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风暴魔域腾讯游戏: [硬件] DIY五軸搖頭機——緊湊型一體式閉環步進電機的制作

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木別墅
發表于 2019-5-21 15:19:52 | 只看該作者 |只看大圖 回帖獎勵 |倒序瀏覽 |閱讀模式
本帖最后由 HyperCNC楊工 于 2019-5-21 15:23 編輯

       這個一體式閉環步進最早是從國外一個叫Mechaduino的開源項目中看到的,正好它是開源的(開源網址:https://github.com/jcchurch13/Mechaduino-Firmware),于是就下載下來研究了一下發現程序很簡單,于是決定自己也仿做一個。等到實際自己做好上機測試的時候才發現原版問題一大堆,于是自己重起爐灶,前前后后改了好幾版終于差不多算完工了。
DIY五軸搖頭機——緊湊型一體式閉環步進電機的制作
       首先講一下二相步進電機閉環驅動和開環驅動的區別。假設現在上位機主機發DIR/STEP指令給步進驅動器的指令角度是90.5度??返那魘盞街噶詈蠹錘菹阜值緦鞅淼髡澆緇牧較嗟緦?,將電流矢量也指向90.5度,然后步進電機永磁轉子就會在電磁力作用下運動到90.5度這個位置上了,這其中步進電機AB兩相的驅動電流在設置好后就不變了,只要接下來沒有新的角度指令那就一直保持原樣不改變。閉環控制器則不然,當閉環控制器收到90.5度的指令角度時,首先利用角度傳感器(編碼器)測出步進電機現在的實際角度假設是90度,然后跟開環的驅動器一樣根據細分電流表調整步進電機的兩相電流,但是要將電流矢量指向91.8度(指令角度比實際角度大那就在實際角度上加1.8度,反之減1.8度),與開環控制器不同的是閉環的驅動電流大小不是恒定不變的,而是根據角度誤差經過PID算法計算出來的,簡單的講就是指令角度和實際角度的誤差大那驅動電流就大相反誤差小驅動電流就小,誤差為0那驅動電流就為0(這就是閉環步進低發熱省電的原因)。閉環驅動和開環驅動的最大區別大體上就是這樣,當然想要了解具體的細節的還得看源程序,這里限于篇幅就不再多說。
DIY五軸搖頭機——緊湊型一體式閉環步進電機的制作
       接下來講一下我自己做的這個閉環步進和原版的區別,先講硬件上的。主控芯片用價格4.5塊的STM32F030C8T6代替了價格25塊錢的ATSAMD21G18A,省錢的同時性能有增無減。驅動芯片用兩顆最大驅動電流為3.5A的A4950代替了原來的最大驅動電流為2A的單顆A4954芯片,原版的這顆A4954驅動芯片標的最大驅動電流可以達到2A,實際測試最大也就1.2A左右只能勉強用來驅動3D打印機用的42小步進。因為這顆芯片內部驅動MOS管內阻過大有0.8歐姆以上,導致發熱非常嚴重,電流一大芯片溫度就飆升,然后芯片就?;缺;ち?,有一次上機測試過程中Z軸就因此?;賈輪苯幼不盜艘話?mm的銑刀。編碼器方面用英飛凌的TLE5012B代替了原版的AS5047D,原版的這款編碼器芯片貨源很不穩定經?;崧蠆壞?,代替用的TLE5012B是15位更高一級精度的,而且是汽車工業標準的,可靠性和工作容許溫度比消費級標準的來的更高。然后加入高速隔離光耦TLP2168,沒光耦作隔離的話萬一步進驅動器出問題連帶燒了雕刻器的驅動板那就得不償失了?;褂幸恍┪妊剮酒滄髁說髡?,基本上硬件方面的芯片算是全換了遍。
DIY五軸搖頭機——緊湊型一體式閉環步進電機的制作 DIY五軸搖頭機——緊湊型一體式閉環步進電機的制作 DIY五軸搖頭機——緊湊型一體式閉環步進電機的制作 DIY五軸搖頭機——緊湊型一體式閉環步進電機的制作 DIY五軸搖頭機——緊湊型一體式閉環步進電機的制作
