MPP Torie2

7/28/2019 MPP Torie2

1/39

n generalsistemele de acionare pot fi

descompuse n:dispozitivul mecanic,este cel care este ac ionat cu ajutorulmotorului (servo sau motor pas cu pas de exemplu) cufeedback sau nu (n general aplica iile cu motoare pas cu pas nu sunt cu bucl de control n schimbaplica iile cu motoare de curent alternativ, de curent continuu sau brushless, au nevoie pentrucontrolul mi crii de bucl de reac ie) care permite unit ii de control, s genereze semnal

corespunztor pentrudriver sau amplificator. Sistemele tradi ionale de control a mi crii utilizeaztehnologia PLC (figura 3.1. a)), care este o parte a unui sistem complex hardware i software.Sistemele mai noi folosesc doar PC pentru realizarea controlului, avantajele acestui tip de controlsunt evidente, PC-ul oferind vizualizarea u oar a datelor de intrare/ie ire, manipularea u oar adatelor, capacitate mare de stocare a datelor (figura 3.1.b)). Astfel, n primul caz, PC-ul este folositpentru achizi ia i vizualizarea datelor. Exist o plac de interfa ntre PC i PLC, un dispozitiv I/Opentru achizi ia datelor de la dispozitivele de control i ie irea datelor de comand i binen eles unsoftware care s gestioneze toate aceste sisteme opera ionale.[1]


2/39

SistemSCADA

PC pentru

programarea

PLC

PL

C

Sta

ie

operare Intr

ri/Card

Intr

ri/

control al Ie iri

micrii

Controlul

Ieiri

mi crii

Driveri

Driveri motor

motor

a) Sistem de control cu PLC b) Sistem de control cu ajutorul PC-uluiFig.3.1

n particular, conducerea sistemelor de ac ionare cu motoare pas cu pas nseamn n

termeni generali controlul mi crii, care n termeni electronici nseamn controlul precis al mi

crii unui obiect bazndu-se fie pe pozi ie, vitez, sarcin, iner ie sau o combina ie a tuturor

acestori factori.

Aceast lucrare este dedicat studiului motorului pas cu pas, din punct de vedere al

conducerii acestuia, dar n practic acesta este ntotdeauna parte component a unui sistem de

ac ionare, deci conducerea motorului nseamn de fapt conducerea sistemului de ac ionare.


3/39

Cu riscul de a m repeta, este necesar s reamintesc modul simplist, dar eficient de func ionareal motorului pas cu pas. Astfel motorul pas cu pas este de o simplitate uluitoare. Nu are perii icontacte. n esen este un motor sincron cu un cmp magnetic comutat electronic pentru a rotimagnetul permanent (rotorul). n figura 3.2 se poate observa rela ia dintre un puls electric i unpas efectuat de motor, adic o rota ie a rotorului cu un numr de grade (n func ie de raportulgrade/pas al motorului).[1]

Fig. 3.2

n principiu, un sistem de ac ionare cu motor pas cu pas con ine trei elemente debaz: controller, driver (amplificator) i motor, care uneori sunt combinate cu diferitedispozitive de interfa cu utilizatorul cum ar fi calculatorul personal, PLC sau un simpluterminal de introducere a datelor (format dintr-un LCD i o tastatur care genereaz semnalelenecesare nceperii sau terminrii unor procese comandate de controller).

Despre calculatorul personal nu are rost s discutm prea mult deoarece ne-amdeprta de la subiect, trebuie men ionat doar faptul c putem folosi intrrile calculatorului,

portul serial, portul paralel, portul USB, portul FireWire sau pl

ci de achizi ie speciale care potcomanda sau supraveghea pn la 65536 (256x256) de procese simultan. n partea practic s-afolosit portul paralel pentru a comanda controller-ele (adic pentru generarea semnalelornecesare conducerii unui proces), iar portul serial a fost folosit pentru a transfera programul deexecu ie n microcontroller-ul PIC.

Despre PLC (Programable Logic Controller) sau ELP n limba romn, Echipamentcu Logic Programat putem spune c a reprezentat un salt imens de la echipamentele culogic cablat.

Astfel, schemele electrice clasice pot fi reprezentate sub forma unor scheme logice.Func iile logice ce intr n componen a acestor scheme logice pot fi reprezentate prin expresiialgebrice. De aici posibilitatea de a exprima schemele electrice prin expresii algebrice, astfelnct s se ob in o implementare mai avantajoas a func iilor unui circuit de comand. Dintrefunc iile unui sistem de comand i protec ie (msurarea, prelucrarea logic/aritmetic i execuia), func ia de prelucrare a beneficiat n modul cel mai spectaculos de posibilit ile oferite detehnicile electronice moderne. Expresiile algebrice ale schemelor logice se pot constitui ntr-unprogram care trebuie executat de circuitul de comand. Acest program poate fi pstrat ntr-o


4/39

memorie electronic de unde este apelat i executat folosind posibilit ile oferite demicroprocesoare i circuitele lor anexe. Avnd n vedere faptul c func iile pe care le executechipamentul sunt stabilite prin programarea i la nevoie reprogramarea (chiar repetat) amemoriei electronice, aceste echipamente de comand sunt denumite echipamente culogic programat.

Pr ile principale ale unui echipament cu logic programat sunt :

1- interfe ele de intrare/ie ire

2- unitatea central con innd memoria

3- microprocesorul

4- circuitele de tact

5- sursa

6- echipamentul de programare

7- blocul de temporizare

reprezentate n figura 3.3.

