4 tengelyes léptető motor vezérlő

Az előzőekben ismertetett cnc habvágó gépemhez készítettem ezen vezérlőt, ami több a neten fellelhető kapcsolás ötvözéséből saját külön igényeimnek figyelembevételével készült. Alkalmas 4 unipoláris léptetőmotor meghajtására, és PWM kimenettel is rendelkezik. A PC párhuzamos (LPT) portjához kapcsolódik, lehet belőle hobby cnc gépet, plottert, habvágót, motorizált távcsövet vagy bármi mást építeni. A PC-ről a vezérlő tipikusan cnc kontroller programmal működtethető, de plotter és távcső vezérlő programok is fellelhetőek hozzá. Az itt ismertetett meghajtónál erősebb ( 2 A / fázis ), ipari kivitelű, optocsatolóval elválasztott bemenetű, bipoláris motorokhoz is alkalamzható chopper üzemű elektronika bemutatása a bipolar stepper driver oldalon található.

Bemenetén a motorokra vonatkozóan lépés ( STEP ) és irány ( DIR ) jeleket fogad. A PWM kimenet működtetése, ( + ) ( - ) nyomógombokkal, az én általam készített megmunkáló programba írt rutinokkal ( M kódként ), esetleg kompatibilis üzemmódba kapcsolva a cncnet féle megmunkáló programmal lehetséges ( ez esetben a PWM generálás szerepét a mikrokontrollertől a PC veszi át ). A párhuzamos porton bújtatott I²C busz csak az általam írt programmal működik, aminek segítségével lehet a kontroller néhány funkcióját állítani ( PWM kitöltési tényező, frekvencia ). Az I²C buszt megpróbáltam szabványosan kialakítani, és kérésre az azonosítókat is megadom, tehát aki akar azért írhat hozzá parancs kezelőt. A cncnet-el való kompatibilitás miatt van egy IRQ_Timer kimenete a PC felé amin másodpercenként 2000/4000 megszakítás kérést tud generálni.

A kapcsolás jelenleg saját számozásom szerint a 2.0 -ás változatban van. Ezen változat várhatóan nem végleges, mivel tudok optimalizálási pontokat, de ezek megtételéhez bizonyos például a cncnet féle programmal való kompatibilitást fel kellene adnom.

vezérlő rajzának letöltése pdf formátumban (31k)

Alakult Franciaországban egy "klub" féle kezdeményezés cncnet néven, mely repülő modell habvágásra specializálódott, saját letölthető habvágó programmal, ( melynek használatáért egy kisebb összeget azért fizetni kell ), és kidolgozott, letölthető formátumú hab-modellekkel. Ezen programmal a vezérlőm együtt tud működni, de ehhez egyedileg huzalozott párhuzamos porti csatlakozó kábelt kell készíteni. Ezen kellemetlenség azért adódott mert a vezérlő készítésekor saját vezérlő programom kiszolgálását részesítettem előnyben, aminek részét képezi az I²C buszos megoldás ( ami szerintem jobb mint a francia ). Az I²C buszt a párhuzamos porton nem lehet bárhova kötni, továbbá azt szerettem volna, hogy saját programommal sima a boltban beszerezhető "switch" kábellel összeköthető legyen, ezért maradt a cncnet féle összekapcsoláshoz szükséges egyedi huzalozású kábel mint megoldás ( az eltérés a "switch" kábeltől csak 5-7 csatlakozást érint ).

A mikrokontrolleren futó program jelenleg az I²C buszt software-ből valósítja meg, habár a processzorban van erre a célra külön hardware modul is. A PWM kimenet frekvenciája jelenleg a processzor ciklusidejének léptetésre való optimalizálása miatt 100 Hz körül van és szintén software-ből lett megvalósítva ( habár erre is van hardware modul ). A PWM kimenet alapvetően alkalmas nem csak izzószál hanem például DC motor meghajtására is, ez jelenleg az alacsony PWM frekvencia miatt nem működik. Az áttérés a hardware PWM modulra folyamatban, elkészülte után a várhatóan rendelkezésre álló 20kHz fölötti PWM frekvenciával már kis egyenáramú motorok is ( mint néhány szerszám ) fordulatszám-szabályozható lesz, méghozzá a megmunkáló programból.

