マーティーの工房日誌: 小型工作機CNC2418 その68（Stepping Motor Driver TB6560 波形確認）

前回、設定の机上検討をして
予備のCNCコントロールボードにTB6560ボードを1個だけ繋いで
CNC2418のステッピングモーターのX軸だけ配線を繋ぎ替えて
方向と距離が正しく動く所まで確認できました。

誰もいないリビングのテーブルにぶっちゃけて

所狭しとやや危険な状態でやっております。

では、電流波形の確認をしていきます。
ステッピングモーター電流は、
この0.22Ωの抵抗をシリーズに入れて電圧降下を観測しています。
ステッピングモーターの赤線（－A/2B）に入れてます。

まずは、一番知りたい
$1=25（GRBLのDefault）と$1=255の違いを見てみます。

現在は、デフォルトの$1=25です。
静止時やPause時は、ステッピングモーター電流０になります。
$1=25を動画で！
JOG KEYでちょこちょこと動かしてます。
毎回、停止すると電流０に戻っています。
つまり、停止するとMicrostepの保持位置から外れ、
１回転200stepの位置精度（１回転4mmなので0.02mm）に戻ることになります。
PCB切削の再現性が今一だったのは、Microstep喪失が犯人だったんですね。
深さ50μmの設定は、Max±20μmズレて、30～70μmも変動してたわけです。

$1=255を送信して、CNCコントロールボードをRESETすると反映されます。

静止時20%の設定で十分のようで、
停止でも、手で簡単に回らないくらいです。
これも電流波形を動画で！

毎回、ランダムな位置で停止するのでMicrostepの保持位置を維持する電流が、
センターGNDから上や下に変化して保持されているのがわかります。
動作時は、Peak 1A設定なので、静止時20%の設定では、Peak 0.2Aのハズです。
0.22Ωの両端を0.1V/DIVで見ているので0.45A/DIV
0.2AだとMax 0.4DIVになるハズです。
Max 0.5DIV位の時もありますが、まあいいか。

少しイジっていると、何と！
CNCコントロールボードをRESETしても同じ電流が維持されています。
TB6560のRESETは、5V電源からCRで生成されていて独立しているので
CNCコントロールボードをRESETしても影響しません。
RESET時のコントロールボード側のENABLEと電流波形を見てみます。

コントロールボードのENABLE出力は、HIGH：停止、LOW：動作です。
・黄色：CNCコントロールボードのENABLE
・水色：TB6560 11pin NFB（Bコイル電流検出端子）
$1=255 です。
RESETでENABLEが変化していますが、1Vまでしか上がりません
RESETしてもMicrostepの電流が維持され、Microstepの位置が失われないのです。

・黄色：TB6560のENABLE（LOW Active）
・水色：CNCコントロールボードのENABLE（HIGH Active）
RESETでA4988のENABLEが変化していますが、1Vまでしか下がらず
フォトカプラで反転後のTB6560のENABLEは、1Vまでしか上がってないので
ENABLEは、有効のままなのです。
これは、ラッキーです。

では、Decayの設定に行きます。
写真一杯撮り過ぎて収集がつかなくなった感も...(-_-;)
PowerPointに貼り付けて、じっくり観察してコメント入れていきます。

Decayは、コイルのエネルギーを引き抜く回生サイクルのことです。
これは、TB6560 Datasheetの表で、

現在、DCY1、DCY2とも L の「Normalモード」です。

ボードのシルク表示はこれです。

「Normalモード」の電流は、こんな異常な波形で、最初はビックリ(*_*)
Normal Decayモード、Peak 1.0A、F500

F500、Normal Decay、Peak 1A

Decayを変えていきます。
25% Decayモード、Peak 1.0A、F500

お～っ！まともな波形になりました！

ゼロ付近がちょっと歪んでるみたいですが、Normalモードと雲泥の差です。
Normalとは、全期間Slow Decayだったんですね(-_-;)
25% Decayとは、Decay期間の後方 25%をFast Decayにすることです。

F500、25% Decay、Peak 1A

50% Decayモード、Peak 1.0A、F500

ゼロ付近の歪もほぼなくなった感じです。
何だか音も静かになった気がします。

F500、50% Decay、Peak 1A

100% Decayモード、Peak 1.0A、F500
50% Decayと変わりないようです。
F500、Peak 1.0Aでは、50% Decayでいいようです。
ちなみに電流波形の周波数は、
1/16 Microstepなので、1回転（1波長）で16step x 4 = 64step
800step/mmに設定しているので
・周波数 [Hz] = F値mm/min ÷ 60sec x 800step/mm ÷ 64step/回転
　　F500 = 104.2Hz = 9.6msec
オシロとほぼ一致しています。

