Источником питания или блоком питания является устройство, служащее для понижения напряжения бытовой сети до стандартных для управляющей электроники значений. На первый взгляд, все просто, однако не следует торопиться. Именно этот компонент существенно влияет на надежность функционирования двигателей, электровыгорание элементов управления и компьютера, на пропуск шагов, увод нуля. Основная часть возникающих вопросов касается именно данной тематики, и именно в данной области ведется основная масса споров.

Линейный источник питания представляет собой понижающий трансформатор, стабилизатор и выпрямитель. Задачей трансформатора является забор на себя бытового переменного напряжения 220W и  понижение его, к примеру, до 40W. Затем выпрямитель выполняет свою задачу – превращает это напряжение в 40W постоянное. И, в заключении, стабилизатор снижает и поддерживает созданное установкой значение, к примеру, 36W. Все в совокупности позволяет запитать драйвер ШД. Положительными моментами данного устройства являются простота, устойчивость к помехам, а также невысокая стоимость. Минусами являются громоздкость и  слишком большое тепловыделение.

Импульсный ИП первоначально выпрямляет напряжение в сети, а далее проводит его преобразование в переменное напряжение 380W 20кGz, после чего посредством трансформатора производит его понижение  до 36W.  Зачем вести работы  с высокой частотой и напряжением? Ответ здесь — габаритные размеры. Трансформатор на 500W линейного источника питания имеет массу 10 kg, при этом трансформатор той же мощности у импульсного источника — порядка 100 g. Итак, плюсами являются малый вес, различные защиты (от перегрузок, перегрева, чрезмерного напряжения, автоматический перезапуск в случае короткого  замыкания), мягкий пуск. Минусами являются генерация помех и довольно сложный ремонт в домашних условиях. Следует отдать предпочтение импульсным б

локам от компании MeanWell как максимально доступным и качественным. Плохо разработанный БП доставит пользователю массу проблем.

Выбирать мощность БП следует, исходя из общей мощности нагрузки, т.е. исходя из гипотезы, что все шаговые двигатели вращаются одновременно и образовывают максимальную нагрузку. Следует просуммировать  номинальные токи шаговых двигателей, добавить запас 20% — таким образом рассчитывается необходимая мощность БП. Почему же номинальный ток,  а не разделенный на 2, ведь у ШД функционирует то одна, то вторая  обмотка. Действительно, возможно применение ИП на меньшую мощность, однако  различные драйверы ШД применяют различные технико-схематические решения, поэтому целесообразно выбрать БП с запасом и не рисковать.  К примеру, из-за неверного подключения ШД или драйвера может произойти пуск сразу двух обмоток. В данном случае повезет, если включится защита от перегрузки и произойдет отключение БП, но тогда будет трудно найти причину неисправности. А если представить, что БП кратковременно, на время шага, снизит выходное напряжение до уровня, при котором величина

тока не будет более паспортной, т.е. произойдет переключение в режим стабилизации тока. При этом, когда шаг закончится, случится возврат номинального напряжения. В результате на драйвере будет появление скачка  питания, при этом его поведение так же невозможно определить. Еще более сложным будет понять причину происшествия и появления пропусков шагов.

Производим выбор схемы заземления. Безопасность

В бытовой сети напряжение переменного типа, что означает постоянное изменение полярности, т.е. ток идет через подключенную нагрузку, меняя н

аправление: такая смена бывает 50 раз в секунду (50Gz). При этом один провод  в электросети бытового типа носит название «нейтраль», второй при этом называется  «фаза». Провод нейтрали не может изменить существующее на нем напряжение, т.е. в случае исправной проводки он должен иметь потенциал грунта, на котором размещен Ваш дом. Таким образом, это безопасный провод, и в случае, если произвести измерение напряжения (теоретически) между ним и радиатором отопления (как правило, заземлены) или водяным краном  (заземлен, т.к. водопроводная труба проходит под землей), то вольтметр покажет значение, приближенное  к нулю (допускается 3-4W). Другой привод фазный, несущий «пульсирующее» напряжение, меняющее знак относительно нейтрали и земли. Это значит,  что проведя измерение напряжения между нейтралью и фазой и землей, номинальное напряжение сети окажется равным 220V.

Не стоит брать на себя ответственность и выполнять процедуры по выделению земли из нейтрали рассмотренным способом, ведь в результате ошибки на станок может быть подано фазное напряжение. Поэтому для проведения подобных работ следует обратиться к специалисту.

