Projekty AVT - Sterownik Silnikow Krokowych Do Napedu Modeli, Elektronika Praktyczna

[ Pobierz całość w formacie PDF ]
rojekty AVT
VVT
2059
Sterownik
silników krokowych
do napędu modeli
Ci spośród Czytelników, którzy
łaskawie zechcieli przeczytać artykuł
na temat programowalnego
sterownika do zabawek (AVT−2047)
z pewnością byli zawiedzeni
brakiem propozycji rozwiązań
mechaniki, lecz autor do niedawna
nie był całkowicie pewien, czy uda
mu się do końca zrealizować swoje
plany i czy elektryczny układ
napędowy do modeli nie
wymagający stosowania przekładni
mechanicznej rzeczywiście
powstanie. Obecnie stało się to
faktem: urządzenie takie zostało
skonstruowane, przetestowane i za
chwilę jego opis przekażemy
Czytelnikom.
Wyjaśnijmy sobie jednak od razu pew−
ne sprawy: pojazd skonstruowany z wy−
korzystaniem nowego rodzaju napędu
nie będzie (jak na razie) przeznaczony do
bicia rekordów prędkości w kategorii
modeli z napędem elektrycznym. Nie bę−
dzie to także (jak na razie) pojazd tereno−
wy, pokonujący z pełnym obciążeniem
wszelkie nierówności terenu. Modelarze
interesujący się tego rodzaju konstruk−
cjami od dawna wiedzą, jaki napęd mają
zastosować, i mają do dyspozycji silniki
elektryczne o mocach setek watów wraz
z odpowiednimi przekładniami, wszystko
to za odpowiednio wysoką cenę. Nato−
miast proponowany układ napędowy
przeznaczony jest do skonstruowania po−
jazdu, który “więcej będzie miał w gło−
wie niż w mięśniach”. Będzie to rucho−
ma platforma doświadczalna przeznaczo−
na do przeprowadzania efektownych
eksperymentów z różnymi układami ste−
rowania i automatyki. W zamian za re−
zygnację (jak na razie) z osiągania wiel−
kich prędkości otrzymamy wręcz niewia−
rygodną precyzję manewrów, bezszeles−
tną pracę układu napędowego i łatwość
dołączania do niego dowolnych elektro−
nicznych układów sterujących, poczyna−
jąc od prostego sterownika “na kablu”
a kończąc na sterowaniu za pośrednict−
wem komputera z obustronnym przesy−
łaniem informacji. Tak więc rozpoczyna−
my nowy rozdział w konstruowaniu zaba−
wek edukacyjnych − napęd mechaniczny
już mamy!
Tym nowym (w konstrukcjach ama−
torskich, oczywiście) rodzajem napędu
jest silnik skokowy, zwany popularnie
krokowym. Jest to urządzenie znane od
dawna i powszechnie stosowane. Jeżeli
ktoś z Czytelników posiada w domu
komputer PC, to jest jednocześnie posia−
daczem co najmniej czterech takich silni−
ków, stosowanych w napędach dysków
twardych i elastycznych. W każdej dru−
karce, ploterze (to temat na przyszłość −
 ploter i digitizer amatorski) także znajdu−
ją się co najmniej po dwa takie silniki.
Stosowanie silników krokowych w kon−
strukcjach amatorskich było do niedaw−
na ograniczone ich bardzo wysoką ceną.
Obecnie, przy masowej produkcji, cena
ta znacznie zmalała, a ponadto do na−
szych celów doskonale nadają się silniki
starszej generacji, wycofywane już z pro−
E
LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 10/96
7
rojekty A
Projekty A
Projekty A
rojekty AVT
VVT
cewki. To co już wiemy o silniku kroko−
wym wystarcza do skonstruowania pros−
tego sterownika i zainstalowania układu
w modelu. Z ciekawości i myśląc o kolej−
nych projektach przeanalizujmy jeszcze
dwie sytuacje.
Co się stanie jeżeli prąd będzie płynął
jednocześnie przez dwie sąsiadujące ze
sobą cewki? To oczywiste: magnes usta−
wi się dokładnie pomiędzy tymi cewka−
mi. Wynika z tego, że ilość kroków silni−
ka możemy kosztem minimalnej kompli−
kacji układu sterującego dwukrotnie
zwiększyć.
