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CNCインターフェースとステッピングモータードライバ

自作CNC向け?のCNCコントロールソフトウエア、Mach3、LinuxCNCでは基本的にはPCのパラレルポートを使用してCNCマシンに必要なモーターや、各種スイッチ等をコントロールします。


パラレルポートからの信号を直接モーターのドライバ(IC)に入力しても、大抵の場合うまく作動しません。


パラレルポートの出力できる電流量が少ないので、間にバッファICなどを入れて出力できる電流量を増やします。

また、海外製のCNCインターフェースボード、ブレイクアウトボードでは、PCとモータードライバや、スピンドル駆動用の100V等AC電源用のリレーを電気的に分離する為にフォトカプラなどでアイソレート(絶縁, 分離)してある物もあります。

ただのパラレルポートブレイクアウトボードであるならば、ただ単にパラレルポートからの信号線を端子台に出しただけの物と考えても良いと思います。C13 - Basic Breakout Boardのような物です。


バッファIC(ラインレシーバー)を使用しているもの。C10 - Bidirectional Breakout Board

バッファICを使用してフォトカプラにてアイソレートし、リレーの付いているもの。C11G - Multifunction CNC Board


TB6560を使用した中華CNCドライバ付きボードとかもありますが、故障した時や、損傷した時、または、モータードライバを変更するときなど便利なので、パラレルポートインターフェースと、モータードライバは別基盤としたほうが、良いと思ってます。



私はエレ・メカ・ホビーショップSECさんのCNCインターフェース用基板セットを使用しています。

このインターフェース基板は4軸分の電圧出力、差動出力、オープンコレクタ出力が可能で、ステッピングモーター、サーボモーター等、モーターメーカー製の多機能なモータードライバも出力できます。




さて、ステッピングモータードライバですが、ステッピングモーターには2相、3相、5相があるようで、それぞれ配線方法が違うので、共用はできません。

ここでは、割りとお手軽に手に入る2相ステッピングモータードライバについて書いてみます。



2相ステッピングモーターには、2つの相があります。

入力線が4本の物はバイポーラタイプ、入力線が6本のものがユニポーラタイプです。


バイポーラタイプは2つある相からそれぞれ2本づつ、計4本入力線が出ています。

ユニポーラタイプは2つある相からそれぞれ2ほんづつと、コイルの中間点からもう一本線が出て、計6本の線が出ています。


バイポーラタイプのステッピングモーターはモーター回転時に各相に電気を送り、回転方向を変える時は+とーをひっくり返します。

ユニポーラタイプのステッピングモーターは、モーター回転時に、コイルの中間点ともう一本の線でコイルの半分だけを使います。回転方向を変える時はもう半分のコイルに電気を流します。

上記の説明だと、ユニポーラタイプはコイルを半分だけしか使っていないので出力も半分なようで、損したように思えるかもしれませんが、そんなことはありません。


たしかに、バイポーラタイプに比べ、最大励磁トルクはユニポーラタイプのほうが少ないですが、まるっきり半分でもありません。(7割くらい?)

モーターというものは巻線が長ければ長いほど電流が流れにくくなるので、ユニポーラタイプのほうが、バイポーラタイプより、最大回転数は高いですし、電流が流れやすいので、ステッピングモーターの駆動音も、なめらかな感じがします。

また、バイポーラタイプはユニポーラタイプに比べ回路が複雑となりやすいらしいです。。



パラレルポートインターフェース基板からの信号でステッピングモータードライバを駆動させますが、Mach3やLinuxCNCがPCから出力する信号はStep/Dirの信号です。

ステッピングモータードライバの中はこの信号をドライバ部分を駆動する信号に変換するコントロール部分と、MOSFETのブリッジ回路で作られたドライバ部分があります。

海外の自作ステッピングモータードライバを見てみるとコントロール部分にPICや組み込み系マイコン、CPLDなどを使ったものを見かけます。ドライバ部分はMOSFETにて2つのフルブリッジ回路やハーフブリッジ回路を使用したものや、デュアルフルブリッジモータードライバIC、L298や、その他フルブリッジモータードライバICを2つ使用したものとか、いろいろなバリエーションがあります。


