Управление шаговым двигателем

Когда слышишь ?управление шаговым двигателем?, первое, что приходит в голову — микроконтроллер, драйвер и идеальные квадратные импульсы. Но на практике всё упирается в мелочи: резонанс на средних частотах, нагрев обмоток при микрошаге и та самая ?потеря шага?, которую новички списывают на брак оборудования. Вспоминаю, как мы в 2018 году собирали стенд для тестирования позиционирования — тогда пришлось перебрать три типа драйверов TB6560, прежде чем поняли, что проблема не в шумовых помехах, а в неправильной нагрузке на валу.

Как избежать классических ошибок в схемотехнике

Главный миф — что для шаговика достаточно любого блока питания. На деле импульсные броски тока в обмотках требуют запаса по мощности в 1.5 раза выше номинала. Проверял на драйверах DM542: при питании 24В и токе 2.8А двигатель 17HS4401 стабильно работал только с конденсатором 4700 мкФ на входе. Без него — рывки на 500 об/мин.

Разводка земли — отдельная история. Однажды плата с STM32 и драйвером A4988 выдавала случайные сбои. Оказалось, обратные токи от двигателя шли через общую землю аналоговой части. Пришлось переделывать под звезду с отдельными дорожками для силовых и сигнальных цепей.

Сейчас для новых проектов беру драйверы TMC2209 — у них встроенная компенсация резонанса. Но и тут есть нюанс: если не выставить управление шаговым двигателем в режиме SpreadCycle, перегрев мотора неизбежен даже на 0.5А.

Почему микрошаг не всегда нужен

Микрошаг 1/32 — не панацея. Для перевозки грузов по конвейеру достаточно полношагового режима, а вот для 3D-принтера без 1/16 не обойтись. Заметил: при микрошаге выше 1/8 крутящий момент падает на 15-20%, что критично для станков с ременной передачей.

В проекте для ООО Гуйчжоу Хайдвелл Технолоджи использовали гибридную схему: позиционирование — полношаговое, а перемещение между точками — микрошаг 1/8. Это снизило нагрев драйверов на 40% по сравнению с постоянным 1/32 режимом.

Кстати, о температуре: китайские драйверы с Aliexpress часто завышают токовые параметры. Проверял партию из 20 штук — только 12 выдерживали заявленные 3А без перегрева. Остальные уходили в защиту уже при 2.4А.

Программные тонкости, о которых не пишут в мануалах

Таймеры ШИМ — это просто, пока не столкнёшься с джиттером. На STM32F103 при частоте шага выше 50 кГц начинались пропуски импульсов. Решение — использовать DMA с кольцевым буфером, но для этого пришлось переписывать HAL-библиотеку.

Ускорение/замедление — отдельная головная боль. Самая стабильная реализация — по синусоидальной кривой, но для реальных задач хватает и квадратного корня. Важно считать профиль скорости в фоне, иначе шаги начнут запаздывать уже на 1000 шагов/с.

Для контроллеров от Headwayer.ru мы сделали калибровку за 10 проходов: сначала определяем резонансные частоты, потом строим профиль ускорения в обход них. Результат — вибрация снизилась на 60%.

Когда железо преподносит сюрпризы

Биполярные двигатели с обратной ЭДС выше 70В могут убить драйвер при резкой остановке. Столкнулся с этим на текстильном станке — пришлось ставить TVS-диоды на каждую обмотку. Unipolar-моторы проще в управлении, но теряют 30% момента.

Магниты стареют. Через 2 года работы в режиме 24/7 двигатель 23HS45-4204 потерял 8% момента. Пришлось вводить поправочные коэффициенты в прошивку — увеличивать ток на низких оборотах.

Подшипники — отдельная тема. В условиях цеха с металлической пылью ресурс снижается в 3 раза. Для ООО Гуйчжоу Хайдвелл Технолоджи мы перешли на защищённые версии с двойными уплотнениями — пока нареканий нет.

Измерения и диагностика: что действительно важно

Осциллограф — лучший друг. Но не всегда нужен дорогой Keysight. Для 90% задач хватает китайского DSO150 с полосой 200 кГц. Смотрю форму тока через резитор 0.1 Ом в разрыве обмотки — если есть ?ступеньки?, значит драйвер недотягивает.

Тепловизор помог найти утечку: один из ключей драйвера грелся на 20°C сильнее. Оказалось — плохая пайка под радиатором.

Лазерный тахометр — для проверки реальной скорости. Частота шагов не равна оборотам из-за проскальзывания. На сервоприводе разница до 3%, на шаговике — до 0.5% при правильной нагрузке.

Практические кейсы из опыта Гуйчжоу Хайдвелл

В 2021 году модернизировали линию розлива — стояли шаговики с драйверами LV8729. Проблема — сбои при работе от сети 380В. Добавили гальваническую развязку оптопар и заменили ШИМ на 16 кГц вместо 32 кГц — помехи исчезли.

Для упаковочного автомата пришлось комбинировать: основной привод — шаговый двигатель NEMA 23, допоперации — сервоприводы. Экономия 40% без потери точности.

Сейчас тестируем драйверы TMC5160 для новых разработок. Пока рано говорить о надёжности, но момент на низких оборотах действительно выше. Если пройдут испытания в цехах Headwayer.ru, будем переводить на них серийные модели.

Что в итоге работает без сюрпризов

Простая связка: STM32F4 + TMC2209 + источник питания на 30% мощнее расчётного. Заземление — строго раздельное, провода к двигателю — витая пара с экраном.

Из софта — свой алгоритм разгона с таблицей предрасчёта. Не гнаться за максимальным микрошагом, а подбирать под механику.

И главное — тестировать в реальных условиях. Стенд с имитацией нагрузки стоит дешевле, чем репутационные потери от сбоев в поле. Для ООО Гуйчжоу Хайдвелл Технолоджи это стало правилом после инцидента с перегревом в 2019-м.