Elektromos ismertető:

• processzor: PIC16F877 az első példányon, PIC16F874 a későbbi típusokon ( ez is bőven elegendő a feladathoz ), mindkettő 20 MHz-n. Az első példányon a processzor foglalatba került, azonban a későbbiekben a hosszú távú megbízhatóságot figyelembe véve közvetlenül beforrasztva. A processzor párhuzamos porton keresztül áramkörön belül felprogramozható. ( LV-ICSP )
• motor meghajtás: ULN2803 darlington tömb, kettesével párba kötött darlingtonokkal. Maximális kimeneti feszültség 50 V, kimeneti áram 1 A / tekercs ( 500 mA / darlington ). Ehhez javasolt maximális névleges motor feszültség 30 V tekercs áram 1 A. A meghajtó IC helyettesíthető ULN2823 típussal, melynek kimeneti feszültsége 95 V ( ezzel a motor feszültség is megemelkedhet közel 58 V -ig).
• izzószál meghajtás: BUZ11 N-csatornás MOSFET, maximum 50 V / 30 A -ig. Az izzószál meghajtó áramkör a vezérlő többi részétől optocsatolóval elválasztott, izzószál kimenet kikapcsolási tranziensekkel szemben diódával védett. A beépített gate vezérlő ellenállások miatt a javasolt fűtő feszültség 30 - 48 V DC szűrt egyenfeszültség, ennél kisebb feszültség esetén az említett ellenállások értékének megváltoztatása szükséges.
• csatlakozók: párhuzamos port felé SUBD25M típusú nyomtatott áramkörre szerelt csatlakozó elöl, motorok felé 4 db SUBD9F csatlakozó hátul, tápfeszültségek és izzószál felé sorkapocs. Megjegyzés: mivel elöl és hátul is SUBD csatlakozók helyezkednek el, és a működési frekvencia valamint az áram terhelés miatt a vezérlőt fém dobozba kell szerelni, ezért a doboz választásnál körültekintően kell eljárni. Amennyiben szükséges a motor kivezetések szerelhetőek vezeték közbeiktatásával a paneltől távolabb is. Szükség esetén a SUBD9F motorcsatlakozók helyett sorkapcsot is tudok betervezni.
• Léptető motorok meghajtása teljes és fél lépés üzemmódban ( állítható nyomógombok segítségével a vezérlő bekapcsolásakor, illetve I²C buszon át ).
• A vezérlőn elhelyezett kapcsolóval kikapcsolható motor tekercsek ( kézi pozíció állításhoz, illetve vészleálláshoz ), kapcsolóval kikapcsolható izzószálfűtés.
• Választható fűtési módok:
  • PIC önálló: ekkor a vezérlő a beállított PWM kitöltési tényező alapján generál fűtő jelet ami a két nyomógombbal illetve I²C buszon át változtatható meg.
  • LPT port követő: ekkor a PWM jel alakja követi az LPT port adott pontján megjelenő a PC által küldött PWM jelet ( bizonyos korlátokkal, ugyanis beállítható egy maximális kitöltési tényező aminél szélesebb PWM impulzusokat nem enged a kimenetre a vezérlő, ezzel védekezve a programhibából bekövetkező izzószál elégéstől ).
• Beépített interrupt megszakítás generáló kimenet PC felé, melynek frekvenciája módosítható nyomógombokkal bekapcsoláskor, illetve I²C buszon mement közben.