       軟件方面也是完全重新編寫,編程軟件用官方專業軟件KEIL-MDK替代了玩具級編譯軟件ARDUINO。程序里加入了開環模式,雖然閉環優點多多但開環也非一無所長,這樣即使編碼器壞了還可以切到開環模式繼續使用。然后加入了撥碼盤的細分選擇項,可以利用撥碼選擇不同細分選向。不管是原版的還是我這修改版的驅動器在初次安裝或者二次安裝后都要就行編碼器芯片的角度校正,因為這種磁編碼器芯片都有近2度的非線性誤差所以不能直接使用需要二次校正才行,校正的另外一個作用是讓編碼器的0度位置和步進電機的電位角0度位置對齊。校正的原理是讓步進電機在開環的情況下以整步跑1到2圈,因為現在市面上的步進電機都能做到整步5%以下(0.09度)的精度,據此就可以校正編碼器芯片。原版的校正過程非常麻煩,需要連著電腦通過串口發指令然后還要二次編程燒錄程序等等,我這邊程序優化直接撥碼盤撥好位置后上電,其它工作全部由程序自動完成。為了加強產品的可靠性,程序中加入看門狗,工控產品沒看門狗怎么能行呢。
DIY五軸搖頭機——緊湊型一體式閉環步進電機的制作
       上敘的都是一些程序中的小升級部分,相應的增加了一部分功能和提高了使用便捷性。除此之外程序中最大的升級優化則在于精度、速度的提高和噪聲、振動的減小。國外版的編碼器校正程序有一個大的BUG,校正完后編碼器的0度位置和步進電機的電位角0度之間有0.3度以上的誤差。這個誤差值對閉環步進的實際使用性能影響非常大,理論上越接近0度越好,誤差值大了導致步進電機左轉和右轉性能不一,往往一邊轉動時很平順但向另一邊轉動時振動就很大,兩邊轉動時的最高轉速和扭矩也不一樣,極限情況下甚至會導致步進電機向一個方向亂轉無法正常工作。我這邊重新改寫了編碼器校正程序,新的校正程序可以將誤差角度值降低到0.1度以下。順便再說一下現在市面上現在的閉環步進用的是光電編碼器(1000線為主),這一對齊編碼器的0度位置和步進電機的電位角0度位置的活是在出廠前用專業設備(編碼器相位檢測器)配合專門的電機驅動來完成的,所以千萬不要亂拆閉環步進的編碼盤。程序中另外一個大的升級之處是采用了可變PID控制角代替了原版固定的1.8度PID控制角。固定的1.8度PID控制角會產生兩個非常嚴重的問題,第一是步進電機低速運行時振動非常大甚至比開環驅動器驅動時振動更大,另外一個問題是高速時轉速上不去,原版的程序驅動普通48mm長度的42步進電機實測最高轉速400RPM都達不到,再高的話就會因為電機實際轉速跟不上指令轉速而導致失步。采用升級后的可變PID控制角算法則可以將轉速提高到近800RPM而不失速,與此同時在低速時振動和噪聲可以做得很小幾乎可以跟伺服電機的振動和噪聲程度相媲美。
DIY五軸搖頭機——緊湊型一體式閉環步進電機的制作 DIY五軸搖頭機——緊湊型一體式閉環步進電機的制作 DIY五軸搖頭機——緊湊型一體式閉環步進電機的制作 DIY五軸搖頭機——緊湊型一體式閉環步進電機的制作 DIY五軸搖頭機——緊湊型一體式閉環步進電機的制作
       最后再總結一下閉環步進和開環步進的優缺點吧:閉環步進的優點是扭矩大、振動小、精度高不易失步缺點是可靠性穩定性低價格貴;開環步進的優點是可靠性穩定性高價格便宜。這里再著重講一下轉速這個問題,很多淘寶商家都宣稱他們的閉環步進轉速比一般開環步進高很多可以工作在1500RPM,其實兩相閉環步進相較與開環步進在工作轉速上基本是只低不高,現在市面上賣的加長兩相57閉環步進最高工作轉速也就600RPM左右,再高就會失步。想要更高工作轉速的就必須花更多的錢買3相的閉環步進或者5相閉環步進。
       建了個QQ技術交流群,群號1001482975,歡迎各位技術大佬小白進群交流,開源的閉環步進軟硬件資料群內分享。