Kolejne pytanie: co będzie jeżeli dwie
sąsiednie cewki będziemy zasilać prą−
dem o różnej wartości, a konkretnie cią−
gami impulsów o zróżnicowanym wypeł−
nieniu? I znowu odpowiedź jest prosta:
wirnik ustawi się pomiędzy cewkami
w odległości proporcjonalnej do średniej
wartości prądu płynącego przez każdą
z nich. A zatem mamy kolejne spostrze−
żenie do wykorzystania w przyszłych
konstrukcjach: ilość kroków silnika mo−
żemy praktycznie dowolnie zwiększać
i ustawiać jego wirnik w dowolnym poło−
żeniu z precyzją nieosiągalną dla innych
silników.
Silnik krokowy może także zostać
unieruchomiony w dowolnym kroku
przez włączenie zasilania jednej z cewek
na stałe. Umożliwia to w zastosowaniu
do napędu modeli skuteczne hamowanie
pojazdu.
Jeżeli do tych spostrzeżeń dodamy
fakt, że silnik krokowy może doskonale
pracować “w drugim kierunku”, działając
jako prądnica i umożliwiając śledzenie je−
go poruszeń przez układy elektroniczne,
to zobaczymy, jak wartościowym urzą−
dzeniem może być ten prosty mecha−
nizm. W dodatku jest on praktycznie nie−
zniszczalny, nie posiada bowiem żad−
nych elementów zużywających się pod−
czas pracy.
Powyższy opis dotyczył silnika kroko−
wego o najprostszej konstrukcji, wypo−
sażonego w cztery uzwojenia. Silniki ta−
kie były stosowane w stacjach dysków
elastycznych starszej generacji i obecnie
są bardzo tanie i w miarę łatwo dostęp−
ne. Istnieją także inne typy silników kro−
kowych wyposażonych w dwa uzwoje−
Silnik krokowy.
Rys. 1. Zasada działania silnika
krokowego.
nia. Aby taki silnik wprawić w ruch, ko−
nieczne jest przełączanie biegunowości
zasilania cewek, co w oczywisty sposób
zwiększa komplikacje elektronicznego
układu sterującego. Ponadto silniki takie,
nowocześniejsze i znacznie sprawniej−
sze, są także znacznie droższe. Do naszej
pierwszej konstrukcji i do eksperymen−
tów z silnikami krokowymi wykorzysta−
my zatem silnik najtańszy i najprostszy.
Jest to silnik wykorzystywany do przesu−
wania głowicy w stacji dysków elastycz−
nych 360kB.
Sterownik silnika
Opracowując sterownik silnika,
a właściwie dwóch silników krokowych,
postawiliśmy sobie następujące założe−
nia konstrukcyjne:
1.Układ musi umożliwić sterowanie
dwoma silnikami krokowymi zapew−
niając zmianę kierunku ich obrotów
i zatrzymywanie. Każdy z silników ma
być sterowany niezależnie.
2.W celu uproszczenia układu regulacja
prędkości obrotowej może być wspól−
na dla obu silników.
3.Układ musi współpracować z opisa−
nym uprzednio programatorem do za−
bawek, umożliwiając stworzenie kom−
pleksowego systemu sterowania mo−
delami pojazdów kołowych.
4.Układ musi być maksymalnie prosty
i tani, a jednocześnie posiadać walory
edukacyjne.
Schemat proponowanego sterownika
przedstawiony został na rysunku 2
rysunku 1 przedsta−
wiono w poglądowy sposób zasadę jego
działania. Rysunek ten niewiele ma
wspólnego z rzeczywistym wykonaniem
silnika i jego zadaniem jest wyłącznie po−
moc w zrozumieniu zasady działania sil−
nika krokowego. Rzeczywisty wygląd
rozmontowanego silnika krokowego po−
kazano na fotografii.
Na rysunku wirnik silnika przedstawio−
no w postaci pojedynczego magnesu,
a stojan jako krąg cewek ułożonych wo−
kół niego. Zgodnie z zasadami fizyki prze−
pływ prądu przez pierwszą cewkę spo−
woduje wytworzenie się wokół niej pola
magnetycznego i ustawienie się rucho−
mego magnesu zgodnie z kierunkiem te−
go pola. Kolejne włączanie cewek spo−
woduje obracanie się wirnika z szybkoś−
cią uzależnioną od częstotliwości przełą−
czania cewek. Już w tym momencie
spostrzegamy jedną z najważniejszych
zalet silników krokowych: dla silnika ta−
kiego nie istnieje pojęcie najmniejszej
prędkości obrotowej, przy której jest on
jeszcze w stanie osiągnąć sensowny
moment obrotowy. Silnik taki może obra−
cać się praktycznie dowolnie wolno,
oczywiście skokami (nie zawsze, niektó−
re nowoczesne sterowniki umożliwiają
sterowanie silnika sygnałem sinusoidal−
nym). Prędkość obrotową takiego silnika
możemy łatwo zmieniać i stabilizować
z dowolną precyzją za pomocą niezbyt
skomplikowanego układu elektroniczne−
go. Dzięki zastosowaniu sterowników
elektronicznych, także zmiana kierunku
obrotów silnika nie jest problemem − po
prostu zmieniamy kierunek cyklicznego
włączania prądu płynącego przez kolejne
rysunku 1
rysunku 2.
