Мифы о микрошагах или есть ли смысл делить шаг до бесконечности.

Ходит достаточно много 'слухов' о зависимости звуков шаговых двигателей от прошивки, легенд о микрошага и прочих сказках на ночь для репраперов.

Давайте рассмотрим факты о работе шаговиков.

Многим хочется думать,что поделив шаг на большее количество микрошагов мы получим большую точность,как следствие увеличения разрешения.

Но все несколько не так. Увеличивая дробление шага мы очень сильно понижаем крутящий момент. Уменьшая шаг - увеличиваем разрешение. Но уменьшаем точность позиционирования.

У очень немногих двигателей есть чистая синусоидальная зависимость момента от поворота оси. И у всех есть гармоники высшего порядка, искажающие кривую этой зависимости и очень сильно влияют на точность.При микропередвижении на длинные дистанции действительные кривые аппроксимируются до синуса.

На графике: пунктирная линия - синус, по которому приблизительно оценивается позиционирование вала, красная линия - действительные характеристики двигателя.

Так же, важно отметить,что любая моментная нагрузка на валу создает так называемые 'магнитные люфты', то есть ротор будет перемещаться до того положения, пока нужный момент не будет получен. Судя по графику смещение может достигать 0,2-0,3 радиана, а это 11- 15°.

Формула для вычисления крутящего момента полного шага:

T inc = T hold × sin 90°, где

T hold - момент удержания на полном шаге;

Крутящий момент для N микрошагов:

T inc = T hold × sin ((90×N)/m, где

m- делитель микрошагов

N - число микрошагов, меньшее или равное m. То о чем писал выше,что ротор может не сделать четко полный микрошаг,а недовернуться немного, пока не получит необходимый крутящий момент.

В таблице ниже представлена зависимость между делителем шагов и соотношение момента удержания от крутящего момента.О чем это говорит?

Что как следствие - если нагрузка на роторе,плюс трение в самом двигателе и тормозящий момент будут больше,чем крутящий момент, то точные микрошаги будут происходить до тех пор, пока суммарный момент не превысит значения нагрузки на роторе, плюс трение в двигателе и момент удержания. Иначе будет пропуск шагов.

В то же время, давая импульс на ногу драйвера совсем необязательно,что двигатель повернется. Если нужно изменить направление вращения,то на некоторое количество микрошагов ротор повернется, прежде чем изменится направление. Поэтому момент вращения должен быть постепенно уменьшен до нуля,что бы изменить направление вращения.

Точность или разрешение.

Шаговый двигатель при повороте преодолевает силу трения качения в подшипниках и это тормозящий момент (в дополнении к другим гармоническим искажениям). И для движения крутящий момент должен быть больше тормозящего. Чаще всего тормозящий момент это от 5% до 20% от момента удержания.

Некоторые компании производят двигатели с уменьшенным шагом,то есть вместо обычных 1,8°, делают 0,9°. Это делается для того,что бы приблизить кривую момент-положение ротора к синусоидальному графику и улучшить линейность графика момент-ток.

Так зачем тогда нужен микрошаг?

Есть несколько доводов почему:

1. Снижение механического шума.

2. Более плавные вращения.

3. Снижение резонансных проблем.

В сумме,микрошаг дает большее разрешение,а улучшение точности невозможно.

Реальный толк от микрошага - сокращение механических и электромагнитных помех. Сокращение резонансных проблем - лучшая синхронизация в системах без обратной связи (наш случай,мы не можем проконтролировать действительно ли вал повернулся на 2 микрошага ,или на 3. Энкодеры,к сожалению- большая редкость на принтерах).

Фактически, бесконечное увеличение микрошагов на полный шаг дадут только безщеточные двигатели с энкодером. В них скорость это функция от частоты в питании двигателей и ротор отстает от вращающегося магнитного поля,до тех пор пока вращающий момент не будет достигнут.

Поэтому использование шаговых двигателей - это только начало в развитии принтеростроения.

А нагрев драйверов DRV8825 или TMC2100 обусловлен постоянной нагрузкой в поиске того положения,где целевой момент будет получен. И это для каждого микрошага. Больше шагов - больше нагрузка, больше нагрев. Ну и увеличивая разрешение,мы теряем в мощности. Думаю,что дискуссия на эту тему будет полезна.