3 tengelyes bipoláris "boros" léptető motor meghajtó

Ábel István  ©2008
ai1@freemail.hu

az oldal egyelőre előzetes verzió, hibákat tartalmazhat, meghajtó viszont már van

Az alábbiakban egy alapkiépítésben 3 tengelyes, igény szerint bővíthető optocsatolt elválasztással működő bipoláris chopper 0.75 A / tekercs meghajtásra alkalmas PC printer / nyomtató / LPT portjára köthető, PC felé home-position és ESTOP jeleket szintén optocsatolt elválasztással eljuttató, végállás kapcsolók és ESTOP bemeneteknél többféle szenzor fogadásához előkészített ( mikrokapcsoló, optokapu, Hall szenzor ), csak 2x AC 24 V tápfeszültséget igénylő, Mach és EMC2 megmunkáló programokkal is kompatibilis léptető motor megható leírása olvasható. A meghajtó néhány példányban általában rendelkezésre áll, amikor kifogy akkor néhány hetes átfutással rendelhető, ára 34.000.- Ft + 5 m nyomtató kábel 1000 Ft + postaköltséggel, két év garanciával. "PLUG & GO"

Fontosabb információk:

• az elektronikának 2 db tápfeszültségre van szüksége, az egyik a motor táp ( ami a motor feszültséget szolgáltatja közvetlenül, és ebből egy belső feszültség szabályzó állítja elő a működéshez szükséges 5 V -os digitális tápot is ), valamint egy ettől potenciálfüggetlen ( nem közösített ) optocsatolókat kiszolgáló tápfeszültségre
• mindkét tápbemenet szimpla AC feszültséget igényel, ( persze DC feszültség is beköthető )
• motor táp: AC feszültség esetén 10 V AC .. 27 V AC ( effektív ) megengedett, ami áramkörön belül egyenirányításra és szűrésre kerül, amiből a motor tápfeszültség kb. az AC bemeneti feszültség x 1.41 -es szorzatán alakul ki, azaz a motor tápfeszültség áramkörön belül 14..39 V DC szűrt egyenfeszültség, amennyiben nem AC feszültséget köt be akkor alább részletesebben is olvashat a bekötési módról. A motor tápot az áramköri lapon biztosíték védi ennek maximális értéke 4 A/N ( normál ), kisebb motor esetén csökkentendő.
• optocsatoló táp: AC feszültség esetén 6 V AC .. 27 V AC ( effektív ) megengedett, amiből az optocsatolók 5 V -os földfüggetlen tápfeszültségét fedélzeti stabilizátor alakítja ki, a biztosíték maximális értéke 1 A/F ( gyors ).
• amennyiben egyszerű választ szeretne trafó választásra: 1 db 230 V / 2 x 24 V / 100 VA hálózati trafó tökéletesen megfelel, amennyiben a 2 db szekunder tekercs független egymástól ( 2 x 2 kivezetés, nincs közös pont ).
• a sorkapcsok csavarjainak meghúzásánál a sorkapocs házát támassza meg kézzel, ne csak a beforrasztott csatlakozási pont ellensúlyozza a csavarhúzó nyomatékát, minél rövidebb a sorkapocs szerelvény ez annál fontosabb ( tehát a tápcsatlakozó bekötésénél a legfontosabb )
• a hálózati csatlakozó kialakításánál megfelelő kétáramkörös kapcsoló és egy olvadó biztosíték elhelyezéséről gondoskodni kell, a bekötésnél a 230 V -os szerelésre vonatkozó előírásokat be kell tartani.
• az elektronikát javasoltan fém dobozba illik szerelni zavarszűrés miatt, a fém doboz földelendő a hálózati csatlakozó földelésén át, de az elektronika belső vezetékeit és az áramkör alatt elhelyezkedő hűtőfelületet ne kösse a házhoz elektromosan.
• a printer port csatlakozó fém szerelvényeit ne kösse a házhoz elektromosan, illetve azt úgy szerelje be a házba, hogy a fém szerelvények a házhoz ne érjenek hozzá, ezen csatlakozó fém szerelvényei a nyomtató kábel árnyékolásán át a PC házához vannak kötve, a nyomtató kábel földelését a PC biztosítja.
• a dobozba szerelés során az áramkör alatt a szabad légáramlást biztosítani kell
• az áramkör tartalmaz egy relét ez max. 10 A áram kapcsolására alkalmas alacsony DC feszültség esetében, 50 DC illetve 24 V AC -nél nagyobb feszültség relére vezetése, a tipikus felhasználó biztonsági ismereteinek hiányban nem megengedett.
• a motor bekötése: 4 vonalas sorkapcson, ezek legyenek most 1-2-3-4 sorban egymás mellett, akkor a motor egyik tekercsének két végét az 1-2 csatlakozókhoz, a másik tekercsének 2 végét a 3-4 csatlakozókhoz kell kötni, a bekötés után sorkapocs pontjaira ellenállás mérővel kell méri: az 1-2 pontok között a motor tekercs ellenállás mérhető ami néhány Ohm, a 3-4 pontok között szintén, az 1-3, az 1-4, a 2-3 valamint a 2-4 pontok között mérve szakadás található, amennyiben nem ezt mérjük az áramkört ne helyezzük üzembe a hiba megkereséséig, a hibásan bekötött motor az elektronika és a motor tönkremenetelét okozhatja.
• a motor áram beállítása a 3 db mini potenciométerrel történik, az óramutató járásával ellentétes irányba tekerve a motor áram csökken, a minimum 0.21 A, az óramutató járásával egyező irányba tekerve a motor áram emelkedik, a maximum 0.75 A,
• a léptető impulzusok active-high típusúak ( a jel többnyire 0 V-os, léptető impulzus idején emelkedik 5 V -ra ) léptetés az impulzus felfutó élére, a minimálisan szükséges impulzus szélesség: 7 ?s, amennyiben megoldható javasolt a 10 ?s impulzus szélesség, ( az áramkör tipikusan 3 ?s impulzussal elindul, de a tartalékok miatt javasolt a fenti minimum )
• az 1/1, 1/2, 1/5 lépés üzemmódok közti váltáshoz az áramkörön található egy darab jumper, habár fizikailag megoldható ezt a jelzett half_step_mode, illetve full_step_mode pozíción kívül máshova ne helyezze el, mivel az az áramkör meghibásodását okozhatja , a többi jumper tüske az áramkör felprogramozásában játszik szerepet.