Fig. 3.3

Deoarece nu am folosit n aplica ia practic un ELP, nu vom intra n detalii privind


5/39

componen a intern a acestuia i modul de programare sau utilizare, acestea nefcnd obiectul

studiului acestei lucrri. Totu i trebuie men ionat c, cu ajutorul unui ELP performant se pot

comanda sau supraveghea pn la 4096 de procese.

Astfel rmne la latitudinea proiectantului i utilizatorului s aleag interfa a indicat

pentru lucrarea pe care dore te s o execute deoarece fiecare dintre aceste elemente are

avantajele i dezavantajele sale.

Astfel, primul element, Controller-ul, este n esen un microprocesor care este

capabil s genereze impulsuri pentru p ire n secven a necesar driver-ului pentru a alimenta

bobinele motorului n secven a corect pentru a realiza p irea. i controller-ele pot fi mpr ite n

trei categorii:controller-e de nivel inferior (low level controller), care au doar func iile de


6/39

baz n conducerea sistemelor de ac ionare cu motoare pas cu pas,controller-e de nivel mediu (midlevel controller) care au i func ii speciale cum ar fi modul de p ire jumtate de pas i micropirea icontroller-e de nivel nalt (high level controller), care pe lng modul de p ire jumtate pascu pas i microp ire cu diferite rapoarte 1/8, 1/32 i cele mai performante 1/256, au i posibilitateade a interac iona cu diferite elemente de control encoder-e, traductoare sau senzori. n ultimul timp,progresul tehnologic a dus la scderea pre urilor pentru microcontroller-e programabile, caredatorit posibilit ilor aproape nelimitate de programare au nceput s preia rolul controller-ului n

unele aplica ii speciale cu scar mic de integrare,totu i nu este justificat faptul de a nlocui toatecontroller-ele clasice cu microcontoller-e deoarece costul unui microcontroller este totu i mai mareca al unui controller de clas medie. De asemenea, un microcontroller poate nlocui cu succes unansamblu PC sau PLC i controller, el prelund func iile acestor echipamente datorit posibilit ilor

sale de comunicare serial sau cu dispozitve IC2, i datorit posibilit ii de stocare a programuluicontrol.[1,3]

Al doilea element este driver-ul sau amplificatorul. Vom folosi denumirea

de driver pentru c este termenul utilizat n documenta ia de specialitate, care are rolul de a

converti semnalele primite de la controller n semnale (curent i tensiune) pentru energizarea

bobinelor motorului. Astfel, este nevoie de un puls energetic de la amplificator pentru ca

motorul se execute un pas fizic, o deplasare a rotorului cu un pas unghiular. Cu alte cuvinte,

performan ele motorului, viteza sau momentul sunt direct dependente de amplificator (pentru a

ob ine cupluri maxime sau viteze mari este nevoie de curen i mari, totu i nu peste limita

maxim admisibil a motorului). Exist mai multe tipuri de amplificatoare cu diferite rapoarte

de amplificare a semnalului n func ie de motorul comandat. De precizat c motorul pas cu pas,

n func ie de tipul su necesit un anumit tip de driver (amplificator), n caz contrar neputnd

func iona corect (de exemplu motorul pas cu pas bipolar are nevoie de circuite speciale carepermit schimbarea polarit ii la bornele de acces ale unei bobine a motorului pentru a permite

schimbarea direc iei de deplasare.

Al treilea element este motorul pas cu pas. Despre motorul pas cu pas am

discutat pe larg n capitolul 1, aici reamintind doar faptul c acesta este un dispozitiv

electromecanic care transform impulsurile electrice primite de la amplificator n mi care

mecanic de rota ie a arborelui (rotorul motorului).


7/39

3.1. controller-ul

De i i PC-ul poate fi numit controller, cu soft-ul adecvat el putnd comanda cu

ajutorul unui driver orice tip de motor pas cu pas, ne vom referi cu denumirea de controller,

doar la circuitele integrate specializate care genereaz semnalele necesare pentru a face un

motor pas cu pas s realizeze o mi care, binen eles cu ajutorul driver-ului.

Deoarece n aplica ia practic ce nso e te aceast lucrare am folosit controller-ul de

clas medie L297 , n continuare sunt prezentate caracteristicile acestui

controller, care de altfel se ntlnesc la majoritatea controller-elor de clas medie.[3]

De ce un controller? Pentru c permite conducerea motorului n modul de p irenormal, n modul de p ire jumtate de pas, permite schimbarea direc ie de rotire (n sens

orar i n sens antiorar), reglarea curentului prin comuta ie, necesit pu ine componente externe.

Acestea sunt cteva motive esen iale n alegerea unui controller pentru a conduce o ac ionare cu

motor pas cu pas.

L297 este un controller construit pentru a se utiliza mpreun cu L298N sau L293E

pentru a comanda un motor pas cu pas bipolar, sau cu 4 tranzistoare darlington pentru a

comanda un motor pas cu pas unipolar. Prime te semnalele de intrare de la un PC sau un

microcontroller de sistem i n func ie de semnalele primite la intrare genereaz semnalele de

conducere la ie ire necesare motorului s execute mi carea dorit. Adi ional include i dou

circuite PWM care au rolul de a regla curentul prin bobine. L297 poate comanda dou motoare

bipolare cu dou faze, un motor unipolar cu patru faze sau un motor cu reluctan variabil cu

patru faze. Exist dou versiuni de L297, cea standard, folosit i n aplica ia practic i o edi ie

special numit L297A, acesta din urm fiind construit special pentru aplica iile de pozi ionare

a capului de citire la floppy-disk-uri.[7,9]

Avantajele oferite de o combina ie format dintr-un controller L297 i un driver suntevidente: sunt necesare foarte pu ine componente, deci i costurile de produc ie sunt reduse, de

asemenea spa iul necesar este mic, software-ul necesar este u or de realizat i de implementat

folosind n cazul microcontroller-elor pu in memorie.