Сначала производим проверку работы измерительных средств. Не стоит рассчитывать, что напряжение отсутствует: если вольтметр неисправен, он показывает нуль. Как пример  — известный взрыв газа в жилом доме в Анекке, который полностью разрушил 8 этажное здание, произошел в следствие поисковых работ по утечке неисправным газоанализатором.Итак, профессионал закончил работы. Подключаем сеть, берем вольтметр переменного и постоянного тока, фазный индикатор и проверяем все потенциалы на точность включения и безопасность.

В функционирующей розетке между 2-мя отверстиями показатель вольтметра (переменный ток) должен быть 220V. Иначе следует выкинуть неисправный прибор. Если на приборе указанный результат, один щуп соединяем с клеммой заземления в

 розетке, вторым касаемся одного и другого отверстия. Один показатель должен равняться 220V — это фаза;   другой — не более 4V — это нейтраль. Тогда прибор исправен. Необходимо взять фазную отвертку (индикатор фазы) и коснуться ей земли. Если индикатор не сработал,  касаемся нейтрали;  если не сработал — касаемся фазы.

Свечение есть, индикатор исправен. Смело подходим к станку. Сначала следует коснуться фазным индикатором всего железа, корпуса, вторичных цепей, датчиков. Фаза НИГДЕ не должна индицироваться. Не должно появляться даже полусвечение индикатора. В случае обнаружения свечения, следует все отключить одной рукой и пригласить специалиста. Если свечения нет, сле

дует найти «контрольную» землю – отопительную трубу или трубу холодного водоснабжения. Одним концом присоединяем вольтметр к этой земле, вторым производим проверку в режиме ACV. Переключаем прибор на режим DCV — измерения постоянного напряжения.

Здесь напряжение не может превышать номинальное источника питания, т.е. он вырабатывает 24V, и неоткуда взяться 30V. В случае, когда напряжение вторичных цепей превышает номинальное, которое выдается  БП, то это является явным признаком ошибки соединения или пробоя. Следует искать, откуда появилось это напряжение. Не устранив данную проблему, не следует выполнять дальнейшие действия.

Итак, проведенные измерения дали возможность нам считать, что, по кр.мере, данный станок можно трогать голыми руками. Затем необходимо проверить низковольтные цепи. Перед тем, как компьютер начнет  формирование управляющих импульсов, стоит проверить, что механическая часть и электроника готовы их принять и произвести их обработку. При этом  шины данных компьютера и станка могут сильно конфликтовать, и прежде, чем связать эти кабели, следует произвести проверку потенциалов между ними. В случае соединения компонентов,  имеющих разные потенциалы, замыкание может сжечь  электронику и сам компьютер.

На данном этапе остановимся более подробно. Существуют постоянные и наведенные потенциалы. Наведенные представляют собой обычное статическое электричество, способное достигать сотни вольт, но при этом можно просто соединить подобные  потенциалы между собой, а далее, вызвав искру, потенциалы будут уровнены и не смогут причинять вреда. Потенциалы постоянные могут появиться в результате какой-либо коммутации источников напряжения. Данные потенциалы могут быть незначительными (в вольтах), но за ними находятся мощные источники тока  —  БП станка или компьютера. При соединении таких потенциалов между собой через перемычку станет идти ток, и это будет происходить до тех пор, пока или не произойдет перегорание перемычки,  либо источник тока не выйдет из строя. Опасными являются оба типа потенциалов. Однако, наведенные являются опасными только в период коммутации, в связи с чем коммутировать (стыковать-разъединять) кабели при отключенных компонентах запрещается. Совет здесь один: в ходе подключения станка к компьютеру необходимо сначала выдернуть из розетки оба устройства, а затем соединить между собой. Только теперь можно выполнить подключение к сети.