Analizę schematu rozpoczniemy “od
końca” − od stopnia mocy sterującego
silnikami. Jak wiemy, do wprawienia sil−
nika krokowego w ruch potrzebne jest
cykliczne włączanie prądu w kolejnych
jego uzwojeniach. Jeżeli wiec wspólne
końce uzwojeń dołączymy do plusa zasi−
lania, to wolne ich końce muszą być
zwierane do mas. Najprościej byłoby
wiec użyć odpowiedniej ilości tranzysto−
rów mocy właściwej dla danego typu sil−
nika. Takie rozwiązanie byłoby jednak
dość kosztowne i znacznie zwiększyłoby
wymiary płytki obwodu drukowanego.
Tak więc zastosujemy wprawdzie osiem
tranzystorów, osiem rezystorów ograni−
czających prąd bazy i tyleż diod zabezpie−
rysunku 2
Silnik krokowy.
8
E
LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 10/96
rojekty A
dukcji, które można nabyć za bezcen na
wyprzedażach. Silnikami krokowymi
warto się zająć jeszcze z innego powodu.
Zdaniem autora jest to bowiem najbar−
dziej przyszłościowy rodzaj napędu
wszelkiego rodzaju pojazdów.
Opis układu
Czym właściwie jest taki silnik kroko−
wy i jak działa? Na rysunku 1
rojekty AVT
VVT
Rys. 2. Schemat ideowy sterownika.
czających tranzystory przed przepięcia−
mi, ale będą to elementy zawarte
w strukturze jednego układu scalonego
ULN 2803. Wprawdzie wydajność prądo−
wa tej kostki znacznie przekracza nasze
potrzeby, ale od przybytku głowa nie bo−
li, a nasz sterownik będziemy mogli
w przyszłości zastosować do zasilania
silników większej mocy. Jeden driver −
 układ ULN2803 zastosujemy do zasila−
nia obydwóch silników. Następnym
problemem do rozwiązania było cyklicz−
ne podawanie stanu wysokiego na we−
jścia drivera. Tu rozwiązanie było proste:
zastosowaliśmy dwa dekodery binarne
“1 z 4” zawarte w strukturze kostki
4555. Podawanie na wejścia tego układu
kolejnych liczb binarnych od 0(00
(BIN)
)do
3 (11
(BIN)
) spowoduje cykliczne przesu−
wanie się stanu wysokiego na wyjściach
Q

...Q
3
dekodera. Aby uzyskać zmianę
kierunku obrotów silnika musimy na we−
jścia sterujące dekodera podać kody uka−
zane w tabeli 1
E
LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 10/96
9
rojekty A
Projekty A
tabeli 1
tabeli 1.
Projekty A
rojekty AVT
VVT
Tab. 1.
koder U2A. Natomiast połączone ze sobą
wejścia bramek U6A i U6B pozostaną
w stanie niskim wymuszonym przez re−
zystor R5. W konsekwencji tego sygnał
z wyjść licznika U3A będzie przekazywa−
ny na wejścia dekodera w postaci zane−
gowanej i silnik będzie się obracał prze−
ciwnie do kierunku wskazówek zegara
(oczywiście także umownie).
Efektów uaktywnienia stanem wyso−
kim wejść 4 i 5 Z4 nie ma sensu opisy−
wać, ponieważ będą one identyczne, ale
odnoszące się do drugiego silnika.
Układ nie posiada żadnych zabezpie−
czeń przed omyłkowym włączeniem sil−
nika w obu kierunkach naraz. W przeci−
wieństwie do sterownika AVT−2047 nie
grozi to bowiem żadnymi przykrymi kon−
sekwencjami, a uważni Czytelnicy pro−
szeni są jedynie o przeanalizowanie ta−
kiej sytuacji.
Rola i sposób sterowania przekaźni−
kiem PK1 i tranzystorem T2 służącymi do
włączanie urządzeń dodatkowych w mo−
delu nie wymaga komentarza.