Structura intern (figura 3.4) cuprinde urmtoarele blocuri interne: translatorul

genereaz secven a fazelor i asupra lui ac ioneaz intrrile care selecteaz modul de p ire,

direc ia, viteza (dat de frecven a ceasului) i de o func ie specialacas,blocul de ie ire care


8/39

genereaz semnale de ie ire pe pinii A, B, C, D, INH1 i INH2 i asupra cruia ac ioneaz


9/39

translatorul, precum i pinii de Validare i Control, un oscilator intern sau unul extern (dup caz),precum i intrrile Sens1 i Sens2 care simt curentul prin bobine i genereaz semnalele dentrerupere necesare secven ei de p ire (ntreruperea i/sau schimbarea sensului curentului prinbobinele motorului/motoarelor).[7]

VS A INH1B C INH2 D

Pas ntreg/jumtate de

pasValidare

Ie iri logice

ResetControl

Direc ie

Fig. 3.4

Ceas

Sincronizare

Acas

GND Sens1 Vref Sens2 Oscilator

De remarcat este faptul c controller-ele L297 pot fi sincronizate ntre ele cu ajutorul

unui pin Sincronizare care permite tuturor controller-elor s func ioneze n sincronism (figura

3.5).

Fig. 3.5

n figura 3.6 este prezentat configura ia tipic a unui sistem de conducere a unui

motor pas cu pas bipolar. La intrrile L297 poate fi legat fie PC-ul, fie un microcontroller. Se


10/39

poate observa simplitatea montajului n care sunt prezente doar integratele L297 i L298, cteva

condensatoare de filtraj precum i diodele de protec ie.[7,9]

VS

VC

Fig. 3.6

O alt aplica ie tipic n care este folosit L297 este comanda unui motor unipolar cusingura diferen c n locul integratului L298 sunt folosi i 4 tranzistori (figura 3.7).


11/39

Fig. 3.7

Secven a din figura 3.8 prezint

semnalele aferente pinilor de ie ire n func ie desemnalul de ceas, n modul de p ire pas ntreg (o singura faz este activ n orice moment). Sepoate observa c n momentul cnd bobina A este alimentat INH1 este dezactivat (deoareceINH1 i INH2 sunt active n zero) iar INH2 este activ, i tot a a pn motorul execut un pas(secven a n care sunt alimentate bobinele motorului A-B-C-D).

Fig. 3.8


12/39

Figura 3.9 prezint semnalele generate la ie ire n cazul modului de p ire jumtatede pas. Pentru efectuarea unui pas este nevoie s fie executat urmtoarea secven (BD-D-AD-A-AC-C-CB-B).

Fig. 3.9

Un controller de nivel nalt este TMC428 . Caracteristicile lui l diferen iaz de uncontroller de clas medie; astfel poate controla pn la 3 motoare pas cu pas cu dou faze

(comand 3D), interfa a serial cu C, ie ire analogic pentru comanda motoarelor (necesitpu ine componente pentru a realiza comanda motoarelor), numrtoare pe 24 bi i internepentru calculul pozi iei, frecven e de p ire normal pn la 20KHz pe ax i pn la 1MHz nmodul microp ire, citirea parametrilor de mi care (pozi ie, vitez, accelera ie), citireaparametrilor interni ai motorului, forma curentului prin bobine poate fi: sinusoidal,trapezoidal, triunghiular sau definit de utilizator, schimbarea brusc on the fly aparametrilor de mi care (pozi ie, vitez, accelera ie). n figura 3.10 este prezentat structuralogic intern a controller-ului TMC428.[16]


13/39

Fig. 3.10


14/39

TMC428 este un circuit integrat de mare performan utilizat n special n aplica ii speciale deautomatizare sau ac ionarea perifericelor calculatorului. Datorit caracteristicilor multiple pecare le integreaz, cu ajutorul unui microcontroller pe 8 bi i se pot realiza aplica ii de controlmulti-ax foarte complexe. De asemenea, dezvoltarea softului necesar conducerii lui scademult, deoarece majoritatea func iilor de control n bucl nchis sunt preluate de acestcontroller.

3.2. driver-ul


15/39

Driver-ul sau circuitul de amplificare are de ndeplinit dou roluri importante:S schimbe direc ia curentului i fluxului n bobinele motorului;S poat genera prin bobine curentul necesar i s aib un timp de comuta ie

mic ntre momentele de alimentare a bobinelor pentru o bun performan nob inerea accelera iei i/sau vitezei dorite.

Exist mai multe tipuri de driver-e, cum am men ionat i mai sus, pentru fiecare tip demotor: unipolar sau bipolar. Realizarea p irii la motoarele pas cu pas necesit o schimbare adirec iei fluxului independent n fiecare faz. Schimbarea sensului fluxului se realizeaz prinschimbarea sensului curentului i poate fi realizat n dou moduri: bipolar sau unipolar.

Modul de conducere bipolar se bazeaz pe principiul c schimbarea direc iei curentuluiprintr-o bobin se realizeaz prin schimbarea polarit ii la bornele bobinei. Pentru schimbareapolarit ii la bornele bobinei este nevoie de o punte H format din patru ntreruptoare. Metoda deconducere bipolar necesit o bobin pe faz. De exemplu un motor cu 2 faze va avea doubobine i deci 4 borne de acces. n figura 3.11 este prezentat modul de conducere (drive) bipolar.