Az alábbi rajzon az áramkör fontosabb részei, a csatlakozók elhelyezkedése és a be/kimeneti pontok elnevezése található:

Amennyiben még nem fáradt el a továbbiakban részletesebb információkat találhat az áramkörről:

a párhuzamos porti csatlakozó jelei erősítettek: a minimálisan szükséges feszültség a portvonalon a vonal bekapcsolásához: 2.4 V ( azaz működik szabványos 5 V -os párhuzamos porttal is és nem annyira szabványos 3.3 V-ossal is ), a portvonalat az áramkör maximum 2 mA árammal terheli.

a léptetőmotor meghajtó bipoláris chopper, azaz motor áram stabilizált meghajtású, továbbá áram-visszaforgatásos, ez jó hatásfokú tápegység kihasználást biztosít. Tipp: amennyiben szeretné kipróbálni az elektronikát trafó vásárlása előtt, és előfordul a környéken egy Piko modell-vasút trafó amin külön "váltó" és "mozdony" kimenet van, akkor az elektronika kipróbálható 3 motorral a "váltó" kimenet motor tápként történő a "mozdony" kimenet optocsatoló tápként történő felhasználásával motor áram 0.3 A -nél kisebb beállításával.

a fedélzeti logikai 5 V -os tápfeszültséget, valamint az optocsatolók földfüggetlen tápfeszültségét jó hatásfokú fedélzeti kapcsoló üzemű tápegység biztosítja.

az elektronika 3 féle üzemmódba állítható be: teljes lépés, féllépés és 1/5-öd lépés ami utóbbi már a ministep kategóriába esik, a beállítás 2 db jumperrel történik, a két jumper ( 2x2 tüske ) a mikrokontroller közelében található, az egyik a full_step_mode a másik a half_step_mode nevet viseli, üzemmód jumperek beolvasása az áramkör feszültség alá helyezésekor történik, üzemmód menetközben nem váltható, az üzemmódváltást az áramkör a következő bekapcsolásnál veszi figyelembe.