Montaż i uruchomienie
Rozmieszczenie elementów na płytce
drukowanej przestawia rysunek 5
Obroty zgodne z kierunkiem wskazówek zegara
Krok 1
Krok 2
Krok 3
Krok 4
A
0
1
0
1
B
0
0
1
1
Obroty przeciwne do kierunku wskazówek zegara
Krok 1
Krok 2
Krok 3
Krok 4
A
1
0
1
0
B
1
1
0
0
Rys. 3. Bramka EX−NOR.
rysunku 3 widzimy symbol tej bramki
i odnoszącą się do niej tabelę prawdy,
z której wynika, że na wyjściu bramki EX−
CLUSIVE−NOR stan wysoki występuje
wtedy i tylko wtedy kiedy stany logiczne
na jej wejściach są sobie równe. Popatrz−
my jeszcze chwile na tabelę: w pierw−
szych dwóch wierszach stan logiczny na
wejściu A równy jest 0 a stan wejścia B
przenoszony jest na wyjście Q w postaci
zanegowanej. W wierszu 2 i 3 tabeli wi−
dzimy, że przy stanie wysokim na we−
jściu A sygnał z wejścia B przenoszony
jest na wyjście bramki bez zmian. Zatem
mamy element, o jaki nam chodziło:
w zależności od stanu jednego z wejść
bramka EXCLUSIVE−NOR działa jako in−
werter lub przenosi sygnał cyfrowy bez
zmian.
Na rysunku 4
rysunek 5. Spo−
sób montażu nie odbiega niczym od
montażu wszelkich innych układów elek−
tronicznych i nie ma sensu zbyt się nad
nim rozwodzić. Autor przypomina jedy−
nie Czytelnikom o użyteczności podsta−
wek pod układy scalone. Problemy mogą
powstać jedynie przy dołączaniu silników
krokowych. W większości wypadków,
kiedy zastosujemy typowe silniki od sta−
cji dysków 360kB, po prostu wystarczy
dołączyć silnik do złącz wykonanych z 6
goldpinów, tak, aby zwarte ze sobą koń−
ce jego uzwojeń połączone zostały z plu−
sem zasilania. Jeżeli jednak będziemy
mieli silnik, którego układu wyprowa−
dzeń nie znamy, to będziemy musieli za
pomocą omomierza ustalić, które końce
uzwojeń są ze sobą zwarte i następnie
dołączyć je do plusa zasilania. Kolejność
uzwojeń trzeba będzie w takim wypadku
ustalić doświadczalnie, co możemy uczy−
nić bez obaw o uszkodzenie silnika lub
sterownika. Przy nieprawidłowej kolej−
ności dołączenia uzwojeń silnik po prostu
się nie obraca, a jedynie wibruje.
Układ sterownika nie wymaga urucha−
miania a jedynie prostej regulacji częs−
totliwości pracy generatora z U5A i U5D,
której możemy dokonać za pomocą po−
tencjometru montażowego R2. Jak wia−
domo, nie ma żadnych ograniczeń częs−
totliwości minimalnej. Natomiast przy jej
zwiększaniu ponad dopuszczalną granicę
silnik zacznie tracić moc, a w skrajnym
przypadku zatrzyma się wpadając w wib−
rację (niegroźne dla silnika).
Ostatnia, bardzo ważna i z koniecz−
ności skrótowo omówiona sprawa: bu−
Rys. 4. Zespół bramek EX−NOR.
rysunku 4 przedstawiono schemat
wyodrębnionego zespołu dwóch bramek
i tabelę ilustrującą działanie tego układu.
Reszta układu nie wymaga szczegóło−
wego opisu. Licznik binarny U3A (4520)
steruje za pośrednictwem opisanego
układu bramek zawartych w kostce U5
wejściami dekoderów. Sygnał zegarowy
wytwarzany jest przez prosty generator
zbudowany na dwóch bramkach NOR:
U5D i U5A. Częstotliwość pracy tego ge−
neratora możemy w szerokich granicach
regulować za pomocą potencjometru
montażowego R2. Przekaźnik P1 i tran−
zystor T2 służą do uruchamiania dodatko−
wych elementów zamontowanych
w modelu.
Napięcia zasilania i wszystkie sygnały
sterujące pracą układu zostały doprowa−
dzone do złącza Z4. Kolejność połączeń
jest identyczna jak w opisanym uprzed−
nio (EdW 6/96) programowanym sterow−
niku do zabawek i modeli, co umożliwia
współpracę obydwu urządzeń. Złącze to
stało się teraz dla nas pewnym standar−
dem, wszystkie układy z serii “robotyki”
są wyposażone w identyczne złącza, co
zapewnia pełną kompatybilność wszyst−
kich modułów. Do tego złącza można też
rysunku 4
dołączyć układ klawiatury, także opisany
w 6 numerze EdW.
