Почему шаговый двигатель пропускает шаги и как найти причину на станке с ЧПУ

Как отличить пропуск шагов от других ошибок

Прежде чем разбирать станок, стоит понять, что именно произошло. Не всякий сдвиг размера означает потерю шагов.

Число шагов на миллиметр считают так: для двигателя 200 шагов на оборот, микрошага 1/8 и ШВП с шагом 5 мм получается 200 × 8 / 5 = 320 импульсов на миллиметр. Если в настройках контроллера стоит другое число, размер уедет пропорционально, а двигатель при этом работает исправно.

Проверять число импульсов лучше на длинном ходе. Выберите люфт, отметьте ноль, пройдите 1000 мм, сравните факт по линейке с цифрой на экране и пересчитайте значение пропорцией. В NC Studio параметр обратный: там вводят миллиметры на импульс, а не импульсы на миллиметр.

Отдельный случай, когда деталь всегда больше на одну и ту же величину при любых размерах, например на 0,2 мм на сторону. Такая ошибка с длиной не растёт, поэтому импульсами её не лечат. Её правят диаметром фрезы в траектории, а люфт проверяют индикатором с ценой деления 0,01 мм. Ошибка, которая растёт вместе с длиной, как раз лечится числом импульсов.

Тест возврата в ноль

Он отделяет пропуск шагов от всего остального и показывает, в какую сторону копать. Сделать его можно на любом станке: нужен индикатор часового типа на стойке, который упирается в портал или каретку в точке нуля.

Пример программы под LinuxCNC (в Mach3 и других стойках повторение делают подпрограммой или командой цикла):

G21 G90 G94
G0 X0 Y0
o101 repeat [50]
  G1 X400 F6000
  G1 X0 F6000
o101 endrepeat
M30

Оператор repeat описан в документации LinuxCNC. 50 циклов по 800 мм на подаче 6000 мм/мин занимают 40 000 / 6000 = 6,7 минуты. Этого достаточно, чтобы мелкая систематическая потеря накопилась до заметной величины: пропуск в один шаг при 0,003 мм на микрошаг за 50 циклов никто не увидит, а один пропущенный полный шаг (0,025 мм на ШВП 1605) уже виден по индикатору.

Тест повторяют на разных подачах, например 2000, 4000 и 6000 мм/мин. Если ошибка растёт только на высокой, виноваты момент или частота импульсов. Если на любой, смотрят механику, ток и помехи.

Контроллер не успевает давать импульсы

Самая частая причина на самосборных станках с компьютерным управлением. Каждый шаг двигателя это один импульс, и количество импульсов в секунду зависит от подачи и числа шагов на миллиметр.

Mach3 по умолчанию работает на 25 000 Гц, а до 100 000 Гц частоту поднимают, если хватает мощности процессора; в руководстве сказано, что с драйвером на 10 микрошагов при 25 000 Гц стандартный двигатель 1,8° даёт около 750 об/мин (Mach3, Software Installation and Configuration). Проверим на примере: на ШВП 1605 при 1/8 максимальная подача при 25 000 Гц равна 25 000 / 320 = 78 мм/с, то есть 4,7 м/мин. Всё, что выше, контроллер физически не сможет передать, и ось ведёт себя как будто теряет шаги. В LinuxCNC при программной генерации шагов предел это один шаг на два периода базового потока, а если запрошенная частота недостижима, возникают ошибки слежения, особенно на быстрых переездах G0 (документация LinuxCNC).

Если драйвер уходит в ошибку именно на быстрых холостых ходах, сверьте частоту импульсов с пределом его входа: у цифровых драйверов он нередко около 200 кГц (у Leadshine DM556 это указано в паспорте), а у дешёвого пульта собственный потолок ниже.

Лечат это тремя способами: уменьшить микрошаг (1/8 вместо 1/16, а это потеря разрешения, не критичная для станка по дереву), понизить максимальную скорость в настройках оси до рассчитанной или перейти на внешний контроллер с аппаратной генерацией импульсов (Ethernet-контроллеры, платы с FPGA, DSP-стойки). Для станков с DSP-пультом и платами управления в комплекте ограничение по частоте указано в паспорте контроллера.

Не хватает момента на скорости

Об удерживающем моменте и кривой «момент — обороты» подробно написано в статье про выбор шагового двигателя и серво. Здесь важны два вывода для диагностики.

Первый: ускорение сильнее скорости влияет на потерю шагов, потому что на разгоне нужен момент на массу. Для портала 60 кг на ШВП 1605 с КПД 0,9 моменты только на разгон такие:

Тут не учтены трение направляющих, сила резания, инерция ротора и винта, поэтому реальный момент выше. Но в сравнении видно, как быстро растёт нагрузка: при 5 м/с² на разгон уходит 0,27 Н·м из 1,3–1,4 Н·м удерживающих у двигателя NEMA 23, а на оборотах таких двигателей остаётся лишь доля этого. Если потери шагов исчезают при снижении ускорения вдвое, причина в моменте.

