Независимый Ювелирный Форум

Пропуск шагов
(кратко и фрагментарно о пропусках шагов, их причинах, поисках и устранении причин)

Побочным результатом описанного раннее сверхточного Home датчика является то, что его пластинку можно использовать для поиска причин пропуска шагов, если сделать другой конец пластинки в виде стрелки.

Например, какая-то из осей с шаговым двигателем пропускает шаги, хотя с её механикой всё в порядке.
Пишут, что двухфазный шаговый двигатель может пропускать шаги только порциями по 4 полных шага. Мне не совсем понятно, почему только порциями по 4 полных шага. Однако очевидно, что шаговый двигатель может пропустить только целое число полных шагов. Он не может пропустить несколько микрошагов, не кратных полному шагу.
Подробнее:
Поставили ось в 0, вырезали какое-то изделие, и снова поставили эту ось в 0.
Если от Mach3 до драйвера доходят все сигналы без искажений, то в конечном нуле (после резки) драйвер подаёт на мотор те же токи, что и в начальном нуле (до резки), т.к. положение оси предполагается тем же, т.е. ноль. Т.к. драйвер подаёт на мотор те же токи, то мотор повёрнут на то же число микрошагов (относительно начала целого шага). Например, если в процессе резки остановить на некоторое время мотор, схватив его вал пассатижами, то он пропустит сколько-то шагов. Но в конечном нуле (после резки) он будет повёрнут на то же число микрошагов относительно начала целого шага, что и в начальном нуле (до резки), потому что драйвер подаёт на мотор те же токи.
Резюме:
Если от Mach3 до драйвера доходят все сигналы без искажений, то пропущены могут быть только полные шаги. Значит, если пропущены микрошаги, т.е. не целые полные шаги, то значит сигналы искажаются где-то на пути от Mach3 до драйвера.

На незадействованный конец вала мотора прикрепляем стрелку (примерно как пластинку на рисунках сверхточного Home датчика), а под неё на торец мотора лепим круговую шкалу с 200 делениями – по числу полных шагов на оборот мотора (убедившись, конечно, что в Вашем моторе 200 шагов на оборот). При достаточно большой шкале положение стрелки внутри одного деления хорошо различимо глазом. Сравниваем положение стрелки в начальном нуле (до резки) и в конечном нуле (после резки). Если пропущено не целое число полных шагов, то это можно заметить по разному положению стрелки внутри деления.
Таким образом можно предположить, где теряются шаги: искажается сигнал на пути от Mach3 до драйвера (пропущено не целое число полных шагов), или шаги теряются уже после драйвера.

Если после драйвера, то первым делом, конечно, нужно сравнить резку с воском и без воска. Может, фреза с трудом входит в воск. Типичным проявлением этого является уползание Z в плюс. Или ось слишком тяжёлая, т.е. слишком инерционная, для данной мощности мотора. Тогда это покажет простой тест, в котором ось в течение долгого времени постоянно ходит туда-сюда: туда неспеша одним движением с малой скоростью, обратно несколькими рывками на полной скорости с остановками между рывками (а для поворотной оси – просто рывками в одну сторону). Интересно, кстати , будет поменять направления плавного движения и рывков: может, в конструкции есть какая-то несимметричность.
В этих двух случаях должны помочь увеличение тока с драйвара на мотор и уменьшение скорости (в первом случае) и/или ускорения (во втором случае), если конечно драйвер/мотор не слишком слабые.
Расстояние между рывками в вышеупомянутом тесте должно быть таким, конечно, чтобы ось успевала разгоняться до полной скорости. При скорости 600 мм/мин и ускорении 100 мм/сек2 ось достигает максимальной скорости на расстоянии 0.5 мм, 1200 мм/мин и 200 мм/сек2 – 1 мм, 1800 и 50 – 9 мм.