• amenyiben egyik jumper sincs a helyén akkor - 1/5 lépés üzemmódban üzemel
• amennyiben a half_step_mode jumper a helyén van akkor mindenképpen fél lépés üzemmódban üzemel
• amennyiben a half_step_mode jumper nincs a helyén de a full_step_mode jumper igen, akkor teljes lépés üzemmódban üzemel.

Tipp: amennyiben nincs külön elvárása a motor felbontására vonatkozólag használja a fél lépéses üzemmódot ( half-step mode ) ebben a motor elméleti pozíció hibája valamint elméleti nyomaték hibája minimális ( a módosított nyomatékvektorú meghajtásnak köszönhetően ) és az elérhető sebesség is kedvező.

a bipoláris meghajtó IC-k túlmelegedés elleni védelemmel szereltek, a hővédelem megfelelő beszerelés esetén nem szól közbe, ha esetleg mégis akkor azt kérném számomra emailben jelezni, az áramkör alá szerelt hűtőborda amennyiben mindhárom motor maximális 0.75 A tekercsáramban folyamatosan üzemel jelentősen felmelegedhet, ekkor esetleg egy kisméretű ventillátorral hűthető. A hővédelem a meghajtó tranzisztorjainak 125 C körüli hőmérsékletén aktivizálódik, habár a ház hőmérséklete ennél alacsonyabb, de azért ez azt jelenti a hővédelem közbelépésekor a hűtőborda igen forró.

a meghajtó IC-k hűtőbordája az áramkör belső GND pontjához csatlakozik, ezért dobozba szerelés esetén a megfelelő szigetelő távolság tartásáról a doboz fém részeihez viszonyítva gondoskodni kell.

a mikrokontroller maximálisan 14kHz -es léptetési frekvenciát tud kiszolgálni a három tengely vonatkozásában ha mind a három tengely üzemel, ha csak egy üzemel akkor ennek közel a háromszorosát.

az áramkörben készenléti állapotban aktivizálódó tekercsáram csökkentés van, amennyiben közel 6 másodpercig nem érkezik egyik motorra sem léptető impulzus ez mindhárom motort készenléti állapotba helyezi, akkor a motor tekercsein a az adott pozícióban jellemző tekercsáram közel 1/3 -a folyik, amennyiben bármelyik motorra készenléti állapotban léptető impulzus érkezik, mindhárom motor tekercsárama visszaáll az eredeti értékre.

amennyiben esetleg az áramköri lapon elhelyezett relét megengedtem volna, hogy 230 V -ra lehessen kötni, akkor a maximálisan üzemeltethető 230 V-os motor teljesítmény 370 VA lett volna ( de ezt biztonsági okokból nem engedtem meg ).

Az áramköri lapon lehelyezett végállás kapcsoló bemenetek illetve a vészleállító bemenetet optocsatolt elválasztással juttatják a jelet a PC párhuzamos portjára, valamint alkalmasak: normál mikrokapcsoló, reed relé, optokapu, és hall-szenzor fogadására is.

1. normál mikrokapcsoló és reed relé esetén a LIMIT_SWx bemenet és a LIMIT_SW_GND pontok közé kell azt bekötni.
2. opto kapu, és hall szenzor alkalmazása esetén a LIMIT_SWx bement a szenzor open collector-os kimeneti pontjára köthető ( az áramkörön belül 390 Ohmos ellenállással és ezzel sorban az optocsatoló LED -jével csatlakozik a +5 V -os tápfeszültséghez ), amennyiben az optokapu egyszerű LED-et tartalmaz az a LIMIT_SWx_POWEROUT pont és a LIMIT_SW_GND pont közé kötve hozható működésbe ( LIMIT_SWx_POWEROUT kimenet 390 Ohmos ellenállással csatlakozik az 5 V -os tápfeszültséghez ), amennyiben a szenzor ezenkívül 5 V -os tápfeszültséget is igényel az LIMIT_SW_VCC ponthoz köthető.