Произвести вычисление второго типа потенциалов — постоянных — сложнее. Высокое входное сопротивление современных цифровых вольтметров (положительная их характеристика) практически не влияет на потенциалы, т.е. не меняет их в ходе измерения. А значит, следует нагрузить данные потенциалы и проследить, как они будут меняться. Теоретически, нужно поступать таким образом: пусть обнаружена разность потенциалов в системе компьютер-станок 25V. Это может быть как  наводкой, так и ошибкой соединения.  Соединив земли, можно будет угадать,  была ли это  наводка, или что-то спалить в случае ошибки соединения. Во избежание неприятностей можно поступить так: допустимый ток ИП  в компьютере не  менее 5А.  Ток ИП станка – 10А, а значит, можно дать на данные источники дополнительную нагрузку 1А, что не нанесет практически никакого вреда. Таким образом, можно  посоветовать соединить между собой потенциалы, ограничивая при этом максимальный ток в перемычке одним ампером. Исходя из закона Ома, ток равняется напряжению, деленному на сопротивление. Отсюда следует, сопротивление исчисляется как напряжение, деленное на ток. В нашем случае это 25/1 = 25Om. Итак, соединив потенциалы посредством резистора в 25Om, мы сможем или выровнять потенциалы в случае, если они наведены, или принудим идти через перемычку, оснащенную резистором, безопасный ток в 1А. Когда потенциалы уровнялись, следует смело выключать все и соединять уже без резистора. Иначе, отключая  то один БП, то другой, находим, через какой происходит утечка. Таким образом, нужно думать, проверять и устранять разность потенциалов. Надеемся, что  разности потенциалов не было вообще, и Вам удалось безопасно соединить компоненты.

Итак, соединение выполнено, проверено и запитано. Далее следует начинать настройку программы управления.

Шарикоподшипниковые обоймы являются элементами качения шариковых направляющих качения линейного типа; в круглых направляющих скольжения – это  бронзовые или латунные втулки. По характеристикам точности и качества оптимальными считаются рельсовые направляющие, однако и цена их является самой высокой из ряда.

Китайские гравировально-фрезерные станки малого формата, как правило, оснащаются круглыми направляющими, реже – направляющими рельсового типа. Станки большого формата основной массы производителей оснащаются рельсовыми направляющими. Круглые направляющие, имеющие втулки, применяются в большинстве марок граверов от компании Roland и в некоторых моделях китайских станков, например, в станках от компании FortunaMectronic линейки DB. Дадим более подробную характеристику направляющим.

Шариковые направляющие качения рельсового типа

Рельсовые направляющие общепромышленного назначения применяются в области  станкостроения, при изготовлении или модернизации дерево- или металлообрабатывающего оборудования, а также в транспортных системах (подъемники, складское, конвейерное оборудование), в ходе конструирования промышленных роботов, при разработке лабораторного и научно-исследовательского оборудования, в приборостроении. Направляющие миниатюрного размера применяются в основном при изготовлении лабораторного  оборудования и медицинской техники, при сборке микросхем и полупроводников, а также в различного назначения системах точного линейного перемещения (легких и сверхлегких). Несущая платформа или каретка устанавливается на направляющие (специально подготовленные стальные рельсы, имеющие закаленную и отшлифованную  поверхность).

Каретка перемещается по рельсу посредством четырех независимых  друг от друга цепочек шариков блока качения. При этом шары каждой цепочки катятся по рельсу по внутренней части закольцованной канавки и толкают  друг друга. Подобная схема движения дает низкий коэффициент трения, который можно уменьшить через принудительную подачу смазки посредством ниппеля, располо

женного на каретке. Для того, чтобы предотвратить попадание посторонних частиц в зону блока качения, на каретку ставятся скребки, а также ряд резиновых уплотнителей. Каретки, разработанные для  систем общепромышленного назначения, производятся с 3-мя типами преднатяга. Здесь преднатягом является показатель нагрузки отдельно взятого шарика, принадлежащего блоку качения (подшипнику),  относительно каждого другого. Преднатяг предназначен для снижения аксиального люфта, а также  повышения жесткости системы с целом. Фирма SBC выпускает комплектующие систем линейного перемещения 3-х  классов точности. Посредством класса точности определяются отклонения в геометрии передвижения каретки. Класс точности зависит от качества обработки элементов системы. Одна направляющая может быть оснащена  более чем одной кареткой. Установка разноклассовых кареток на  одном рельсе не допускается.

Предустановленная каретка и рельсовая направляющая качения составляют пару  или блок линейного перемещения, если  устанавливается более чем одна каретка. Готовые блоки можно комплектовать заглушками для отверстий монтажа и гофрозащитой в целях предотвращения проникновения на  направляющие пыли и различных твердых частиц. Можно изготавливать направляющие со сквозными монтажными отверстиями, а также глухими резьбовыми. Специальная физико-химическая обработка направляющих и каретки позволяет защитить их от коррозии и улучшить эксплуатационные характеристики. Миниатюрные направляющие качения бывают двух классов точности и изготавливаются с легким или стандартным типом преднатяга.