Моторные провода, понятное дело, должны быть правильные: витая пара и/или экран с соответствующим заземлением. Только производитель драйверов может сказать, какие провода лучше для их драйверов. Но обычно производитель драйверов по этому поводу молчит, как рыба об лёд. Tech Support Лидшайна несёт по этому вопросу такую ахинею, что лучше бы молчал. Исключением является Gecko, который чётко и ясно излагает Reducing RF Interference. Их рекоммендации будут работать и с другими драйверами.
Обратите внимание, что речь там идёт о шуме FROM Гекко драйверов, а не о защите дравера/провода/мотора от внешнего шума. Это подчёркивает необходимость заземления экрана кабеля на корпус. Незаземлённый экран может защитить провод от внешнего шума, работая как клетка Фарадея (в Википедии ошибочно сказано, что клетка Фарадея должна быть заземлена). Но для шума, исходящего от кабеля в окружающую среду, незаземлённый экран – как мёртвому припарка.

Следующим шагом можно поменять напряжение, подаваемое на драйвер, если драйвер позволяет. Неискушённый станкостроитель может сказать: Как вообще влияет напряжение драйвера? Мощность мотора зависит от тока. Если, например, ток должен быть 1 A, то драйвер подаёт на мотор такое напряжение, какое создаёт ток 1 A. Учи закон Ома: I=U/R.
Матёрый станкостроитель ответит так: Закон Ома – это для блондинок. А нормальные ювелиры знают, что I(t)=U*t/L. Т.е. величина тока не устанавливается мгновенно, а растёт со временем от нуля, пропорционально напряжению и обратно пропорционально индуктивности. Внутри шагового двигателя есть этектромагниты, т.е. катушки. Катушки обладают индуктивностью. Если слово «индуктивность» не привычно уху, то можно заменить его словами «инерция тока». Это по сути не менее верно. Подмена понятий в данном случае сути не меняет. Итак, ток в катушке обладает инерцией. Он не может возрасти мгновенно. При подаче напряжения он от нуля постепенно увеличивается. Чем больше напряжение, тем быстрее ток увеличивается. Если напряжение небольшое, то ток к концу шага может и не вырасти до нужной величины, т.е. мотор не провернётся. А при бОльшем напряжении ток вырастет быстро, и мотор повернётся куда надо когда надо. В начале шага драйвер подаёт на мотор всё напряжение, которое даёт источник питания. Как только ток достигает нужного значения, драйвер обрубает напряжение до определённой величины, и дальше уже ток постоянный и да, работает закон Ома.

При бОльшем напряжении ток изменяется быстрее, соответствено помехи от него больше.
Например, драйвер может работать с напряжением от 10 V до 40 V. Режем тест сначала при 12 V, потом тот же тест при 36 V. Если стало лучше, значит дело было в несоответствующем мотору напряжении. Gecko даёт формулу расчёта оптимального напряжения блока питания (однако оно часто оказывается выше допустимого для драйвера+мотора):
V=32*Sqrt(L)
где V – напряжение в вольтах, L – индуктивность в mH (в миллигенри),
или упрощённо – от 4 до 20 раз больше напряжения, указанного на моторе.
Если стало хуже, значит дело в помехах от тока моторов.
Самое чувствительное к помехам место – провода от контроллера к драйверу, если они есть. Нет причин не сделать провода питания драйверов витой парой или так же, как моторные провода. Если для разных компонентов станка используются разные источники питания, то нет причин не сделать ground не общим, а сделать их ground’ы раздельными, но соединить эти ground’ы через choke миллигенри примерно так на 20-50. Нет причин стягивать разнородные провода (питания, моторные, контроллер-драйвер) в один пучок. Нет причин ломать витую пару: сгибать её с радиусом меньше допустимого радиуса изгиба (обычно это 4-5 диаметров провода, т.е. 1”).