F500、100% Decay、Peak 1A

Feedを遅くしてみます。

Normal Decayモード、Peak 1.0A、F100
ゼロ付近がちょっと歪んでますが、F500のNormal Decayよりまともです。
電流波形の周波数は、
・周波数 [Hz] = F値mm/min ÷ 60sec x 800step/mm ÷ 64step/回転
　　 F100 = 20.83Hz = 48msec

F100、Normal Decay、Peak 1A

25% Decayモード、Peak 1.0A、F100

エネルギー引き抜きが速すぎて、大きなリップルがでます。
リップルがなければ、いい形かな？ゼロ付近が微妙な感じもします。
平均電流が30%downという感じです。

F100、25% Decay、Peak 1A

100% Decayモード、Peak 1.0A、F100
予想通り、リップルが更に大きくなりました。
平均電流は、Normalモードの50%down位だと思われます。
トルクも低下するのかな～

F100、100% Decay、Peak 1A

リップルについて少し調べてみると
Rohmサイトのここには、
「電流のリップルで平均電流が低下し、
　トルク低下とモータ損失増加による発熱が課題」ということらしい。

一方、このPDF、Salesカタログみたいですが、
P3に1Aクラスの「回転数 vs トルク」のグラフがあります。
24VDCのグラフ
500rpm ⇒ 100rpmでは、トルク 0.15 ⇒ 0.23で約1.5倍なので
電流は60%位低下しても同等トルクじゃないのかな～

Speedは、ステッピングモーターの回転数のハズです。
マーティーのCNC2418は、4mmピッチの台形ネジなので
・回転数 RMP = F値 mm/min ÷ 4
F100=25rpm、F500=125rpm になるのでグラフの左の方になり
何とも言えない感じもしますが
勝手にいい方に解釈して^^;
F100、Peak 1.0A設定では、25% Decayモードでいいと思われます。

出所：National Instruments

では、Feedを速くします。
25% Decayモード、Peak 1.0A、F1000

エネルギー引き抜きが間に合わなくなり、電流が下がってくれません。

F1000、25% Decay、Peak 1A

50% Decayモード、Peak 1.0A、F1000
ゼロ付近が微妙に歪んでいます。

F1000、50% Decay、Peak 1A

100% Decayモード、Peak 1.0A、F1000
キレイです。
F1000では、100% Decayが必要そうです。
電流波形の周波数は、
・周波数 [Hz] = F値mm/min ÷ 60sec x 800step/mm ÷ 64step/回転
　　 F1000 = 208.3Hz = 4.8msec

F1000、100% Decay、Peak 1A

Feedに応じて、Decayモードを変えるは大変です。
50% Decayで統一しようと考えると、
50% Decayモード、Peak 1.0A、F700
この辺りまで、よさげです。

F700、50% Decay、Peak 1A

Feedの遅い方は、
F100では、25% Decayでよさそうでしたが、
25% Decayモード、Peak 1.0A、F150
でゼロ付近が少し歪んでいるので50% Decayでいいじゃないかな～

F150、25% Decay、Peak 1A

ということで
Peak 1.0A設定では、F100～F700まで50% Decayモードでよしとします。
たぶんF100で50% Decayでは、平均電流40%down程でしょう。

Z軸のFeedは、XY軸に比べ遅いです。
マーティーは、Fusion360 CAM設定で、切り込み速度を
切削送り速度の（XY軸のFeed）の1/3に設定しています。
通常の使用範囲のFeed：F100～F500とすると
Z軸 F30～F170になります。

Normal Decayモード、Peak 1.0A、F50
ちょっとゼロ付近に歪みが～

F50、Normal Decay、Peak 1A

Normal Decayモード、Peak 1.0A、F150
歪がダメですね～

F150、Normal Decay、Peak 1A

Normal Decayは、ダメっぽいので、
25% Decayモード、Peak 1.0A、F50
平均電流は、50%程downでしょう。

F50、25% Decay、Peak 1A

25% Decayモード、Peak 1.0A、F150
50% Decayにしたいとこですが、まあまあかな？

F150、25% Decay、Peak 1A

25% Decayモード、Peak 1.0A、F120
で、ゼロ付近の歪は許せそうなので
Z軸は、25% Decayモードで手を打つことにします。
特にZ軸は、固いものを切削する時にトルクが必要で
低速時のリップルで平均電流が減るのはよくないので、
Peak電流設定を1.0A ⇒ 1.2Aに増やした方がいいかも。