補充內容 (2019-5-24 12:29):
我做的降本優化閉環步進軟硬件分享鏈接:
鏈接:https://pan.baidu.com/s/1V79Odao3gDwyyomLld-1qA
提取碼:r7yr

評分

參與人數 2刨花 +20
收起 理由
guoliqun + 10
mrplplplpl + 10 樓主的制作過程很詳細,受益匪淺
木沙發
發表于 2019-5-21 16:07:03 來自手機 | 只看該作者
木板凳
發表于 2019-5-21 17:29:40 來自手機 | 只看該作者
太專業看不懂,不過你放個香蕉是幾個意思?
木龍骨
發表于 2019-5-21 18:15:17 來自手機 | 只看該作者
“其實兩相閉環步進相較與開環步進在工作轉速上基本是只低不高”。很有道理正是因為有編碼器存在,便宜貨的那種閉環步進,在開環工作時比不過正??返牟澆緇?,因為開環所以高質量的開環步進,設計時余量留得大,開環留得小。
6
發表于 2019-5-21 18:25:48 來自手機 | 只看該作者
樓主說的每一個字我都認識,連起來就完全不懂了,技術貼,純頂……膜拜電機都自制的大佬!
7
發表于 2019-5-21 19:43:01 來自手機 | 只看該作者
雖然看不懂,但是堅持看完了,持續關注中,成品后收個機。
8
發表于 2019-5-21 19:50:47 | 只看該作者
樓主牛人一枚,全能玩家,學習了
9
 樓主| 發表于 2019-5-21 20:02:23 來自手機 | 只看該作者
眾生之一 發表于 2019-05-21 17:29
太專業看不懂,不過你放個香蕉是幾個意思?

那個不是我放的 是外國佬的圖 你可以去問問她
10
 樓主| 發表于 2019-5-21 20:04:35 來自手機 | 只看該作者
o灬蟲二 發表于 2019-05-21 18:25
樓主說的每一個字我都認識,連起來就完全不懂了,技術貼,純頂……膜拜電機都自制的大佬!

老兄手藝也不是一點半點高啊 只能說大家各有所長
11
 樓主| 發表于 2019-5-21 20:05:00 來自手機 | 只看該作者
lvsq 發表于 2019-05-21 18:15
“其實兩相閉環步進相較與開環步進在工作轉速上基本是只低不高”。很有道理正是因為有編碼器存在,便宜貨的那種閉環步進,在開環工作時比不過正??返牟澆緇?,因為開環所以高質量的開環步進,設計時余量留得大,開環留得小。

的確如此
12
發表于 2019-5-21 20:49:04 | 只看該作者
還能搞閉環步進,想搞幾套來玩的,可價錢太貴。又沒有樓主的超高技術,只能看看了。
13
發表于 2019-5-21 21:25:20 來自手機 | 只看該作者
HyperCNC楊工 發表于 2019-05-21 20:04
老兄手藝也不是一點半點高啊 只能說大家各有所長

工程師和農民工的區別
14
發表于 2019-5-21 21:27:32 來自手機 | 只看該作者
這種閉環電機怎么樣
15
發表于 2019-5-21 21:40:31 來自手機 | 只看該作者
三相細分比五相的精度高
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