Fig. 3.11


16/39

De remarcat faptul c este nevoie de cte o punte H pentru fiecare bobin amotorului.

Un driver care realizeaz comanda unui motor bipolar cu dou bobine este L298N .

Acesta este un circuit integrat, ce suport tensiuni pn la 46V, curent pn la 4A. De

asemenea acesta este prevzut cu protec ie la supratemperatur. O men iune special este faptul cnivelul de 0 logic este men inut pn la tensiunea de 1,5V cu o imunitate ridicat la zgomot.

n esen , L298N este alctuit din dou pun i H ntregi, care sunt concepute saccepte comand logic compatibil TTL i poate comanda sarcini inductive ca motoare decurent


17/39

continuu, motoare pas cu pas (cazul care ne intereseaz i pe noi) i relee. L298N, figura 3.12,este prevzut cu dou intrri care comand accesul la pun ile H, notate A i B. Astfel se poatecomanda simplu accesul la cele dou pun i fr a fi nevoie s ntrerupem alimentareaintegratului. De asemenea, emitoarele de la tranzistoarele din partea de jos a fiecrei pun i suntlegate mpreun i terminalul comun poate fi folosit pentru a conecta o rezisten care simtecurentul n sarcin i permite controlul acestuia.[9]

Fig. 3.12

OUT1, OUT2, sunt ie irile pun ii A respectiv OUT3, OUT4 sunt ie irile pun ii B.

Curen ii care circul prin aceste ie iri sunt monitorizate de Sense A, respecitv Sense B. VS este

tensiunea de alimentare, VSS este tensiunea de alimentare pentru blocurile logice. Fiecare punte

are 2 intrriIn1,In2 pentru puntea A, respectiv In3,In4 pentru puntea B, aceste intrri fiindcompatibile TTL.[9]

Un alt circuit integrat care este folosit pentru a conduce un motor bipolar este L6219.Acesta, la fel ca L298N, este prevzut cu dou pun i H care comand fiecare o bobin a


18/39

motorului bipolar (sau poate controla dou motoare de curent continuu bidirec ional).Controlul curentului n acest caz se realizeaz cu ajutorul PWM-ului, curentul maxim fiindstabilit de utilizator cu ajutorul unei tensiuni de referin i rezisten ele folosite pentru a sim icurentul de sarcin. Dou intrri logice controleaz curentul la ie ire limitndu-l la 0, 33, 66,100% din nivelul maxim. De asemenea, fiecare punte con ine o diod de limitare i o diod defug pentru protec ia mpotriva sarcinilor inductive ntmpltoare. Exist un timp de ntrzierentre dou comutri succesive pentru a preveni eventualitatea existen ei curentului n ambele

sensuri. L6219 este prev

zut cu protec ie termal

, care n momentul cnd temperatura dep

ete limita de func ionare, ntrerupe ie irile.[17]


19/39

Caracteristicile de putere ale L6219 sunt, curent de ie ire maxim 750mA, tensiune de alimentarela ie ire pn la 45V.

Aplica ia tipic este prezentat n figura 3.13.

Motor pas cupas bipolar

Fig. 3.13

De lamicroprocesor

De la

microprocesor

Modul de conducere unipolar este mai simplu dect modul de conducere bipolar, i sebazeaz pe faptul c fiecare bobin are un punct median sau c exist dou bobine pe faz,n cazul motoarelor pas cu pas unipolare cu 8 borne de acces. Schimbarea direc iei fluxului esterealizat prin alimentarea unei jumt i sau a celeilalte dup cum se observ n figura 3.14.


20/39

Fig. 3.14

De remarcat c aceast metod de conducere necesit doar dou ntreruptoare pefaz. Pe de alt parte, se observ c, aceast metod de conducere utilizeaz doar jumtatedin volumul de cupru din bobin, deci pierderile de putere sunt duble fa de modul deconducere bipolar raportat la aceea i putere de ie ire.


21/39

Pentru realizarea conducerii unipolare nu este nevoie de driver-e speciale, ntreruptoareleputnd fi nlocuite foarte u or cu tranzistoare de putere, de exemplu TIP31, tranzistorul folosit naplica ia practic, sau alte tranzistoare echivalente, care preiau astfel rolul ntreruptoarelor.Trebuie men ionat c aceste tranzistoare trebuie s aib caracteristicile electricecorespunztoare, aici ne referim la tensiunea suportat, la curentul maxim admisibil i la timpiide comuta ie. De obicei, pentru protec ia acestora se monteaz diode de fug. n figura 3.15este prezentat un exemplu de driver pentru un motor unipolar cu 6 fire, care poate fi foarte u orfolosit i la un motor cu 5 fire (se observ c firele 2 i 5 sunt legate mpreun la poten ialulpozitiv al sursei). De men ionat cA, B, C, D, Sens 1 i Sens 2 sunt ie irile controller-ului L297.De asemenea, 1-2, 3-2, 4-5, 6-5 sunt bobinele motorului unipolar.