Второй: напряжение питания драйвера определяет, на каких оборотах двигатель сохранит момент. Для двигателя с обмоткой 2,5 мГн и 0,9 Ом, током 2,8 А (пример: Pololu, 1474) на 2000 об/мин полный шаг длится 150 мкс. Простая модель нарастания тока в индуктивной обмотке без противо-ЭДС даёт за это время при 24 В около 1,4 А, при 48 В около 2,8 А. Ток вдвое меньше, момент вдвое меньше. Поднять напряжение можно, если драйвер это допускает: у A4988 предел 35 В, у DRV8825 45 В (Pololu, 2133).

Неверный ток драйвера

Ток выставляют переключателями или подстроечным резистором. Тут два типичных промаха.

Ток занижен. Паспорт драйвера указывает пиковый ток в амперах или действующий (RMS). Двигатель на 2,8 А на фазу по паспорту, выставленный на 2,0 А, потеряет около 29% момента: 2,0 / 2,8 = 0,71. Это ровно соотношение действующего и пикового значения (1/√2) на случай, если их перепутать. Всегда сверяйте единицы в паспорте драйвера и двигателя.

Ток завышен. Двигатель и драйвер перегреваются, а на дешёвых модулях типа A4988 при слишком большом токе микрошаги перестают отрабатываться корректно: Pololu прямо пишет, что при токе выше предела ограничения двигатель будет пропускать микрошаги (Pololu, A4988). Напряжение опорного входа считают так: V_REF = 8 × I_MAX × R_CS, для плат Pololu с датчиком 0,068 Ом и тока 1 А это 544 мВ.

Проверка простая: измерьте напряжение на опорном входе мультиметром, пересчитайте в ток и сверьте с паспортом двигателя. Расхождение между тем, что нужно двигателю, и тем, что выставлено на драйвере, на практике достигает полутора раз.

Отдельно смотрят ток удержания. В паузах многие драйверы сами снижают ток примерно вдвое, и если винт в простое проворачивается рукой, а ось после остановки смещается, ток удержания выставляют равным рабочему. Если двигатель в простое слишком греется, снижение до 50 % наоборот включают.

Двигатели подключают и отключают только на обесточенном станке: драйвер, к которому обмотки подцепили под напряжением, может выйти из строя, а на дешёвых платах и загореться.

Тайминги сигналов step и dir

Драйвер принимает импульс только определённой длительности. У A4988 высокий и низкий уровни STEP должны быть не короче 1 мкс, у DRV8825 не короче 1,9 мкс (Pololu, 2133). Промышленные драйверы указывают время установки сигнала направления перед фронтом шага и его удержание после, обычно единицы микросекунд (смотрите паспорт конкретной модели). В LinuxCNC за это отвечают параметры steplen, stepspace, dirsetup и dirhold в наносекундах (man stepgen).

Признак ошибки: ось теряет шаги именно при смене направления или на высокой частоте, а скорость и ускорение в порядке. В Mach3 значения Step pulse и Dir pulse не оставляют нулевыми: хватает около 5 мкс, иначе медленные оптроны драйвера теряют слишком короткий импульс. На дешёвом TB6600 при смене направления, особенно по Z, ось нередко уходит в одну сторону из-за медленной оптопары на входе Dir. Тогда Dir pulse поднимают до 10–15 мкс и проверяют полярность Step по схеме подключения. Число шагов на единицу считают из шага двигателя, микрошага и шага винта, а чужой профиль не копируют. Лечат увеличением dirsetup и длительности импульса вдвое от паспортного минимума и повторением теста. Если после этого сдвиг исчез, значит, драйвер раньше не успевал прочитать сигнал.

Резонанс

У шагового двигателя есть собственная частота, которую определяет момент инерции ротора с нагрузкой и жёсткость поля в обмотках. Когда частота шагов совпадает с ней, ротор раскачивается, и на полных шагах двигатель может перескочить на четыре положения вперёд и оказаться в неверной точке (Wikipedia, Stepper motor). Микрошаг возбуждает резонанс значительно слабее, и это одна из главных причин, по которым его включают.

Признак: на одной скорости ось сильно вибрирует и гудит, выше и ниже ходит ровно. Что делать: перейти с полного шага на 1/8 или 1/16, сменить скорость так, чтобы она не лежала в зоне резонанса, добавить демпфер на вал двигателя, использовать драйвер с функцией антирезонанса. Менять двигатель из-за резонанса приходится редко.

Механика

Если электрика исключена, остаётся механика. Проверка проста: отключите двигатели и проверьте руками ход каждой оси.