Az alábbi ábra 4 különböző típusú szenzor bekötését mutatja, a legegyszerűbb a mikrokapcsoló nincs feltüntetve az az adott LIMIT_SW_1..3 vonal és a LIMIT_SW_GND vonal közé kötendő.

Amennyiben ezen érzékelők bekötése jelen néhány sor alapján nem egyértelmű kérje segítségemet emailben.

Az alábbi rajzon a ki/bemeneti pontokra jellemző áramköri részletek találhatóak egyszerűsítve:

A LIMIT_SW csatlakozó a motor vezérlő belső logikai 5 V-os tápfeszültség rendszerét használja, ami a külső optokapukhoz illetve hall szenzorokhoz is eljut. Ez azt jelenti, hogy egy esetleges meghibásodás, pl. motor feszültség bejutása a szenzorokba, nem okozza a vezérlő számítógép meghibásodását ( mivel az optocsatolóval elválasztott ), illetve nem teszi ki veszélynek a számítógép kezelőjét, viszont a motor meghajtó elektronika meghibásodását okozhatja. Ezért a külső szenzorok huzalozásánál az optocsatolt elválasztás ellenére azért a szigetelés vonatkozásában körültekintően kell eljárni. Jelentős hosszúságú szenzor vezetékeknél ahova a LIMIT_SW_POWER_VCC nevű 5 V -os tápfeszültség is kivezetésre kerül ( drága önálló szenzor modulok ) esetleg szükséges a LIMIT_SW_POWER_VCC, és LIMIT_SW_GND vezetékek kondenzátorral esetleg induktivitással történő további szűrése a motor meghajtóhoz közel ( nem biztos, hogy az áramkörbe épített szűrés extrém hosszú szenzor vezetékek esetében elegendő ).

DC tápfeszültség használata AC helyett:
amennyiben motor tápként DC feszültséget vezet az áramkörre, akkor ha a tápfeszültség szűrt ( kondenzátorral simitott ) a megengedett maximális DC bementi feszültség 39 V, amennyiben a tápfeszültség nem szűrt csak egyenirányított, akkor bekötés előtt ki kell próbálni, hogy egy kisebb elektrolit kondenzátorral szűrve a feszültség üresjáratban mennyi, és csak akkor köthető be ha az nem éri el a 39 V -ot <

Az elektronika bővíthető 4 tengelyesre: ehhez két csatlakozó került elhelyezésre: az egyiken ki van vezetve az optocsatolók földfüggetlen tápfeszültség ( 5V ) és föld ( GND ) jele, valamint a párhuzamos port két további adatvezetéke. A másik csatlakozón a szűrt motor tápfeszültség és az abból előállított belső 5 V -os tápfeszültség a vonatkozó referencia GND ponttal együtt.

A 3 pontos csatlakozón kivezetett 5 V-os tápfeszültség csatlakozó használható egy kisméretű ventillátor csatlakoztatásra is ( bekötés rajz alapján, ha nem egyértelmű email nekem, figyelem: nem a hagyományos PC alaplapokon alkalmazott ventillátor csatlakozó bekötés ). A fedélzeti feszültség stabilizátor terhelhetősége kb. 1 A, szükség esetén javasolt az itthon beszerezhető 5V- os 0.6 W -os 40x40 mm -es ventilátor.