Fig. 3.15

De i nu este un driver specializat, ULN 2075B, ULN 2069B, ULN 2065B, suntcircuite integrate care con in 4 tranzistoare Darlington grupate n aceea i capsul. De asemeneaULN 2003, (amintim de el deoarece este folosit n aplica ia practic, este un integrat ce con ine7 tranzistoare Darlington de mai mic putere dect cele prezentate mai sus). n figura 3.16 seobserv similitudinea cu schema prezentat n figura 3.15, singura diferen fiind ctranzistoarele sunt ncapsulate n aceea i capsul. Acest montaj este comandat la fel ca cel desus prin folosirea ie irilorA, B, C, D, Sens1, Sens2 la care se adaugInh1 iInh2, ie iri negatecare sunt folosite pentru a bloca ie irile A, B n cazul Inh1 sau C, D n cazul Inh2. Se observ


22/39

c ie irile A, B, C, D, Sens1, Sens2 sunt intrri pentru patru operanzi logici care asigurscderea rapid a curentului n momentul cnd bobina nu mai este alimentat.[2,3]


23/39

Fig. 3.16

De i nu este o solu ie optim, exist unele momente n care toate componentele nusunt disponibile sau pre ul lor este prea mare avnd n vedere aplica ia dorit, se poate folosi un

motor unipolar ca i un motor bipolar. Astfel este posibil comanda unui motor unipolar cu 6 fire(cel cu 5 fire nu poate fi comandat n acest fel) s se realizeze cu un driver bipolar cum ar fiL298N sau L6202. n acest caz, priza median de pe bobine nu va mai fi legat la parteapozitiv a sursei de alimentare, ci va rmne nealimentat, iar celelalte patru terminale se vorlega la pinii de ie ire ai integratului L298 sau L6202. n figura 3.17 este prezentat modul deconducere a unui motor unipolar cu 6 fire cu ajutorul a dou circuite L6202, cte unul pentrufiecare bobin i controller-ul L6506 care genereaz semnalul de conducere a driver-ului. Sepoate observa c motorul unipolar cu 6 fire a devenit un motor bipolar cu 4 fire.[7]


24/39

Fig. 3.17

Foarte important n acest tip de montaj este faptul c prizele mediane NU trebuieconectate la poten ialul pozitiv al sursei de alimentare deoarece n acest caz montajul nu vafunc iona. Acest lucru se datoreaz faptului c circuitul L298N are protec ia pe colectorul iemitorul fiecrui tranzistor i va pune n scurt sursa de alimentare.[18]

Exist multe alte circuite specializate sau nu care pot fi numite driver-e pentru un motorpas cu pas. Totu i cred c circuitele prezentate mai sus sunt reprezentative pentru modul de


25/39

conducere a unui motor pas cu pas. Orice alt dispozitiv de putere care poate prelua rolul unuintreruptor poate fi folosit n conducerea unui motor pas cu pas cu precizarea c el trebuie spoate debita puterea necesar motorului, i aici ne referim la tensiune i curent, precum i timpulde comuta ie s permit ob inerea caracteristicilor vectoriale ale motorului: vitez i acceleraie.

Un caz mai aparte este circuitul integrat prezentat mai jos care integreaz att partealogic (controller) ct i partea de amplificare (driver).

UCN5804 (figura 3.18) este un integrat care combin logica CMOS cu ie iri bipolarede tensiune mare i curen i mari. Cu alte cuvinte, putem spune c UCN5804 este un translator(controller) care ofer control complet i amplificarea (driver) pentru un motor pas cu pasunipolar cu 4 faze. Partea de control, controller logic, ofer comand pentru direc ie, pornire iresetare. Modurile de p ire pas ntreg, jumtate de pas pot fi selectate extern. Intrrile suntcompatibile CMOS, PMOS i NMOS. Pentru a putea fi compatibil TTL este nevoie de rezisten epentru a ridica tensiunea i a stabili nivelul logic de intrare 1. Pinii de intrare sunt: 14, cuajutorul cruia se selecteaz direc ia, 11 cu ajutorul cruia se selecteaz frecven a de p ire,pinul 10 prin care se selecteaz modul de p ire jumtate de pas, pinul 9 prin care seselecteaz modul de p ire pas ntreg (de remarcat aici c cele dou intrri 9 i 10 nu trebuie

s fie active amndou n acela i timp), iar cu ajutorul pinului 15 se pot controla ie irile, sestabile te starea acestora active sau inactive. Ie irile sunt 1, 3, 6, 8 care alimenteaz cele patrufire ale motorului n secven a dat de unitatea logic.[13]

Fig. 3.18


26/39

n figura 3.19 sunt prezentate modulele standard de intrare respectiv ie ire ale

UCN5804.


27/39

Intrare Ie ire

Fig. 3.19

Aplica ia tipic a acestui circuit, conducerea unui motor pas cu pas unipolar cu 6 fire,

este prezentat n figura 3.20.

ControlulFig.

3.20

direc iei Frecven

p ire


28/39

Secven a de mai jos prezint strile intrrilor i ie irilor n func ie de modul de p ire

selectat (figura 3.21).[13]

CeasPas ntreg

Jumtate de pas

Ie irile activeFig. 3.21

Ie irea A

Ie irea B

Ie irea C

Ie irea D


29/39

3.3. microcontroller-ul

nainte de a ncepe orice discu ie despre microcontroller-e, trebuie fcut urmtoarea

precizare pentru a nu crea confuzie n continuare: microcontroller-ul difer de un

microprocesor n multe feluri. n primul rnd i cel mai important este func ionalitatea sa. Pentru

a fi folosit, unui microprocesor trebuie s i se adauge alte componente ca memorie, sau

componente pentru primirea i trimiterea de date. Pe scurt, aceasta nseamn c

microprocesorul este inima procesului. Pe de alt parte, microcontroller-ul este proiectat s fie

toate acestea ntr-unul singur. Nu sunt necesare alte componente externe pentru aplicarea sa

pentru c toate perifericele necesare sunt deja incluse n el. Astfel, economisim timpul i spa iul

necesare pentru construirea de aparate.Odat cu cre terea complexit ii proceselor n care sunt implicate motoarele pas cu

pas a crescut i complexitatea modului de comand. Astfel, controller-ele clasice nu au mai

putut face fa din punct de vedere al complexit ii proceselor pe care le aveau de condus. n

acel moment i-au fcut apari ia microcontroller-ele care aveau un grad de programare foarte

mare i permiteau implementarea unui numr foarte mare de func ii fa de un controller, fie

chiar i un controller de nivel nalt.