Пищу для размышлений может дать также тестовый мотор. На 5-осевом станке делается тест без участия одной оси, неучаствующий мотор отсоединяется, и вместо него присоединяется тестовый мотор (и возможно драйвер). На 4-осевом станке просто присоединяется пятый мотор. Тестовый мотор делается с идеальными максимально короткими проводами, и мотор просто стоит на торце на столе или ещё где. Например, мы исследуем ось Z, а тестовый мотор присоединён как B. Тогда к обоим этим моторам прикрепляется стрелка и шкала. В Mach3 для B делаются все установки такими же, как для Z, и в Formulas пишется B=Z. Тогда Mach3 будет посылать на Z и B идентичные сигналы. После теста смотрится по стрелкам, одинаково ли эти моторы пропустили шагов, и делаются выводы.

Неискушённый станкостроитель 4-осевого станка может спросить: какой нафиг 5-й мотор, если контроллер 4-осевой? Матёрый станкостроитель, искушённый в маркетинговых кознях производителей электроники, ответит: если есть на контроллере два неиспользуемых outputs, то вот вам и 5-я ось (нужны, конечно, ещё и мотор и драйвер). Например, в Mach3 прописываем pins 1 и 17 как Dir и Step для B, с соответствующих этим pins контактам контроллера (и с + или ground) ведём провода к драйверу. Вот так лёгким движением паяльника 4-рёх осевой контроллер превращается в 5-яти осевой. На нескольких разных контроллерах это прекрасно работало. Обычно выходы на драйверы сделаны в контроллере по-другому, чем outputs, как то сделан 3-state buffer, etc. Но, видимо, 3rd state там нужен как собаке 5-я лапа.

Если шаги пропадают на пути от Mach3 до контроллера, то в Mach3 можно попробовать увеличить длину Step Pulse и Dir Pulse вплоть до максимального воспринимаемого значения 15 – это в Config / Motor Tuning, отдельно для каждой оси. А также сделать длину максимальной, включив Sherline 1/2 Pulse mode – это в Config / Ports and Pins, страница Port Setup and Axis Selection. На этой же странице можно увеличить Kernel Speed до максимума – 100 kHz. Если связь компьютера то станком идёт через Ethernet или USB, то можно попробовать уменьшить Max Step Frequency до минимума – это в PlugIn Control, если вообще есть. Если связь компьютера cо станком идёт прямо через LPT порт, то это тяжёлый случай, потому что нет возможности увидеть, что связь со станком потеряна, т.к. после потери связи и её возобновления Mach3 продолжает работать как ни в чём не бывало, хотя во время потери связи данные посылались в никуда.

Если помехи возникают от реле в момент выключения, то это лечится диодом. СтОят диоды копейки. В электромеханическом реле есть электромагнит, т.е. катушка, которая обладает индуктивностью. Используем использованную ранее аналогию индуктивности с инерцией. Пусть реле включено, тогда в нём по катушке толпой несутся электроны. Выключаем реле, т.е. на конце катушки контакт размыкается, т.е. образуется воздушный промежуток. Электроны по инерции прут к концу катушки, а там бах – пути дальше нет. А электроны всё прут по инерции. Задние напирают на передних. Давление на передних невыносимо. И тогда они как ломанутся по воздуху через разомкнутый контакт! А за ними по образованной ими плазме и остальные. Получается искра, т.е. маленькая молния с такими помехами, что все помехи от моторов etc кажутся детскими шалостями электромагнитного поля. Даже если электроны не ломанулись по воздуху, а резко остановились перед разомкнутым контактом, то ток остановился резко, т.е. магнитное поле изменилось резко, своим резким изменением наведя наводки на всё вокруг.
Для предотвращения этого между концами катушки ставится диод. Если электроны идут по катушке от её конца A к другому концу B, то диод ставится так, что электроны могли бы пройти по нему обратно от B к A. Но электроны так не пойдут, потому что это было бы против напряжения. Напряжение ведь гонит их от A к B. Т.е. в этом состоянии диод никак ни на что не влияет. Теперь выключаем реле. Электроны, как и в прошлый раз, подлетают в концу B, а там снова та же засада, путь прерван. Но тут они смотрят – диод отркрыт от B к A! И встречного напряжения уже нет! И они в диод. И дальше по катушке по кругу. Побегали по кругу, угомонились, вследствие сопротивления ток угас. Угас он постепенно, а не резко, как в прошлый раз, так что наводок практически не навёл. Электроны в катушке остановились плавно, электронов в других частях электроники ничто не побеспокоило, все электроны счастливы. И вам желаю того же.