A léptetőmotor meghajtó beépített printer portos ( 36 pólusú Centronics ) csatlakozójának bekötése:

FUNKCIÓ	PC printer port csatlakozó	léptető motor meghajtó, Centronics csatlakozó	Adatvonal	Bit neve		típus
RELAY	Pin 1	1	-Strobe	C0-	relay	open collector
STEP1	Pin 2	2	Data 0	D0	M1	direct output
DIR1	Pin 3	3	Data 1	D1		direct output
STEP2	Pin 4	4	Data 2	D2	M2	direct output
DIR2	Pin 5	5	Data 3	D3		direct output
STEP3	Pin 6	6	Data 4	D4	M3	direct output
DIR3	Pin 7	7	Data 5	D5		direct output
STEP4_EXT	Pin 8	8	Data 6	D6	ext.	direct output
DIR4_EXT	Pin 9	9	Data 7	D7		direct output
GNDIO	18,19,20,21,22,23,24,25	19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,33	GNDIO	GNDIO		a PC GND rendszeréhez csatlakozik
EMERGENCY STOP	Pin 11	11	+Busy	S7-	ESTOP	input
LIMIT SWITCH1	Pin 15	32	-Error	S3+	IN	input
LIMIT SWITCH2	Pin 13	13	+SelectIn	S4+		input
LIMIT SWITCH3	Pin 12	12	+PaperEnd	S5+		input

Beállítások a Mach2/Mach3 programokhoz:

• az előző táblázat STEP1,DIR1,STEP2,DIR2,STEP3,DIR3 vonalaihoz tartozó a "PC printerport csatlakozó" oszlopban levő "Pin ..." elnevezéseket kell a motor vezérlő jelek beállító tábláján kiválasztani, minden STEP jelnél az "active high" opció választandó, azaz az "Active Low" jelölő bokszban a piros "X" -nek kell szerepelni nem pedig a zöld pipának.
• a motor tuning beállító táblán van mód a léptető impulzus szélességének beállítására, a meghajtó igénye definiáltan 7 ?sec, javasoltan 10 ?sec ami tartalékot biztosít, s megjegyzendő, hogy a meghajtó elektronika tipikusan 3 ?sec -el már elindul. A pontosan beállítandó érték valószínűleg Mach program és számítógép függő. A Mach 2-nél tipikusan az elektronika 2 ?sec beállítással még nem üzemel, 3 ?sec beállítással viszont igen, itt 7 ?sec illetve annál több beállítása javasolt. A Mach3 esetében nyilvánvalóan nem valós az ott beállítandó érték, mivel 0 ?sec is beállítható aminél elvileg nincs kimenő jel, viszont a meghajtó elektronika ez esetben már 0 ?sec -es beállítással is üzemelni szokott. A lényeg hogy javasolt: a párhuzamos port kimenő vonalán 7 ?sec-es impulzus jelenjen meg minimum.
• az Emergency Stop sorban levő adatot állítsuk be a Mach program ESTOP bemenetére
• a Limit Switch 1..3 sorokban levőt pedig a megvalósított funkciónak megfelelően ( végállás kapcsolók, home pozition switch-ek ... ).
• a Relay -sor adatát állítsuk a kívánt funkcióhoz.

ALKALMAZHATÓ MOTORTÍPUSOK

4 kivezetéses bipoláris tekercs elrendezésű léptetőmotor, bekötése: 1A ==> M1A, 1B ==> M1B, 2A ==> M2A, 2B ==> M2B Beállítandó motor áram: a bipoláris meghajtásra specifikált motor áram

6 kivezetéses unipoláris tekercs elrendezésű léptetőmotor, bekötése: soros bipoláris üzem: 1A ==> M1A, 1B ==> M1B, 2A ==> M2A, 2B ==> M2B feles bipoláris üzem: 1A ==> M1A, 1X ==> M1B, 2A ==> M2A, 2X ==> M2B illetve: 1X ==> M1A, 1B ==> M1B, 2X ==> M2A, 2B ==> M2B A motor terhelhetőségi és nyomatéki adatait általában unipoláris üzemmódra adják meg ( ezt nevezzük most Iunipolar -nak ), ezt bipoláris üzemmódra a megváltozott hőleadás figyelembevételével át kell számítani, amennyiben nincs egyéb megfontolandó adat, akkor használjunk: soros bipoláris üzem-et, ekkor a meghajtón beállítandó bipoláris motor áram = Iunipolar x 0.707. Amennyiben feles bipoláris üzemet használunk akkor a beállítandó áram Iunipolar. ( Megjegyzés: a soros bipoláris üzemben a tekercsek hőleadása egyenletesebb, ha tehetjük használjuk azt ).