Круглые шариковые направляющие качения

Блоком линейного перемещения является одна или несколько шариковых втулок, которые устанавливаются в алюминиевый, чугунный или пластиковый корпус, имеющий крепежные отверстия. Таким образом, заказчик может не изготавливать самостоятельно детали корпуса для закрепления внутри линейного подшипника. Создание системы линейного перемещения, основанной на линейных блоках, производится путем их комбинирования с высококачественными прецизионными валами.

Основными характеристиками являются относительно небольшая грузоподъемность (в статическом состоянии грузоподъемность составляет до 2 т на один блок); невысокая стоимость изделий; блоки для валов имеют диаметр в диапазоне 3-60 мм; огромный ассортимент исполнений (закрытого типа,  открытые, с возможностью регулирования зазора, сдвоенные); наличие самореализующихся установок для компенсирования погрешностей монтажа; наличие готовых систем в сборе, содержащих вал на рельсовой опоре и линейные блоки; блоки втулки для линейно-поворотного и линейного перемещений; стандартизованные дюймовые, метрические размерные ряды; показатель скорости до 2 м/с; стойкие к коррозии исполнения, выполненные из нержавеющей стали.

Линейные направляющие

Линейные подшипники представляют собой достаточно простой экономичный механизм, обеспечивающий линейное движение с минимальным трением. Шариковые втулки линейного типа широко применяются во всех промышленных областях. Они получили высокую оценку среди заказчиков и считаются  «идеальным продуктом». Создаются системы линейного перемещения с применением  шариковых втулок, которые комбинируются с качественными прецизионными валами.

Основными характеристиками являются: невысокая грузоподъемность (в статике грузоподъемность составляет 10 кг — 3,5 тонны на подшипник); относительно небольшая точность (возможно точно задать только направление перемещения, а не точное позиционирование); линейные подшипники  валов размером 3 — 150 мм; невысокая стоимость изделий; большой ассортимент исполнений (открытого и закрытого типов, имеющие регулируемый зазор, удлиненные); работа самоустанавливающихся исполнений, компенсирующих  погрешности монтажа; шариковые втулки, предназначенные для линейно-поворотного и линейного перемещения; различные варианты крепежа (стандартного типа  и через разные фланцы; показатель скорости до 2 м/с; исполнения, стойкие к коррозии, изготовленные из нержавеющей стали; разнообразие дополнительных покрытий антикоррозионного и косметического характера; размерные метрические и дюймовые ряды.

Шариковые втулки бывают  стандартного типа, шариковые втулки и блоки либо линейно-поворотные, позволяющие выполнять одновременно линейные и вращательные  движения. Прецизионные валы применяются для совместной работы с блоками и линейными шариковыми втулками. Так как качество вала напрямую влияет на ресурс линейного подшипника, совместно с которым применяется вал, качество прецизионных валов проверяется с особой тщательностью.

При выборе направляющих следует учесть несколько основных моментов. Как было упомянуто выше, наилучшими направляющими из перечисленных являются линейные рельсовые направляющие. Такой тип направляющих обеспечивает максимальную жесткость конструкции, высокую надежность и вносит минимум погрешностей перемещения. По этому основная масса производителей станков чаще всего в дорогостоящие и точные модели устанавливает рельсовые направляющие. Дорогостоящие машины оснащаются  японскими или европейскими направляющими, например, произведенными японской компанией THK, а  недорогие — направляющими, изготовленными в Тайване. Но и сегодня многие производители оснащают простые дешевые модели станков круглыми линейными направляющими, и большинство задач по изготовлению рекламной продукции выполняются вполне качественно.

Таким образом, если имеются высокие требования к точности производства изделий, а также материальная возможность, то следует останавливать свой выбор на рельсовых направляющих, в противном случае основная масса задач может быть решена посредством круглых направляющих.

Шаговые двигатели классифицируются на биполярные и униполярные. ШД первого типа имеют две обмотки и четыре провода.

Рассмотрим типовую схему включения биполярного ШД.