Может лучше всё-таки копеечный энкодер повесить, а ?
И мозг свой не мучать.
А еще лучше линейку оптическую...

_________________
хороший боцман любой обмер совершает веслом.

Текст о пропуске шагов оставил после себя какое-то тяжелое впечатление. Даже не знаю, почему.

Дык... текст о том, что происходит при изменении температуры со станком в целом
(когда он люминивый) боюсь удручил бы еще больше.
Как и текст о том, насколько все непараллельно и неперпендикулярно.

Всегда тяжело задумываться над "нехорошим".

Многие знания, многие печали.

_________________
хороший боцман любой обмер совершает веслом.

Как оказалось, когда говорят, что шаговый двигатель может пропускать шаги только порциями по 4 шага, то имеется в виду двухфазный режим полных шагов «two-phase on, full step excitation», а не микрошаговый.

Текст – это ещё цветочки.
Сами пропуски шагов оставляют ещё более тяжёлое впечатление.

Если имеется в виду Rotary Encoders, то они предотвратят пропажу шагов только после контроллера или драйвера, куда воткнут encoder.

Например, такой агрегат: мотор, драйвер и инкодер в одном флаконе – integrated closed loop stepper (под заманчивым вводящим в заблуждение названием Integrated Easy Servo Motor). Драйвер с инкодером сидят прямо на моторе. Конечно, если шаг дошёл до драйвера, то он не будет пропущен: даже если схватить вал мотора и остановить его, то мотор докрутится до нужной позиции, как только отпустишь его. Но если сигнал искажается до драйвера, т.е. где-то на пути софт-контроллер-драйвер, то такой инкодер не поможет.

Leadshine по поводу этого продукта пишет: loss of movement synchronization (step loss) ... is totally eliminated, т.е. потеря шагов полностью устранена. Однако они забыли обратить внимание читателя, что устранена она в пределах данного продукта, а не на всём пути от софта до мотора.

А если имеется в виду linear encoders, то это уже немножко совсем не копеечные вещи.

Anaheim Automation для подавления высокочастотного шума рекоммендует между проводами каждой пары проводов мотора ставить керамичсеский (т.е. неиндуктивный неполярный) конденсатор, как можно ближе к мотору. Это, однако, нельзя считать универсальным средством, которое будет работать и с драйверами других фирм: не известно, как драйвер среагирует на ток зарядки конденсаторов в момент подачи высокого напряжения. Упомянутые ранее рекоммендации Gecko Reducing RF Interference гораздо универсальнее. В худшем случае они если не помогут (если характеристики драйверов ну очень отличаются), то уж никак не навредят.

Рекоммендуемые Anaheim Automation конденсаторы привлекательны простотой применения (всего 4 или 8 паек на мотор) и дешевизной: 10 таких конденсаторов стоят 60 центов. Если производитель Вашего драйвера говорит, что конденсаторы драйверу не помешают, но затрудняется сказать величину конденсаторов – то, чтобы не ошибиться, можно поставить параллельно 100 pF и 100 nF. Производитель драйвера, понятное дело, должен в таком случае одобрить как минимум 1 микрофарад.

Первые шаги

Предположим такую ситуацию:
Вы хотите проверить люфт какой-то оси. Вы переключились в Mach3 c Continuous на Step и поставили там величину шага, равную одному микрошагу по этой оси (например, для 8 микрошагов на полный шаг, 200 полных шагов на оборот, leadscrew 10 оборотов/дюйм – это 0.00159 мм). Наблюдая за перемещением оси с помощью индикатора или ещё как, вы двигаете ось шаг за шагом в одном направлении. Затем стали двигать в противоположном направлении. В противоположном направлении, однако, ось стала двигаться не сразу, не с первого шага, а пропустила первые шаги. Первый шаг или два или три etc она стояла на месте, и только со следующим шагом переместилась.