Exist mai multe firme care produc microcontroller-e, dintre care amintim cele produse de

firmaATMEL, cu arhitectur RISC cu 32 de regi tri generali, care poate gestiona pn la 8Mb de

memorie program i 8Mb de memorie de date, din acest punct de vedere fiind printre cele mai

performante microcontroller-e din clasa mid-level. Totu i exist i un dezavantaj acesta fiind faptul

c aceste microcontroller-e au un set de 120 de instruc iuni. Un alt mare productor de

microcontroller-e este cunoscutulINTEL, microcontroller-ul, produs de acesta avnd un set de 255

de instruc iuni pe 8 bi i. De asemenea, multe firme printre care Analog Devices, Philips au integrat

nucleul microcontroller-ului Intel 8051 n aplica iile lor, au adugat convertoare analog digitale i

memorii flash astfel rezultnd noi microcontroller-e. Mai amintim i al i productori demicrocontroller-e cum ar fi Motorola cu 64HC05 cu peste 180 de versiuni i 64HC11, National

Semiconductor cu COP8, OKI cu NX65K compatibil cu instruc iunile pentru 8051,

STMicroelectronics cu ST6 cu doar 4 regi tri generali i un set redus de instruc iuni, func ionnd la

frecven e de maxim 8MHz, precum i ST9 care cuprinde pe lng regi tri, control DMA i o unitate

de control al memoriei, avnd un set de 94 de instruc iuni. Microcontroller-ul produs de Texas


30/39

Instruments TMS370s are 256 de regi tri pe 8 bi i, 73 de instruc iuni pe 16 bi i i peste 135 de

versiuni putnd gestiona pn la 8Mb de memorie. Un alt microcontroller de


31/39

mare performan este Zilog Z80 produs de firma Samsung, care are 256 de regi tri pe 8 bi i,cu un set de 50 de instruc iuni, datele i codul surs sunt stocate n memorii externe, iarmanipularea datelor se realizeaz cu ajutorul regi trilor interni.[4,5,6,8]

Exist mai multe clase de microcontroller-e dup cum am amintit mai sus. Cumaceast lucrare nu are rolul de a studia aceste microcontroller-e, ci doar de a aprecia progresulpe care acestea l aduc n conducerea motoarelor pas cu pas, ne vom ocupa doar de controller-ele produse de firma MICROCHIP, si anume PIC.[11]

Clasa de microcontroller-e aleas pentru a exemplifica modul n care se poate realizao conducere a unei ac ionri cu motor pas cu pas este clasa mid-range, adic clasa medie, uncircuit care face parte din aceast clas avnd ntre 8 i 68 de pini n diferite capsule.

Microcontroller-ul, din punct de vedere al apartenen ei sale la electronica digital sauanalogic, putem spune c este un hibrid care con ine att elemente analogice (e antionare-memorare, convertoare analogice-digitale, comparatoare, referin e de tensiune) precum ielemente digitale (memorie RAM-volatil, memorie EPROM-nonvolatil, temporizare, regi tricu func ii variate, PWM, transmi tor/receptor universal sincron/asincron). Diferen a majordintre un microcontroller i un controller obi nuit este c microcontroller-ul nu poate conduce

un proces dect dac

este programat!

Pentru a putea dezvolta o aplica ie cu un microcontroller este nevoie de unelte dedezvoltare care sunt: programatorul compus din parte hardware i software care transferprogramul n microcontroller, editorul permite scrierea codului surs de ctre utilizator, el

fiind un program software,compilatorul este un program care transform codul surs n cod

hexazecimal recunoscut de microcontroller, simulatorul este un program software care

simuleaz i verific fila hexazecimal verificnd corectitudinea acesteia, bootloader-ul care

permite transferul rapid al codului hexazecimal n microcontroller i eventual un emulator curolul de a simula un microcontroller.[11]

Pentru a putea folosi un microcontroller ntr-un sistem de conducere al ac ionrilor cumotoare pas cu pas este nevoie s n elegem func ionarea acestuia, de aceea este nevoie s cunoatem n principiu arhitectura intern a acestuia. Deoarece familiile microcontroller-elor din clasaPIC sunt foarte numeroase, iar scopul acestei lucrri nu este studiul microcontroller-elor, vomprezenta familia microcontroller-ul folosit n aplica ia practica i anume PIC 16Fxxx unmicrocontroller din clasa medie, cu men iunea c diferen ele dintre aceste microcontroller-e sunt


32/39

mici. Astfel, aceast clas de microcontroller-e flash sunt definite de productor ca fiindmicroprocesoare cu arhitectur RISC (Reduced Instruction Set Computer Calculator cu setredus de instruc iuni) avnd doar 36 de instruc iuni. Setul de instruc iuni i descrierea acestora segsesc n fila de catalog al fiecrui microcontroller. Un lucru foarte important este faptul cfiecare instruc iune dureaz un singur ciclu ma in (cu dou excep ii: call i goto care dureazdoi cicli) deci este foarte u or de determinat timpul necesar execu iei unei rutine sau por iunidin program. Viteza de operare a unui microcontroller din aceast clas este de doar 20MHz,totu i suficient pentru majoritatea aplica iilor comune.

