратить внимание на наличие индекса ОС. Это особая серия с военной приемкой. Имеет более высокое качество исполнения, чем обычные модели.

Китайские модели

Примеры китайских шаговых двигателей для ЧПУ и их характеристики представлены ниже.

Биполярные шаговые двигатели для ЧПУ от CNC Technology

Зная критерии выбора и ориентируясь в предложениях по шаговым двигателям на рынке можно подобрать подходящую модель для станка ЧПУ. Главное – покупать у проверенных поставщиков.

3 причины купить шаговый двигатель для ЧПУ в компании CNC Technology

1. Двигатели от надежных производителей, эти же двигатели мы используем в наших станках.
2. Всегда в наличии на складе.
3. Комплексность: в нашем каталоге можно подобрать не только ШД, но и драйверы, датчики, соединительные муфты и другие комплектующие.

Получить консультацию по выбору шагового двигателя можно по телефону 8 (800) 350 33 60.

Характеристики шагового двигателя

Шаговое устройство — бесщеточный двигатель с несколькими обмотками, функционирующий по синхронному принципу.

С точки зрения конструкции механизм предельно прост и состоит из трех основных элементов:

• выводы,
• вал,
• круглый корпус.

Принцип работы шагового двигателя заключается в поочередной активации обмоток, которые обеспечивают вращение / остановку ротора.

Стартер и ротор вращаются под воздействием магнитного потока, при этом зависимость силы вращения механизма прямо пропорциональна силе магнитного поля, мощность которой коррелирует с числом витков в обмотке и значением электрического тока в ней.

Таким образом, устройство может быть описано, как механизм, трансформирующий электроимпульсы во вращение.

Виды управления и разновидности

Управление шаговым двигателем может осуществляться по четырем схемам:

• с попеременной активацией фаз,
• с перекрытием фаз,
• в полушаговом режиме,
• в микрошаговом режиме.

Существует три вида шаговых устройств:

Гибридный двигатель постоянного сопротивления; С переменным магнитом оснащен 3 либо 4 обмотками, характеризуется свободным вращением; С постоянным магнитом оснащен 2 обмотками, испытывает сопротивление вращению.

В числе данных разновидностей наиболее мощной является гибридная модель, представляющая собой усовершенствованный вариант устройства постоянного сопротивления.

Сфера применения

Наиболее широкое применение шаговые двигатели нашли в автомобильной промышленности, в производстве оборудования различного назначения и всевозможной бытовой техники. Основная цель — максимально автоматизировать производственный процесс.

Возможность точного позиционирования делает эти механизмы незаменимыми в работе устройств хранения информации.

Высокая надежность и отличные технические характеристики данной разновидности двигателей обуславливают их широкую востребованность в военной промышленности.

Преимущества и недостатки

Список очевидных эксплуатационных преимуществ этих устройств составляют:

• высокая точность работы,
• минимальная погрешность даже при работе на низких скоростях,
• впечатляющая износостойкость (в том числе и за счет отсутствия щеток).

В качестве основного недостатка стоит упомянуть проблему так называемого пропущенного шага, в результате которого происходят сбой при выполнении фрезерования. Данная неприятность зачастую является следствием применения завышенных скоростных режимов обработки материала или установкой на станок двигателей недостаточной мощности.

Чтобы избежать таких неполадок в работе шагового двигателя, необходимо осуществлять настройку максимально корректно, устанавливать драйверы в четком соответствии с техническими требованиями и рекомендациями производителя. Правильно рассчитанная мощность шагового двигателя и корректные скоростные режимы эксплуатации полностью исключают проблему пропущенного шага.

Компания MULTICUT предлагает на выгодных условиях приобрести фрезерно-гравировальные станки с ЧПУ на шаговых двигателях по ценам производиталя. Для оформления заказа или при необходимости в развернутой технической консультации по тому или иному продукту позвоните нам или оставьте заявку на сайте.

Шаговый Двигатель Для Фрезерного Станка с Чпу (дискретный привод)

Шаговый электродвигатель для чпу станка — это синхронный бесщёточный электродвигатель с несколькими обмотками, в котором ток, подаваемый в одну из обмоток статора, вызывает фиксацию ротора. Последовательная активация обмоток двигателя вызывает дискретные угловые перемещения ротора.

Привод подач с шаговыми двигателями (ШД) можно разделить на группы: привод с силовым ШД, соединенным через кинематическую цепь с исполнительным механизмом; привод с управляющим ШД и промежуточным усилителем момента, выполненным в виде автономной следящей системы (обычно гидравлической); привод с линейным ШД. В первой и третьей группе динамические и статические характеристики привода определяются параметрами ШД, во второй — зависят от параметров следящей системы, которой управляет ШД.

Преимущества шаговых двигателей для станков с чпу

Шаговые двигателя для фрезерного станка используют с целью перемещения стола и шпинделя. Также могут быть использованы и сервомоторы. Шаговые двигатели дешевле, однако цена не единственный плюс. Они обладают рядом дополнительных преимуществ, которые при построении портальных фрезерных станков обуславливают выбор в пользу приводов этого типа:

• легкость настройки. Успех пуска системы с шаговыми двигателями зависит только от правильности его подключения и корректного выбора драйвера. Сервомотор требуется настраивать дополнительно, он сложнее в подключении и в ремонте;
• неприхотливость в эксплуатации. При неправильно подобранных приводах в момент пиковых нагрузок на шаговом двигателе приведет к пропуску шагов и росту рассогласования, проблема решается перезагрузкой станка. Увеличение нагрузки на слабый сервомотор может привести к перегоранию обмоток, на мощный – к механической поломке передачи;
• у шаговых двигателей способность к удержанию вала в заданном положении выше. Сервомотор при фиксации ротора склонен к микроколебаниям, ротор шагового двигателя остается на одной угловой позиции без сдвигов.