Возникает вопрос: Это люфт? (и рука непроизвольно тянется к гайке leadscrew, чтобы затянуть её потуже).
Возникает ответ: Это не обязательно люфт. В голову приходят как минимум 3 вероятные причины:
1) Люфт
2) Упругая (на скручивание или сжатие-растяжение) муфта, соединяющая вал мотора с leadscrew (например, муфта с прорезями, компенсирующая несоосность)
3) Не тянет мотор. Вернее, тянет, но не с первого шага. Вот это и есть основная тема данного поста.

Если причина пропуска первых шагов – люфт (1), то leadscrew (его гайку и/или подшипники) следует подтянуть. Если не люфт, а упругая муфта (2) или слабый мотор (3) – то, наоборот, ослабить, чтобы ось шла легко (не допуская, кончно, люфта). Нет смысла затягивать leadscrew сильнее, чем необходимо – это только ускорит износ и приведёт в люфту.

Если причина – упругая муфта (2) или слабый мотор (3), то может случиться такое: первый шаг – нет движения, второй шаг – нет движения, и т.д., затем на каком-то шаге ось двинулась и проехала всё расстояние (или часть его) с первого шага. Т.е. переместилась не только на этот шаг, но и на ранее пропущенные. Это может произойти, если трение покоя заметно выше трения скольжения (косяк со смазкой). Т.е. усилие накапливалось, накапливалось, и когда превзошло трение покоя – ось поехала. В этом случае, очевидно, виноват не люфт.

Назовём причины 1) и 2) механческими (люфт и упругая муфта), а причину 3) – электрической (мотор тянет не с первого шага).

Кто виноват?
Как же определить, каковы причины пропуска первых шагов – механические или электрические?
Увеличить ток, подаваемый драйвером на мотор (ну или уменьшить, если увеличить никак). Если причина механическая, то шаги будут пропускаться так же, как и раньше (потому что мотор и с прежним, и с новым током проворачивается на столько, на сколько задано). Если причина электрическая, то при увеличении или уменьшении тока число пропущенных первых шагов будет соответственно уменьшаться или увеличиваться. И вот почему:

При попытке поворота мотора на N микрошагов, torque возрастает на
Tn = Tпш * sin ((90 x N)/МШ))
где (справа налево)
МШ – число микрошагов в полном шаге,
N – число микрошагов, на которое должен был бы повернуться мотор (N<=МШ),
Tпш –Torque (holding torque) для полного шага,
Tn – torque при попытке поворота на N микрошагов.

Вот цифры, показывающие torque на первом микрошаге в процентах от torque на полном шаге в зависимости от числа микрошагов в полном шаге (слева от двоеточия – числа микрошагов в полном шаге, справа – torque в процентах от полного; цифры взяты с http://www.micromo.com/microstepping-my ... -realities)

1 : 100.00 %
2 : 70.71 %
4 : 38.27 %
8 : 19.51 %
16 : 9.80 %
32 : 4.91 %
64 : 2.45 %
128 : 1.23 %
256 : 0.61 %

А вот аналогичные цифры – проценты torque в зависимости от числа микрошагов, на которое хотелось бы повернуть мотор, при 8 микрошагах на полный шаг (сам считал):

1 : 19.51 %
2 : 38.27 %
3 : 55.56 %
4 : 70.71 %
5 : 83.15 %
6 : 92.39 %
7 : 98.09 %
8 : 100 %

То же для первых микрошагов при 32 микрошагах на полный шаг:

1 : 4.91 %
2 : 9.80 %
3 : 14.67 %
4 : 19.51 %

Пример:
Holding torque мотора – 100 условных единиц, трение оси – 15 у.е.
При 8 микрошагах на полный шаг – первый же микрошаг разовьёт torque 19.51 у.е., и ось поедет.
При 32 микрошагах на полный шаг – только 4-й микрошаг разовьёт torque 19.51 у.е., превышающий 15 у.е. трения. Т.е. 3 первых микрошага будут пропущены, и только на 4-том ось поедет.
Именно это явление скорей всего и наблюдается, когда при изменении направления движения пропускаются первые шаги.