Memoria program variaz de la 512 octe i la 8Kocte i, memoria RAM de la 36 octe ila 368 octe i, iar memoria intern EEPROM de la 64 octe i la 256 octe i.

Toate microcontroller-ele din aceast familie au structura de baz format din:

Maxim 15 surse de ntreruperi interne i externe;Stiv hardware de 8 nivele;

Adresare direct, indirect i relativ amemoriei Regi tri cu func ii speciale;

POR (Power on Reset) facilitate de deosebire i tratare adecvat

a surselor dereset al microcontroller-ului;

PWRT (PoWeR up Timer) i OST (Oscillator Startup Timer) sunt facilit i dentrziere la pornire pentru a prentmpina startarea defectoas a programuluidatorit surselor de alimentare cu vitez de stabilizare mic;

WDT este un oscilator intern RC care are rol de cine de pazdar care poatefi asignat unui postscaler (registru numrtor pe 8 bi i) care poate fi folosit ncomun cu registrul TMR0 i pentru care devine prescaler;

Posibilitatea reducerii consumului de energie n regimul SLEEP;

Posibilitatea alegerii unui oscilator de tact; acesta poate fi extern , intern RC,

oscilator cu cuar ;

Posibilit i multiple de programare;

ICD (In Circuit Debugger) facilitate prezent doar la aceast familie demicrocontroller-e fabricate de Microchip, i const n inserarea a cinci punctede ntrerupere, breackpoint, cu ajutorul crora utilizatorul poate verificavalorile regi trilor i depista eroarea cu condi ia ca breackpoint-urile s se aflen buclele n care este eroarea.[11]


33/39

Pe lng aceast structur de baz microcontroller-ele beneficiaz de o serie deperiferice nglobate:

Timer0 temporizator i numrtor pe 8 bi i;Timer1 temporizator i numrtor pe 16 bi

i;PWM (Puls Width Modulation modula ie n durat cu lrgime de puls);

Convertor AD multicanal (5 sau 8 canale) de 10/8 bi i sau unul/doucomparatoare multifunc ionale cu 8 moduri distincte de utilizare;

Referin de tensiune cu rezolu ie de 4 bi i n domeniul 03,125V sau

1,253,75V;

SSP (Synchronus Serial Port - port serial sincron) i interfa are I2Cmaster/slave. Acest lucru u ureaz interfa area cu portul serial precum i

conectarea perifericelor I2C;

USART (Universal Synchronus Asynchronus Reciver Transmiter TransmisieRecep ie Universal Sincron Asincron) acest modul permite transmitereaasincron full duplex (bidirec ional) cu viteze de pn la 1 Mbps.

PSP (Paralel Slave Port port paralel sclav) de 8 bi i cu control extern, citire (RD read), scriere (WR write) i selectarea chip-ului (CS Chip Select).[11] Toat

structura modular a unui microcontroller poate fi sintetizat n figura 3.22. S-au

pstrat denumirile n englez pentru unele module din structura microcontroller-ului pentru co traducere ar fi denaturat sensul denumirii.

Astfel structura intern con ine:

PC (program counter) registru numrtor de program care mpreun custiva este ansamblul care memoreaz pozi ia instruc iunii n curs;

O zon

SRAM (Static Row Adress Memory) i o zon

de memorie EPROMcare difer de la un microcontroller la altul; din punct de vedere fizic memoriaSRAM face parte din zona de memorie destinat regi trilor cu func ii speciale;FSR un registru de adresare indirect a memoriei;

Memorie EPROM nonvolatil; aceasta poate fi scris cu un algoritm specialprecizat de productor.[11]


34/39


35/39

Fig. 3.22

Microcontroller-ul PIC dispune de o memorie FLASH n care este stocat programulutilizatorului, o memorie SRAM format din regi tri de uz general, unde datele sunt ntr-ocontinu schimbare, i memoria EPROM unde sunt stocate datele pe termen lung. Exist unele


36/39

tipuri de microcontroller-e care permit stocarea datelor i n memorie FLASH dar acestea audezavantajul c numrul de rescrieri este de numai 10.000, pe cnd memoria EPROM are orat de rescriere garantat de 100.000.

De i numrul regi trilor poate varia de la un microcontroller la altul, exist totu i un

numr de regi tri care sunt de baz i se ntlnesc n toate microcontroller-ele flash, doar c pot fi

ntlni i cu o alt denumire i la o alt adres. Pe scurt, avem urmtoarele categorii de regi tri:

Regi trii comuni: TMR0, PCL, PORTA, PORTB,

FRS; Regi trii specifici func iilor analogice;

Regi trii porturilor de intrare/ie ire suplimentare: PORTC, PORTD,

PORTE; Regi trii asocia i timer-ului 1 i timer-ului 2;

Regi trii asocia i ai modului comparare/PWM;

Regi trii asocia i accesului la memoria EPROM i memoria flash;

Regi trii asocia i modului USART;

Diver i regi tri utiliza i de ntreruperi.[11]Pentru a ntregi tabloul microcontroller-ului trebuie s precizm c pentru a func

iona, acesta are nevoie de un oscilator care s genereze tactul de procesor. Microcontroller-ele

produse de firma Microchip pot folosi mai multe oscilatoare: oscilator extern cu cuar de frecven

medie, oscilator intern cu dou moduri de func ionare n mod RC sau n mod INTOSC i

oscilator extern independent n mod EC.

Pentru a putea folosi microcontroller-ul, mai este nevoie doar s-l programm.