 Кратко рассмотрим работу данной схемы. Каждая из обмоток включается по индивидуальной мостовой схеме. В центре проходит обмотка двигателя, на верхней точке схемы находится «плюс» источника питания, «минус» — на нижней. Диоды предназначены, чтобы защитить транзисторы от ЭДС самоиндукции; их влияние на функционирование схемы не будем рассматривать. Подается логическая единица на вход 1А, затем происходит включение транзистора Q1 и выключение Q3. Т.о. напряжение питания посредством открытого Q1 идет  на левую точку присоединения обмотки. Одновременно на вход 1В подают логический нуль, что позволяет открыть транзистор Q4 и закрыть транзистор Q2. Так на правой точке присоединения обмотки получается напряжение «минуса» источника питания. Итогом является образование на левой клемме обмотки «плюса», а на правой  — «минуса», и ток начинает поступать через обмотку, в результате ротор ШД на 1 шаг поворачивается. Если затем А1 дать логический нуль, а A2 — логическую единицу, транзисторы переходят в противоположное состояние, обмотка запитывается в обратную сторону (правая клемма — «плюс», левая – «минус»). Это заставляет ШД выполнить еще шаг. Но обмотки только две, таким образом, вариантов прохождения тока только четыре. В таблице выше приведены вариации логических состояний на входах 1A, 1В, 2А, 2В, чтобы у двигателя была возможность шагать в любую сторону. Отрицательным моментов в данной схеме являются сквозные токи, возникающие, когда происходит переключение транзисторов одного плеча из одного в другое состояние. Иначе говоря, в положении, когда  транзистор Q1 еще не закрыт, а Q3 уже стал открываться, тогда ток идет от «плюса» источника питания через два полуоткрытых транзистора к «минусу». Это приводит к разогреву транзисторов и искажению на обмотке формы сигнала. Специализированные драйвера аппаратно решают данную проблему. Если Вы решили разрабатывать собственную схему, вероятнее всего нужно будет ознакомиться с данным эффектом и способах его преодоления в спецлитературе, к примеру, в книге авторов У.Хилла, П.Хоровица «Искусство схемотехники».  Однако на принцип функционирования моста это нисколько не влияет – отдельно взятое плечо способно подавать на клемму обмотки только «минус» или  «плюс» питания.

Рассмотрим схему униполярных шаговых двигателей.

Униполярный  ШД: типовая схема включения:

Функционирование униполярной схемы гораздо проще для понимания. Каждая обмотка имеет центральный провод, всегда подключенный к «плюсу» питания. Предназначение диодов — защита от обратного ЭДС. Открывается транзистор Q1  — ток течет по верхней половине обмотки на «минус». Открывается  Q2  — ток идет по нижней половине обмотки на «минус». Проблема сквозных токов полностью отсутствует.

 На схеме показано, что биполярный ШД разработан на основе более простой схемы обмоток, но более сложной схемы управления. Униполярный двигатель отличается более сложной схемой обмоток, но более простой  управления. Существуют двигатели, которые включаются любым из приведенных способов, в зависимости от драйвера ШД и типа двигателя, который он поддерживает.

Рассмотрим типовую  схему генератора сигналов для приведенных схем.

 На вход генератора производится подача логических сигналов Dir и Step. Dir задает направление вращения двигателя — порядок изменения логических состояний на выходе 1A, 1B, 2A, 2B. Step тактует шаги, а также указывает схеме, какое следующее логическое состояние на выходах согласно таблице выработать.

Таким образом, электросхемы управления ШД довольно просты. В Сети можно найти различные варианты подобных схем на основе микросхем 555ТМ7 и силовых ключей. Они недороги, хорошо функционируют, не требуют наладки. Сложные схемы представляют собой по сути улучшенные  приведенные здесь схемы, которые оснащены еще и регулировкой тока (обратной связью по току) и возможностью дробления шага. Существуют также специализированные микросхемы-драйверы для управления ШД. К примеру, TB 6560 (PDF), содержащая в себе микроконтроллер, оснащенный таблицами Брадиса и формирующий правильную синусоиду для различных режимов полушага, а также имеющий  возможность программного регулирования токов обмоток.

Стоимость повторения данных схем  — порядка 250 рублей на ШД. Стоимость специальной микросхемы TB 6560 — 400 рублей, к тому же следует приобрести обвязку. Итого 700 рублей/канал. Приобрести полностью плату управления можно за 1500 рублей/канал, но сделать ее самому не составит особого труда.

Предлагаем рассмотреть еще пример того, как реализован  Step/Dir драйвер.

Такой драйвер реализован на основе логического контроллера L 297 (PDF), а также токовых усилителях L 6203 (PDF). Данная схема позволяет регулировать ток обмоток, а также полушаговый режим, наладка и программирование при этом не нужны. Можно порекомендовать  связку L 297 + L 298. Драйвер L 297 (PDF) поддерживает питание до 46W, ток обмоток — до 5А.