Что делать?
Выбора почти нет:
Позаботиться о механике, чтобы ось ехала легко. В частности, не перетягивать гайки/подшипники leadscrew.
Переключиться на более крупный микрошаг (меньше микрошагов в полном шаге): лучше предсказуемый крупный микрошаг, чем непредсказуемый мелкий.
Повысить ток.
Заменить драйвер и/или мотор на более мощные.

В плане точности позиционирования очевидно, что лучше выбрать по возможности leadscrew с меньшим шагом, чем ставить меньший микрошаг.

Предел microstepping

В свете предыдущего поста (см. Первые шаги [пропускаются]) встаёт вопрос: Насколько мелким имеет смысл делать микрошаг?
В ответ на вышепрозвучавший вопрос встаёт следующий ответ: Зависит от мотора, но скорей всего не мельче 1/16.

Не все производители публикуют механическую точность их моторов. Более того, не у всех производителей tech support может сообщить механическую точность. Ещё более того: случается, что tech support интересуется, что такое механическая точность. Не говоря уже о том, что о лежащем в магазине моторе может быть просто не известно, кто у него производитель и имеет ли его производитель понятие о таком понятии как tech support, не говоря уже о таком понятии, как механическая точность.

Возьмём производителей, публикующих механическую точность их моторов. Например, Oriental Motor и Lin Engineering. У их простейших моторов механическая точность 3 минуты, вне зависимости от того, пяти они фазные или двух. У моторов с двойной плотность шага – полторы минуты.
Т.е. 1.8° и 0.72° моторы (соответственно 2-фазный 200 шагов/оборот и 5-фазный 500 шагов/оборот) имеют механическую точность ± 3 arc minutes (0.05°).
0.9°и 0.36° моторы (соответственно 2-фазный 400 шагов/оборот и 5-фазный 1000 шагов/оборот) имеют механическую точность ± 1.5 arc minutes (0.025°).

Механическая точность 0.05° означает, что мотор может позиционироваться с точность 0.05°. Не важно, насколько точный сигнал ты на него подашь, точность позиционирования всё равно будет не выше 0.05°, хоть ты тресни (системы с обратной связью сейчас не рассматриваем). Радует то, что погрешность не накапливается: повернул ли ты мотор на 1 градус или на 360, одним движением или в несколько приёмов – точность позиционирования всё равно 0.05°.

В целях простоты ограничимся простейшим мотором 1.8° (т.е. 2-фазный 200 шагов/оборот).
Один 1/16 микрошаг поворачивает его на 0.1125°.
Один 1/32 микрошаг – на 0.05625°.
А механическая точность его, как мы помним, 0.05°
Так что 1/32 микрошаг ну совершенно не имеет смысла. 1/16 тоже не сильно осмыслен – точность будет пол микрошага, но это всё же не совсем бессмысленно.
Более плавное движение при более мелком микрошаге – это хорошо, но лучше грубое предсказуемое движение, чем плавное и тихое непредсказуемое.

Для 0.72° мотора (5-фазный 500 шагов/оборот) 1/8 будет предельным микрошагом, всё ещё имеющим смысл.

Для моторов с двойной плотностью шага предельные величины будут такими же.

Если механическая точность мотора не сообщается, то есть подозрение, что она не выше, чем в вышерассмотренных случаях.

Итого: для вышерассмотренных моторов наимельчайший микрошаг, который ещё в какой-то степени имеет смысл при отсутствии обратной связи – это 1/16 для двухфазного и 1/8 для пятифазного.