Familia microcontroller-elor Microchip cu performan e medii pe 8 bi i, utilizeaz setul de

instruc iuni cu dimensiunea de 14 bi i, alctuit din 36 de instruc iuni. Majoritatea dintre acestea

opereaz cu regi trii f i cu registrul special W, numit i acumulator. Pentru a putea scrie

programul este nevoie de mnemonice (pseudolimbaj n eles de asambloare); acestea sunt

mnemonica standard utilizat de majoritatea compilatoarelor sau asambloarelor (limbajul JAL

Just Another Language) i mnemonica redus utilizat de MPLAB care se refer la instruc

iuni simplificate ale celor dinti dar care nu utilizeaz dect doi bi i. Pentru a putea introduce

programul n memoria microcontroller-ului este nevoie de un programator rolul acestuia

este de a transfera fila hexa n format compilat n memoria microcontroller-ului. Programatorulse compune dintr-un modul electronic care realizeaz interfa a dintre calculator, aplica ia con

innd microcontroller-ul, i un program software care se realizeaz pe PC ntr-un sistem preferat

de utilizator (DOS, Linux sau Windows). Dup modul de conectare la PC, exist trei tipuri de

programatoare: serial, paralel i USB.


37/39

Din punct de vedere al legturilor fizice, PIC este foarte simplu de utilizat. La ie iri se leagcircuitele comandate (aici poate intra L297 sau orice alte circuite care comand un motor pas cupas), binen eles innd cont de regulile de conectare i de parametrii necesari func ionrii, iar laintrrile lui se pot lega diferite periferice, limitatoare de curs, diver i senzori sau encoder-e,butoane de START/STOP, etc. Se observ c un microcontroller poate func iona n bucl deschis,el doar dnd comand pentru func ionarea motorului, sau n bucl nchis, cnd prin primireasemnalelor de la diferitele periferice conectate la intrri poate opri, schimba sau efectua diferite

func ii prestabilite pentru anumite evenimente (oprirea n cazul n care, de exemplu dac n raza deac iune a sistemului de ac ionare intr un corp strin, senzorii de proximitate trimit un impuls caredeclan eaz rutina de oprire a procesului aflat n execu ie).[10]

Marele avantaj al microcontroller-ului const n faptul c odat ncrcat, programulnu mai are nevoie de conexiunea cu PC-ul, programul rulnd din memoria microcontroller-ului.Un alt mare avantaj este o func ie special a microcontroller-elor produse de firma Microchipcare permite ncrcarea unui program nou n memorie fr a fi nevoie s oprim/sdeconectm microcontroller-ul.

Ca o noutate de ultim or, firma Microchip a lansat o nou familiede microcontroller-e Flash pe 8 bi i special concepute pentru controlul motoarelor. Aceastnou clas aduce ca noutate un control mai eficient al motorului, o func ionare mai bun amotoarelor comandate, precum i prelungirea duratei de func ionare a motoarelor n aplica iiindustriale, automatizri i mici automatizri (imprimante, fax-uri, componente PC).


38/39

Fig. 3.23

Aceast clas de microcontroller-e este prezent prin PIC18F4331/4431 (figura 3.23)cu 44 de pini i PIC18F2331/2431 cu 28 de pini. Caracteristicile microcontroller-elor, pe lngcele deja cunoscute, sunt controlul analog i digital n bucl nchis (interac iunea direct cu


39/39

dispozitive de feedback, encoder-e digitale i analogice) i un nou sistem de control PWM n treifaze.[12]

Performan a i fiabilitatea noii clase de la Microchip PIC18Fxx31 este asigurat de cele

trei noi module special concepute pentru un control performant al mi c rii i al puterii n aplica

iile comandate. Modul de putere are o structur PWM n trei faze; modulul de control al mi

crii d posibilitatea controlului n bucl nchis, incluznd i o interfa compatibil cuencoder-e de cuadratur; al treilea modul este format dintr-un convertor analog-digital de mare

vitez, care poate opera la 200ksps i care poate fi sincronizat cu modulul PWM. mpreun,

aceste module elimin necesitatea existen ei unor componente externe de control i comand a

motorului.

Aceast familie este compatibil cu toate programele de dezvoltare deja existente,

Microchip dezvoltnd de asemenea o Plac de control a motorului nso it de un soft cu interfa

grafic ce permite dezvoltarea unor aplica ii prin simpla selec ie a unor blocuri func ionale

reprezentate grafic pe ecranul PC. Totu i, pentru dezvoltarea unor aplica ii specializate este

nevoie ca microcontroller-ul s fie integrat ntr-o structur de comand a aplica iei.

Pe lng aceste module speciale, familia PIC18Fxx31 dispune de:

Frecven de func ionare 40MHz; 8

canale PWM cu 14 bi i rezolu ie;

dou module de captur/compara ie PWM;

oscilator RC intern cu 8 frecven e selectabile n gama 31.25KHz ...

8MHz; 4 ceasuri interne;suport standardele RS485 i RS232 i noul protocol LIN;

noua tehnologie nanoWatt care permite un mai bun management al puterii;

Toate acestea fac din aceast familie de microcontroller-e noul standard n controlul

motoarelor n aplica ii de automatizare (controlul stabilit ii, controlul electronic al pozi iei),

aplica ii casnice (frigidere, ma ini de splat, sisteme de ventila ie), industrie (robotic, pozi

ionarea materialelor, automatelor).[12]

n concluzie, n viitorul apropiat nu vom mai vorbi de controller, driver,

microcontroller ca i componente separate ale unui sistem de control, ci ca un singur circuit care

a preluat func iile celor trei i care poate comunica cu dispozitivele de feedback, encoder-e,

traductoare i poate func iona n sisteme de control n bucl nchis.

Documents

MPP Torie2