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作ったステッピングモータードライバをテストしてみる2。

3/14追記
動画のノイズが多いのはどうも、計測方法が悪いようです。
とゆうか、この測定方法は明らかに間違いです。決して真似しないでください。
ヘタするとIC壊したり、オシロ壊したりしてしまいます。
モーターの電力は、グランドから浮いた状態なので、。。

オシロのグランドを外すと明らかにモーターからの音が変わります。
カレントプロープが欲しい所ではありますが、とても高価なので手が出ません。

計測の為の機材が無い状態では、やはりモーターからの音も大きな情報です。。
また、同じモーターをバイポーラパラレル接続しモーターの抵抗値を小さくしたものでも試してみました。
明らかに最高回転数、高回転時のトルクが太くなりました。(モーターにもよると思いますが。)

また、他回路にて、同じようになるのかどうかは解りません。(中華基板etc...)









ほぼ、自己メモ。

ステッピングモータードライバIC 
 TB6560AHQ
ドライバIC設定
 出力電流
  3Aの50%
 DecayMode
  100% Decay

計測条件
 出力/A、/Bに0.1Ω2W金属皮膜抵抗を直列に挿入。
  抵抗値はLCRメーターDE-5000にて計測。
 /A相のみの計測
 
 オシロスコープのプロープにて、抵抗に流れる電圧を計測。
 E=IR より、実際にモーターに掛かっている電流値を算出
 
 オシロスコープはアース線を繋がないで使用。
 絶縁入力タイプのオシロスコープではないので、A相B相の2相同時の観測は不可能。

使用モーター
 56角長さ53mmのユニポーラタイプのステッピングモーターの中間タップを繋がずバイポーラ接続として使用。
 モーター片相の抵抗値(
  8.88Ω
インダクタンス 7.9mH  at 1kHz

作動電圧
 モーター電圧24V
 ロジック電圧5V

  
steppertest1.jpg

画像条件にての駆動。

以下4つの動画はモーター出力にフライバックダイオードを追加。
ファストリカバリ・ダイオード 400V 5A ER504


1/8



1/16


1-2相励磁


2相励磁


下記動画は外付けファストリカバリダイオードの効果が観測できるのか?と試したもの。
今回の設定、作動条件では、あまり変わらない結果となりましたが、違う条件にて作動させていると、明らかに音が違います。


steppertest2.jpg







回転数が上がるにつれ、正弦波に近い波形が歪んでいきます。
正弦波領域での使用が良いと思われますが、ステッピングモーター自体は歪んだ波形でも、ステップ駆動しているので、実用上は大丈夫だと思われますが、マイクロステップの正確さはあてにならないかもしれません。

あきらかに回転数が上がると流れる電圧が下がります。
流れる電流量が下がれば、モーターのトルクも下がるので、脱調の原因となります。
バイポーラパラレル接続を利用するか電源電圧を上げるかすれば実用回転数を上げることが可能かと。。




TB6560AHQを使ったモータードライバ、どれも同じような回り方をすると思いますが、内部発振器の設定により、最小入力パルス幅が制限されるので、最高回転数が制限されます。


キットではなく、モーターメーカーの販売しているモータードライバでは、どのような波形になるのでしょうか?
興味のある所ではありますが、、、、、。。


私の技量では、モータードライバICを使ってのステッピングモーターの駆動が関の山で、CPLDやマイコンを使用してのゼロからのモータードライバの作成は難しいのですが、上手に作れば回転数が上がっても、波形が歪まず信頼性の高いステッピングモータードライバが作成可能なのかもしれません。

L6470とかは、明らかに駆動音が違います。駆動波形が綺麗なのでしょうか??

実際にCNCマシンに搭載しての波形観測もやってみないと本当のとろこ、どこまで信頼出来るのか?とゆうことは解りません。今回は全くの無負荷状態ですので、。。

必要な分解能以上のマイクロステップは???かも。




3/17追記
取り敢えず、間違った計測方法ではありますが、電流を観測してみました。
定電流制御のフロート状態なモーターの駆動電流計測はグランドが浮いているので難しいです。。

やはり専用のカレントプロープを使うかカレントトランスを利用して、又は、ホールセンサを利用して、、、がよろしいようです。。


今回のこれでよくわかったことですが、モーターの大きさ、結線方法によって、トルク、最高回転数が想像以上に変化すること。体感として解っていたことの再確認に過ぎないのですが、電気的にこんなに違うとは。。

TB6560AHQ自体結構前から販売されています。
TB6560AHQのアプリケーションノートの推奨Cosc値での最小クロックパルス幅自体が10μsですので、そもそも、高マイクロステップでの、高速作動自体余り向かない(バイポーラ方式自体も)です。

本来のステッピングモーターの特性として、低速域、停止時のトルクが大きいとゆうのがありますが、電気的にそれを改善?させようとしても、本来の大まかな特性まではよっぽど出ない限り変化させることは難しいですね。。

外部フライバックダイオードとして、ショットキーバリアダイオードや、ファストリカバリダイオードを追加してみましたが、ステッピングモーターの大きさ、配線方法によって、効果があったりなかったり。。

基本的には外部フライバックダイオードなしでも問題ない大きさ、配線方法のモーターを繋ぐのが正解のような気がしますし、東芝セミコンダクタさんの見解によれば外部フライバックダイオードは不要だそうです。。

モーター出力部分へのフライバックダイオードの追加は、余分な電気を内部FETにある寄生ダイオードより速く電気をモーター電源に戻します。
ですので、外部フライバックダイオードの追加により、電源にちりちりとノイズが乗ります。モーター電源へのノイズ、ダイオードによって、24V駆動時に数Vにもなります。
フライバックダイオード追加時には対策が必要になると思います。

56角のユニポーラ改造バイポーラパラレル接続、1/16マイクロステップにて、トルクはないですが約900rpm程度まで回せます。
実用最大回転数はもっともっと低くしないとCNCルーターを駆動できないと思います。

このモータードライバICを使ったオープンループなCNCマシンであれば、パラレルポートの最大出力周波数以下なので、パラレルポートを使用したインターフェースで十分です。。


海外のCNCマシンの送りネジ、リード5mm以上のボールねじ、台形ねじを使用しているのはステッピングモーター自体の特性を加味した調度良いネジだと。。
残念ながら安価に入手可能な適当な太さのリード5mmのネジは、どうも日本国内では、見当たらないで残念です。

また、1回転あたりの送り量が大きいベルト駆動にしても、切削加工を行う位の切削抵抗を受けて釣り合う位の物となると必然的に太くなってしまいます。自作CNCマシンに適当なサイズの物となると選定が非常に難しいです。
駆動負荷が余りかからないレーザーカッターや押し出し式の3Dプリンタにはとても向いていると思います。

結局、大きな駆動力と回転数が必要であればACサーボモーターとか、より出力の大きなモーターを使ったほうがよいと思ったり、思わなかったり?!


特許の関係で世界的には自作系にあまり普及してませんが、位置決め精度で言えば2相ステッピングモーターよりも、オリエンタルモーターの5相ステッピングモーターの方が正確です。
おさいふによゆうがあればモーター、ドライバのセットを利用するほうが賢いです。


ステッピングモーターの駆動に関してはここ数年で専用ICがいくつもリリースされています。電気的な技術的にもうちょっと特性改善がなされるような気がしてなりません。

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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。

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