ユニポーラタイプのステッピングモーターにはユニポーラタイプのステッピングモータードライバ、バイポーラタイプのステッピングモーターにはバイポーラタイプのステッピングモーターを使用するのが普通ですが、ユニポーラタイプのステッピングモーターのコイルの中間点から出ている線を絶縁しておけば、バイポーラタイプのモータードライバでも回す事ができます。

この時、モーターの抵抗値はフルコイルでの抵抗値となるため、モータードライバの設定電流に注意してください。


A相、B相 or A-相、B-相のハーフコイルでも、バイポーラタイプのドライバを使用できます。

この場合も、電流設定値に気をつけてください。





また、2相ステッピングモーターで、モーターの裏蓋を外し、8芯の2相ステッピングモーターに改造することができるものもあります。(できないものもある)

8芯にするとバイポーラ直列接続駆動と、バイポーラ並列接続駆動、ユニポーラ駆動、ユニポーラハーフコイル駆動と、4つの駆動方法が試せます。

各駆動方法により、最大励磁トルクや、最大回転数等が変わってきます。。





ユニポーラタイプのステッピングモーターで、ユニポーラタイプのドライバを使用した場合、最大励磁トルクはバイポーラ駆動よりも下がりますが、最高回転数があるので、1回転あたりの送り量の少ない方式で各軸を駆動させる場合に向いていると思います。送りねじ方式とか。。

逆に最大回転トルクが高いバイポーラタイプの駆動方式の場合、1回転あたりの送り量の大きな駆動方式での使用が向いていると思います。

モーターの大きさ、ドライバの最大電流量にもよりますが、上記の事はどんな状況でも、、ではありません。
要は過負荷による脱調がなければよいです。


ドライバ基板、ドライバICの中には最大定格電圧の高いものがあります。
大抵、24Vでの駆動多いと思いますが、最大定格電圧の範囲内で電圧を上げるとモーターはより高回転(入力できるパルスの限界はありますが)まで回す事ができます。

これは、モーターは回転数が上がると電流が流れにくくなるためです。

設定した電流が3Aでも、高回転になるとそんなに電流は流れません。

電圧で、電流を押し込む形になるので電圧を上げると最高回転数が上がります。


私の中では、電圧は回転数、電流はトルク、とゆうイメージです。。





ついでに、、、、

モーターを最大能力を引き出すくらいの電流設定で励磁させて停止させておくと、モーターがとても熱くなります。

ステッピングモーターの駆動方法上仕方ないことですが、停止時に設定電流を下げることで、加熱を防ぐ事ができます。

市販のモーターメーカーとかが出しているステッピングモータードライバには、このカレントダウン機能がついています。

エレ・メカ・ホビーショップSECさんのCNCインターフェース用基板セットユニポーラ2相ドライバーキットor5相ステップモータ用ドライバキットを使用することで、各軸独立した自動カレントダウンを使用できます。もちろん、カレントダウン時の電流設定もできます。


また、Mach3のOutput SignalsのCurrent Hi/Lowとゆう出力にて全モーター停止時に信号を出す事ができます。

軸駆動用のモーターを動かせば信号は止まります。この信号を利用して、上記2相ドライバキットにて、カレントダウンさせることも可能ですし、TB6560AHQを使用したドライバの電流設定ピンに利用すればバイポーラタイプでも、カレントダウンさせることが可能です。



今のところ、パラレルポートを使用してのCNCルーターの駆動に関しては全く問題はありません。1回転辺りの送り量の少ない軸に取り付けてあるステッピングモーターを最大マイクロステップ(1/16)にすると、パラレルポートの出力するパルスが足らなくなるくらいで、、、。。

Gコード作成用のPCと、CNCコントロール用のパラレルポートのついたPCは分けています。



ただ、今後、高マイクロステップなモータードライバICがでてくると思うのでその時までUSB接続のCNCインターフェース基板SmoothStepperは、、、、、。。。

















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テーマ : 自作・改造
ジャンル : コンピュータ

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Author:あきらひとし。
木工用CNCルーターフレームと、ステッピングモータードライバを作ってみました。
たぶん記事は一般的な人には殆ど必要のない事ばかりなの、かも。

モーターは回るだけでも楽しい。制御(速度、トルク、位置)できるともっと楽しい!

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