Léptetőmotorok:

A léptetőmotorokat elektromos szempontból tekercsenkénti ellenállásukkal, induktivitásukkal és terhelhetőségükkel szokás jellemezni. A motor forgását két egymáshoz képest eltolt térbeli helyzetű tekercsrendszer hozza létre, melyekben a folyamatos forgás biztosítása érdekében tekercsenként mind a két irányú mágneses teret elő kell tudni állítani. Ez alapvetően kétféleképpen szokott történni:

• Az első változatban térbeli pozíciónként egy-egy tekercset készítenek, s ezeknek végződéseit kivezetik ( 2 x 2 összesen 4 kivezetés ). A tekercsenkénti mágneses tér irányváltását ez esetben az átfolyó áram irányának felcserélésével lehet megoldani. Az így készített motorokra általában magasabb teljesítmény jellemző, viszont a tekercsek meghajtásához teljes híd kapcsolású meghajtó fokozat szükséges, tekercsenként legalább 4 különböző teljesítmény félvezetővel, amiből 2 tápszültség oldali. Amennyiben a meghajtás tranzisztorokat alkalmaz akkor motoronként 4 NPN és 4 PNP szükséges. Ezen típusú motorokat bipoláris megjelöléssel szokás illetni.

• A második változatban térbeli pozíciónként két-két tekercset készítenek, s ezeknek végződéseit részben/teljesen kivezetik ( 4 x 2 összesen max. 8 min. 5 kivezetés ). A tekercseket ekkor lehet úgy kötni, hogy a mágneses tér irányváltását a tekercs pár különböző tagjainak azonos átfolyó áramirányú gerjesztésével lehessen megoldani. Mivel itt nem szükséges a tekercsek áramirányát változtatni, csak azokat ki/be kapcsolni ezért ez megoldható tekercsenként 1 NPN tranzisztorral ( esetleg fettel ). Ezeket a motorokat unipoláris elnevezéssel illetik. Közöttük kivezetés szám alapján is lehet még különbséget tenni:
  • 8 kivezetéssel rendelkezőknél mind a 4 tekercs mindkét végződése elérhető.
  • 6 kivezetéssel rendelkezőknél a pozíciónkénti 2 - 2 tekercs egy-egy pontját belül összekötik, és mint közös pontot vezetik ki.
  • 5 kivezetéssel rendelkezőknél a pozíciónkénti 2 - 2 tekercs egy-egy pontját belül összekötik, és a pozíciónkénti 2 közös pontot szintén összekötik és ezt vezetik ki.

  5, 6, és 8 kivezetéses unipoláris

  Amennyiben az unipoláris motor 8 esetleg 6 kivezetéssel rendelkezik akkor olyan meghajtó elektronikához is huzalozható mely bipoláris motorok meghajtásához készült, míg 5 kivezetéses unipoláris motor csak unipoláris módon hajtható meg.

Motor meghajtó fokozatok:

A léptetőmotorokkal elérhető teljesítményt ( nyomaték, léptetési sebesség ) jelentősen befolyásolja a motor tekercsek meghajtására alkalmazott megoldás. Amit én a vezérlőben megvalósítottam, az nem a legjobb, de azért ár/teljesítmény viszonylatban mégiscsak jó megoldás. A motor nyomatéka és léptetési sebessége az állórészben felépülő mágneses tér függvénye. Egy adott tekercs által gerjesztett mágneses tér többé kevésbé arányos a tekercsen átfolyó árammal. A tekercsen átfolyó áramnak korlátot szab a tekercs saját ellenállása ( és egyéb veszteségek ), melyen az áram hőt ad le, s ez által a motort melegíti, a túláram pedig túlmelegítí. A motorból a legjobb teljesítmény akkor lenne kihozható, ha az adott léptetési sebességnél ez egy tekercsre jutó bekapcsolási időtartam alatt a tekercs árama végig a megengedett maximális lenne és előtte valamint utána 0 illetve az adott léptetési sorozattól függő érték. Mivel azonban a tekercsnek nem csak ellenállása hanem induktivitása is van, ez nem lehetséges. Egy ideális induktivitást adott U feszültségre kapcsolva benne az áram I(t)= U/L * t alakú időfüggvénnyel fog emelkedni, ahol L a tekercs öninduktivitása. A bekapcsolási folyamat során a tekercsben belső mágneses tér alakul ki, ami energiát tárol. Ez a tárolt energia a kikapcsolás során szűnik meg, de mivel energia el nem vész ezért ennek valahova távoznia kell. A kikapcsolás során is érvényes az előbbi egyenlet a tekercs feszültségére és áramára, amiből az következik, ha eredeti célkitűzés alapján a kikapcsoláskor azt szeretnénk, hogy a tekercs árama igen rövid idő alatt csökkenjen, ez csak úgy lenne megoldható, ha a tekercs feszültségét nem korlátozzuk és az igen magasra is felszökhet a kikapcsolás utáni rövid mágneses tér leépülés alatt. Egy elektromos áramkörben az nem mindig jó, ha egy feszültség túl magas is lehet, mivel a kikapcsolást általában félvezető végzi, ami feszültségtűrés határral rendelkezik. Milyen meghajtási lehetőségek adódnak ezek után, például egy 8 V-os tekercsenkénti feszültséget elviselő motornál, aminél a tekercs árama 0.3 A értéket vesz föl:

• Alkalmazhatunk 8 V-os tápfeszültséget közvetlenül a motor tekercseire, megfelelő sorrendben. A kikapcsolási során a tekercs feszültségét és ezáltal a mágneses tér leépülésének idejét korlátozhatjuk úgy, hogy a tápfeszültségnél nagyobb tekercs feszültséget diódával a tápfeszültségre vezetjük. Ekkor a motort és a félvezetőket biztos nem terheljük túl, de a bekapcsolás és ez esetben a vele közel azonos idejű kikapcsolás is lassú lesz, ami korlátozza a maximálisan elérhatő nyomatékot és léptetési sebességet.
• Alkalmazhatunk magasabb például 12 V -os tápfeszültséget, ekkor a 12 - 8 = 4 V -nyi túlterhelő feszültséget soros ellenállással hővé alakíthatjuk. Ez azért eredményez gyorsabb bekapcsolást, mivel az áram emelkedési sebessége a bekapcsolás kezdetén az előbbi dI/dt = 8V/L helyett dI/dt= 12V/L lesz. Ebben az esetben a soros ellenállást pontosan a tekercsfeszültséghez, motorfeszültséghez és tekercsáramhoz kell méretezni. Bekapcsolt tekercsnél a soros ellenálláson jelen esetben 4 V feszültségnek kell esnie, miközben rajta 0.3 A áram folyik. Ebből következően a szükséges ellenállás: R = U/I = 4V/0.3A = 13 2/3 Ohm. Az ellenálláson disszipált teljesítmény: P = U*I = 4V*0.3A = 1.2 W. A meghajtásnak ezt a módját R/L rendszerűnek szokás nevezni.
• Amennyiben a tekercsek kapcsolgatásához használt félvezetőnk feszültségtűrése magasabb mint az alkalmazott tápfeszültség: a kikapcsolási sebességet megnövelhetjük úgy, hogy kikapcsolás során a tekercs feszültséget nem csak a tápfeszültségig, hanem a félvezetőnk tűrésfeszültségéig engedjük föl, és így az áram lecsengés kezdeti meredekségét ( például 45 V-os feszültségtűrésű tranzisztornál ) az eddigi dI/dt= -8V/L helyett dI/dt = -45V/L értékre állítjuk be. Ezt úgy tehetjük meg, hogy a tekercs félvezetőhöz kapcsolódó pontját nem sima diódával, hanem egy diódával és egy fordított állású Zener diódával vezetjük a tápfeszültségre. A Zener dióda méretezését ekkor úgy kell megoldani, hogy a tápfeszültség, a dióda nyitó feszültsége és a Zener dióda Zener feszültsége összesen ne legyen több mint az adott tranzisztor (fet) megengedett maximális zárófeszültsége.
• A léptetőmotorok tekercseinek meghajtására alkalmazható legfejlettebb megoldás, mikor a tekercseket egy áram figyelő ellenállás segítségével az üzemi tekercsfeszülségnél jóval magasabb feszültséggel hajtjuk meg, és mikor az adott tekercs árama eléri a megengedett maximumot a tekercset magára hagyjuk, majd egy kis idő múltán a feszülséget ismét bekapcsoljuk és ismét figyeljük mikor éri el a megengedett maximális áramot. A meghajtásnak ezt a módját chopper meghajtásnak szokás nevezni, és kétségkívül energia takarékos módszer, mely a legmagasabb nyomatékhoz és léptetési sebességhez is vezet. A megvalósítása viszont jóval bonyolultabb/drágább és alkalmanként a forgórész két lépés közti rezgéséhez vezet, mely kisebb chopper frekvencia esetén zaj forrása lehet.