Преимущества шаговых двигателей по сравнению с приводом следящим имеют значение лишь при малых мощностях приводов. К таким преимуществам относятся отсутствие датчика обратной связи по пути и тахогенератора, а также отсутствие коллектора со щетками. Именно это обусловило применение шаговых двигателей в приводе подач малых токарных и шлифовальных станков, а также для управления различными вспомогательными механизмами (поворот и смещение плансуппортов, резцедержателей и т. п.) станков и гибких производственных модулей.

Современные быстродействующие шаговые двигатели являются модифицированными синхронными электрическими машинами, обмотки которых возбуждаются несинусоидальными сигналами, т. е. прямоугольными или ступенчатыми импульсами напряжения с изменяющейся в широких пределах частотой. Ступенчатому характеру напряжений на фазах шагового двигателя соответствует дискретное вращение электромагнитного поля в воздушном зазоре двигателя. Вследствие этого движение ротора на низкой частоте слагается из последовательности элементарных перемещений, совершаемых по апериодическому или колебательному закону. При возрастании управляющей частоты неравномерность частоты вращения ротора шагового двигателя сглаживается.

Шаговый двигатель для чпу станка с электронным коммутатором осуществляет преобразование последовательности управляющих импульсов в угол поворота вала. Каждому импульсу управления соответствует поворот вала на фиксированный угол (шаг двигателя), величина которого однозначно определена конструкцией шагового двигателя и способом переключения его обмоток. Частота вращения и суммарный угол поворота вала пропорциональны частоте и числу поданных импульсов управления соответственно. В отличие от синхронных двигателей в шаговом двигателе переход в синхронное движение из состояния покоя осуществляется без скольжения, а торможение — без выбега ротора. Благодаря этому шаговый двигатель может обеспечить внезапный пуск, остановку и реверсирование без потери информации, т.е. без пропуска.

Отдельную нишу занимают приводы с линейными шаговыми двигателями (рис. 1).

Рис. 1. Конструктивное исполнение линейного шагового двигателя Siemens

Привод включает в себя первичную часть, представляющую собой статор, и вторичную часть – основание с наклеенными редкоземельными магнитами. Рабочий зазор между первичной и вторичной частями составляет 0,3 мм. В процессе работы на первичную часть подаются управляющие импульсы электрического тока, периодически изменяя намагниченность полюсов статора, которые, взаимодействуя с магнитами вторичной части, вызывают ее линейное смещение в заданном направлении. При этом осуществляется преобразование электрических импульсов в непосредственно линейное перемещение исполнительного органа.

Такой привод имеет следующие преимущества по сравнению с классическим, построенным с использованием шарико-винтовых пар (ШВП):

• исключительная динамика и наивысшая скорость перемещения (до 500 м/мин);
• высокая точность;
• простой монтаж;
• износостойкость привода, благодаря бесконтактной передаче усилия.

Существенным преимуществом линейной техники прямых приводов является практическое отсутствие эффектов эластичности, люфта и трения, а также собственной вибрации в трансмиссии. Следствием этого является высокая динамика и высокая точность. При использовании соответствующей измерительной системы и соответствующих температурных условий двигатели могут позиционироваться с нанометрической точностью.

Несмотря на все преимущества, привод на основе линейных шаговых двигателей для применения на станках с чпу в данный момент имеет ряд недостатков, сдерживающих его применение:

• ограниченная нагрузочная способность (усилие подачи до 14 кН);
• отсутствие самоторможения при снятии питающего напряжения;
• невысокий КПД;
• высокая стоимость.

Вследствие всего перечисленного линейные шаговые двигатели находят применение в следующих областях:

• высокоскоростное фрезерование;
• шлифование;
• ультрапрецизионная обработка;
• электроэрозионная обработка;
• лазерная обработка.

Как подобрать шаговый двигатель для чпу станка

Многие задаются вопросом — как подобрать шаговый двигатель для чпу станка? Ведь базовые технические характеристики шагового двигателя определяются его типоразмером. Шаговые двигатели одного типоразмера одинаковы по основным показателям, таким как:

• номинальный ток фазы;
• сопротивление и максимальное напряжение обмоток;
• крутящий момент.

Разница определяется двумя моментами. Первый – деление шага. Меньший шаг означает более плавное перемещение, но в этом случае потребуется драйвер с большей входной частотой, а он обойдется дороже. Наиболее распространены шаговые двигатели с шагом 0.9 и 1.8 градуса – этих значений хватает для решения стандартных задач, ставящихся перед небольшими портальными станками.

Второй нюанс – индуктивность обмоток двигателя. Производители выпускают шаговые двигатели одного и того же типоразмера в двух вариантах. Моторы с малой индуктивностью характеризуются более высокой скоростью вращения вала при меньшей потребляемой мощности. Подходят для ненагруженных портальных фрезерных станков с подвижным столом. Моторы с большой индуктивностью медленнее, но у них выше крутящий момент. Подходят для управления перемещением шпинделя по оси Z и управления четвертой координатой, поскольку лучше удерживают ротор в неподвижном положении.