8 kivezetéses unipoláris tekercselrendezésű léptetőmotor, bekötése: soros üzem: 1A ==> M1A, 1B ==> M1B, 2A ==> M2A, 2B ==> M2B, 1X 1Y, 2X 2Y feles üzem: 1A ==> M1A, 1X ==> M1B, 2A ==> M2A, 2X ==> M2B, ( 1Y, 1B, 2Y, 2B nincs bekötve ) illetve: 1Y ==> M1A, 1B ==> M1B, 2Y ==> M2A, 2B ==> M2B, ( 1A, 1X, 2A, 2X nincs bekötve ) párhuzamos üzem: (1A 1Y) ==> M1A, (1X 1B) ==> M1B, (2A 2Y) ==> M2A, (2X 2B) ==> M2B A motor terhelhetőségi és nyomatéki adatait általában unipoláris üzemmódra adják meg ( ezt nevezzük most Iunipolar -nak ), ezt bipoláris üzemmódra a megváltozott hőleadás figyelembevételével át kell számítani, amennyiben nincs egyéb megfontolandó adat és a meghajtó áram tartománya ezt lehetővé teszi, akkor használjunk: párhuzamos bipoláris üzemet, ekkor a meghajtón beállítandó bipoláris motor áram = Iunipolar x 1.41. Amennyiben a meghajtó áram tartománya ezt nem engedi meg és nincs egyéb megfontolandó adat, akkor használjunk: soros bipoláris üzemet, ekkor a meghajtón beállítandó bipoláris motor áram = Iunipolar x 0.707. Amennyiben feles bipoláris üzemet használunk akkor a beállítandó áram Iunipolar. ( Megjegyzés: a párhuzamos és soros bipoláris üzemben a tekercsek hőleadása egyenletesebb, ha tehetjük használjuk azt, a párhuzamos üzemben a motor eredő induktivitása kisebb, az elérhető fordulatszám nagyobb, soros üzemben a motor árama kisebb ).

A tekercsek bekötésénél illetve azonosításánál figyelemmel kell lenni a tekercsek polaritására, mivel két ellentétesen felmágnesezett tekercs mágneses tere optimális esetben kiegyenlíti egymást nullára.

A bekötési mód megválasztásánál a következőt fontoljuk meg ( amennyiben az adott motorra többféle bekötés is lehetséges ), a tekercsek eredő ellenállásának és induktivitásának viszonya a különböző bekötési módok esetén: ( soros feles párhuzamos ) ezért a soros üzemmódban azonos nyomaték eléréséhez kisebb áramerősség szükséges mint a többi esetben, viszont a maximálisan elérhető léptetési sebesség kisebb az induktivitás miatt ( ez a relációban szereplő többi üzemmódra is vonatkoztatható ).

A motor áram mérése az áramköri lapon: az áramkörön megjelöltem a motor áram beállító potméterek környékén 3 db Vref elnevezésű pontot valamint egy GND nevű pontot. Az adott motorra vonatkozó Vref feszültség egy egyszerű digitális multiméterrel mérhető, pl. a Vref1 pont és a GND pont között az első motor referencia feszültsége. Ebből a Vref feszültségből a motor áram a következő módon számítható: Imotor [ A ]= Vref [ V ] x 3 / 20 azaz pl. ha a Vref feszültség mért értéke 5 V akkor a motor áram: Imotor = 0.75 A azaz maximális.

A vezérlőhöz használható a külön oldalon bemutatott 8 V-os robotron léptető motor is, amennyiben ilyen motort szeretne alkalmazni jelen vezérlőhöz, akkor vezérlővel együtt vásárolva a motorok kedvezményesen áron vásárolhatóak.

További alkalmazható motorok mérsékelt áron hamarossan itt.

A kérdéseket és megjegyzéseket a fent jelzett emailben címen lehet feltenni, illetőleg esténként eseteleg dél körül a (29) 351-678 telefonszámon.