Motor beállítás:

Az általam készített vezérlő, R/L meghajtási módot alkalmaz Zener diódás tramziens lecsengés gyorsítással. A megfelelő működéshez az elektronikát minden egyes motorhoz külön be kell állítani. Először is tisztázandó, milyen motor áll rendelkezésre. Először is a motor csak unipoláris lehet, és a maximális megengedett tekercsáram nem lehet 1 A -nél több ( ha mégis több, akkor a vezérlőt nem lehet a megengedett maximális motor áramra beállítani ). Szükséges még a motor névleges tekercs feszültsége is ( természetesen az ellenállás, áram, feszültség hármasból elegendő bármely kettő ismerete, a harmadik számítható ). Ezen adatok ismeretében választhatunk tápfeszültséget, melyhez kiszámíthatjuk a szükséges előtét ellenállás és Zener dióda adatai.

Zener dióda kiválasztása:

Mi kell egy komplett rendszerhez ( a mechanikán kívűl ):

• Először is léptetőmotorok, méghozzá olyanok melyeket a vezérlő meg tud hajtani.
• Aztán motor-tápfeszültség amit például transzformátorral, diódás egyenirányítással és kondenzátoros szűréssel lehet előállítani. Megoldásként szóba jöhet egy bontott például AT számítógép tápegység is ami 12 V-os feszültségen átlagban legalább 6 A -t tud biztosítani és még 5 V -os kimenete is van ami fölöslegessé teszi a vezérlőre szerelhető 5 V -os stabilizátort.
• Ezen kívül kell egy vezérlő, ami a motorokat megforgatja. Ezt a vezérlőt az adott motorokhoz és tápfeszültséghez be kell állítani.
• Amennyiben habvágót szeretnénk úgy szükséges egy tápegység ami az izzószál fűtését biztosítja. Ennek feszültsége és terhelhetősége az izzószál ellenállásától is függ. Érintkezés nélküli vágás esetén a 40 W/m fűtőteljesítmény jó kiinduló pont. Amennyiben nem habvágót szeretnénk, akkor egy megfelelő szerszám amit a gép mozgat, például egy gravírozó motor, plotter toll, esetleg valami egyéb.
• Miután minden megvan szükséges egy ház, lehetőleg fém, amibe az elektronika kerül. Ezenkívül kapcsoló, hálózati csatlakozó és néhány további apróság.
• Az elektronikán kívül szükséges még egy software mely a párhuzamos portot és ez által a mozgást vezérli. Amennyiben ez integrálva van a mozgást megtervező software-el, akkor kész, ha nem akkor egy mozgás tervező software, ami tipikusan egy CAD program, megfelelően alakított kimeneti fájl formátummal.

Árlista:

Az ismertetett vezérlő elektronika, szerelve, kipróbálva, a nekem előzőleg megadott motor és tápfeszültség adatokhoz beállított ellenállásokkal és Zener diódákkal, 1 db közel 3 m hosszú párhuzamos porti switch kábellel, ( ház, tápegység, motor kábel és csatlakozó nélkül ), 1 hónap visszavásárlási és 2 év normál garanciával áfával 40000 Ft. Az első tíz vevő megkapja hozzá az általam írt G-Code feldolgozó program teszt verzióját ( teszt: olyan állapotban amilyenben a program éppen van ). A cncnet féle programhoz való egyedi bekötésű vezeték, motor csatlakozó, egyedi méretű ( hosszú ) párhuzamos porti csatlakozó szintén rendelhető némi felár ellenében.