• Заклинивание. Ось должна идти от руки ровно, без рывков и участков тугого хода. Туго идёт в одну сторону: перекос направляющих, зажатая гайка ШВП, грязь в каретках.
• Муфта. Муфта между валом двигателя и винтом должна сидеть на обоих валах без проворота: стопорные винты упираются в лыски. Если вал в муфте проворачивается, двигатель вращается, а ось стоит: пропуск шагов без видимых причин. Отметьте маркером положение муфты на винте и на валу и посмотрите, не сдвинулась ли метка после теста.
• Ремень. Ремень с малым натягом перепрыгивает зубья на разгоне, с большим перегружает подшипник двигателя. Если на двигателе стоит сильно натянутый шкив нагруженной оси, вал рискует сломаться от усталости: такую ось выносят на собственные опоры и соединяют с двигателем муфтой. Шкив на валу фиксируют двумя винтами под 90° на лыски, лучше шпонкой, а на нагруженных осях добавляют анаэробный фиксатор. Профиль ремня и шкива подбирают парой, об этом в статье про шкивы и звёздочки.
• Винт. Погнутый или плохо выставленный винт даёт тугие участки хода, и нагрузка на двигатель на них резко растёт. Люфт гайки лечат заменой гайки или второй гайкой с преднатягом, осевой люфт винта — парой радиально-упорных подшипников в опоре. Программная компенсация люфта в контроллере годится как временная мера: на шаговом приводе она рискует добавить пропуски.

Если круг превратился в овал или деталь вышла меньше модели, идут по порядку: люфты и ремни, перекос портала (диагонали должны быть одной длины), шаги на миллиметр по линейке и только потом постпроцессор. Диаметр фрезы в базе CAM сверяют с реальным: 3 и 3,175 мм путают, как и диаметр с радиусом.

Помехи и проводка

Самый вредный источник помех на станке это частотный преобразователь шпинделя и его кабель. Он создаёт широкополосные наводки, которые попадают в провода step и dir, и драйвер читает лишний импульс или пропускает настоящий.

Что проверяют:

• кабель двигателя и сигнальные провода идут отдельно от кабеля шпинделя, минимум в разных гофрах, лучше в разных каналах;
• сигнальные провода и кабель двигателя экранированные, экран заземлён с одной стороны;
• у шпинделя на входе частотника стоит сетевой фильтр, на выходе дроссель (подробнее о шпинделе в статье про его выбор);
• вход драйвера на 5 В не запитан от 24 В без резистора;
• корпус станка и экраны подключены к защитному заземлению, а сеть не проседает при пуске шпинделя (электричество в цеху).

Признак помех: пропуски случаются при пуске шпинделя и пропадают, если запускать программу без шпинделя. Проверка: прогнать тот же тест на 50 циклов с включённым шпинделем и без. Если с шпинделем есть сдвиг, без него нет, виновата проводка.

Отдельный случай — скрытый обрыв жилы в кабель-цепи. Прозвонка в покое его не покажет, потому что жила размыкается только на изгибе. Если драйвер сам уходит в ошибку, ось едет в одну сторону или шаги теряются в одном и том же месте хода, подключите двигатель коротким временным проводом мимо цепи. Ошибка ушла — меняйте кабель целиком, а не ищите место излома. В цепи нужен кабель, рассчитанный на многократные изгибы, сечением не тоньше проводов двигателя: монтажный провод для этого не годится.

Перегрев

Двигатель, который работает на предельном токе, греется, и чем он горячее, тем выше сопротивление обмотки и ниже ток при том же напряжении. Драйверы с защитой по температуре при перегреве отключаются или снижают ток, и ось теряет момент без предупреждения. Корпус шагового двигателя при номинальном токе нередко доходит до 70–80 °C (ориентир, смотрите паспорт; изоляция обмоток класса B допускает до 130 °C), и это не признак поломки. Но если сдвиги появляются через 20–30 минут после начала работы и пропадают после остановки, замерьте температуру корпуса инфракрасным термометром и снижайте ток по паспорту, добавляйте обдув или радиатор.

Порядок поиска причины

Идти надо от дешёвого к редкому. Сначала сверяют число шагов на миллиметр и частоту импульсов, затем повторяют тест с ускорением вдвое меньше: исчезла ошибка, значит, дело в моменте. Дальше проверяют ток и напряжение драйвера, прогоняют тест без шпинделя (исчезла, значит, помехи), отсоединяют двигатель и крутят ось руками (туго, значит, механика), смотрят метки на муфте и в последнюю очередь разбираются с резонансом. Если менять два параметра сразу, причина остаётся скрытой: неясно, какое из изменений помогло. Чтобы отделить электрику от механики, меняйте местами два одинаковых узла: драйверы, двигатели или сигнальные кабели на плате. Если сбой переехал вместе с драйвером, виноват драйвер; если остался на прежней оси, смотрите кабель, двигатель и механику; если перешёл на другую ось вместе с сигналом, виновата плата управления. Как вводить станок в работу после покупки, описано в плане первых трёх месяцев, а как читать и править программу, в статье про G-код.

Если все проверки сделаны, а пропуски остались, меняют схему: переходят на замкнутый шаговый привод или серво. Они не убирают причину, но превращают тихую потерю в аварию.