A szükséges tápellátás biztosításához: torroid transzformátorok 1-2 db szekunder tekerccsel ( harmadik tekercs 10% felár ellenében ). Minden szekunder tekercs feszültsége egyedileg kérhető. Javasolt szekunderfeszültség és teljesítmény habvágáshoz: 24 V - 150 VA, 30 V - 200 VA, 34 V - 300 VA. Rendelés előtt célszerű az izzószálat beszerezni és lemérni a meglepetések elkerülése végett. Fontos: 24 V -nál nagyobb váltófeszültség és 50 V -nál nagyobb egyenfeszültség már nem minősül érintésvédelmi törpe feszültségnek, tehát a vezetékezésre ugyanazok az előírások vonatkoznak mint a 230 V -os hálózatra ( mivel azonban a hálózattól a kisfeszültségű oldal el van választva ezért az egyik kivezetés érintése nem, de mindkettő érintése viszont okozhat áramütést ). A transzformátorok 1 év garanciával, 1 db fém és 2 db gumi rögzítőtárcsával, beépített hőbiztosítékkal rendelkeznek: 100 VA 6200 Ft, 150 VA 7200 Ft, 200 VA 8800 Ft, 250 VA 10300 Ft, 300 VA 11500 Ft áfával. 5 db és ennél több egyforma transzformátor esetén mindez 20%-al olcsóbban ( 2004 -es adat ).

Amennyiben a vezérlőből nem habvágó, hanem valami egyéb lesz ami nem igényel fűtő teljesítményt, és a léptetőmotor feszültsége 10 V alatti, olcsó megoldásként alkalmazható bontóból beszerezhető AT/ATX PC tápegység, mely 12 V-on 5 A-t legalább biztosítani tud, és külön 5 V-os kimenete is van. Ilyen tápegység alkalmazása esetén a panel áthuzalozható a külső stabilizált táp használathoz.

A vezérlőhöz is használható motor a stepper motor oldalon szerezhető be. Ezek ipari maradék ( új ) példányok, de még az NDK -ból. Ettől eltérő motort, használtan leginkább bontással lehet beszerezni selejtezésre kerülő nyomtatókból.

Amennyiben az itt leírttól eltérő elektronikára, motorra, megoldásra, szerszámgép átalakításra lenne szükség kérem emailben jelezni.

Bekötési információ ( SUBD-25M ):

A táblázatban megadott LPT port bit jelzések ( a csatlakozás ez esetben mezei switch kábellel történik ): D - az adott port adat regiszterének egyik bitje, S - az adott port státusz regiszterének bitje, C - az adott port control regiszterének bitje ( a párhuzamos portról bővebben itt ).

Léptető motorokról bővebben ( Parker Automation )
Motor technológia tartalomjegyzék
Léptető motorok, PDF ( 215k )
Léptető motor meghajtások, PDF ( 156k )

Párhuzamos portról bővebben
Párhuzamos port imertető

A vezérlőhöz használható néhány alkalmazás:
EMC - Linux alatt működő, ingyenes, fejlett mozgásvezérlő, nem csak szerszámgépek számára.
CncNet - Win9x alatt futó, olcsó, francia habvágó program, repülőgépek, szárnyak vágására.
bbastrodesign - ingyenes távcső vezérlő program.

Néhány érdekes oldal:
majosoft - gravírozógépek, plotterek, tervek, útmutatók.
otocoup - méretes fa megmunkáló gravírozógép, tervekkel.
luberth - plotter, digitális méretleolvasó, software, forrás és link gyűjtemény.
bbastrodesign - számítógép vezérlésű távcső, software és link gyűjtemény.

A kérdéseket és megjegyzéseket emailben lehet feltenni, illetőleg esténként a (29) 351-678 telefonszámon.