Sprawdźmy jeszcze, czy w naszym
układzie wszystko gra. Jako punkt wy−
jścia przyjmiemy stan spoczynkowy,
w którym żaden z silników nie pracuje.
Na wejściach sterujących pracą silników
(2, 3,4 i 5 na złączu Z4) panuje stan niski
wymuszony przez rezystory R5...R8. Je−
żeli teraz na wejście układu Z4 2 podamy
stan wysoki (np. z programatora AVT−
2047) to stan wysoki pojawi się na jed−
nym z wejść bramki U5B. Jest to bramka
typu NOR, na której wyjściu stan wysoki
istnieje wtedy i tylko wtedy kiedy na
obydwóch wejściach mamy stan niski.
Tak więc na wyjściu tej bramki zostanie
wymuszony stan niski i w konsekwencji
uaktywni się dekoder U2A. Stan wysoki
z wejścia 2 Z4 przekazany został także na
połączone ze sobą wejścia bramek U6A
i U6B. Zgodnie z tabelą przedstawioną
na rys. 4 stany logiczne z pozostałych
wejść tych bramek przenoszone są na
wyjścia bez zmian. Do wejść U6A
2 i U6B 6 dołączone są wyjścia licznika
binarnego U3A i stany z tych wyjść prze−
kazywane są teraz na wejścia dekodera
U2A, który wysterowuje wejścia drivera
U1. Uzwojenia silnika są kolejno zwiera−
ne do masy i silnik zaczyna obracać się
w kierunku zgodnym z wskazówkami ze−
gara (umownie). Jeżeli teraz stan wysoki
pojawi się na wejściu 3 Z4 to stan niski
z wyjścia bramki U5B także uaktywni de−
10
E
LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 10/96
rojekty A
rysunku 3
Łatwo zauważyć, że aby uzyskać
zmianę kierunku przesuwania się stanu
wysokiego na wyjściach dekodera, wy−
starczy zanegować sygnał podawany na
jego wejścia. No dobrze, ale jak to zro−
bić? I tu z pomocą przyszedł nam cieka−
wy i niejednokrotnie bardzo użyteczny
element − bramka EXCLUSIVE−NOR. Na
rysunku 3
rysunek 5
rysunek 5
rojekty AVT
VVT
Rys. 5. Rozmieszczenie elementów na płytce drukowanej.
też ograniczyć się do projektowania ukła−
dów wykonawczych, a całą inteligencję
nimi sterującą przenieść do komputera?
Mamy już część wspomnianych układów
wykonawczych, w przygotowaniu zna−
jdują się kolejne moduły elektroniczne
i mechaniczne pełniące rolę czujników
analizujących i badających świat wokół
naszych “zabawek”. Gdzie jednak uloko−
wać “rozum” naszych doświadczalnych
konstrukcji? Umieszczenie go w kompu−
terze połączonym z modelem kablem
(lub bezprzewodowo) dałoby wręcz nie−
ograniczone możliwości rozbudowy inte−
ligencji systemu, możliwości w zasadzie
zależne tylko od inwencji programisty.
Nie musiałby to wcale być komputer
z Pentium i 32MB RAM. Do naszych ce−
lów aż nadto wystarczający byłby staru−
szek COMMODORE (ogromne możli−
wości dźwiękowe, doskonały syntetyza−
tor mowy!), Atari lub muzealny PC XT,
być może poniewierający się w piwni−
cach wielu domów. Z kolei umieszczenie
inteligencji systemu w nim samym spo−
wodowałoby wzrost kosztów i kiedy
doszlibyśmy do budowy samodzielnego
systemu mikroprocesorowego, mogłoby
się okazać, że wykorzystanie komputera
było rozwiązaniem prostszym i tańszym.
Wróćmy jednak jeszcze do naszego
pojazdu. Szczegóły jego wykonania wi−
doczne są dobrze na fotografiach i na ry−
dowa pojazdu. Tu autor może jedynie su−
gerować Czytelnikom pewne sprawdzo−
ne rozwiązanie. Na fotografiach widać
konstrukcję pojazdu zbudowanego przez
autora w celu przetestowania możliwoś−
ci sterownika i przeprowadzania dal−
szych eksperymentów z naszymi robota−
mi. Ta konstrukcja jest tylko jednym
z możliwych rozwiązań, ale zdaniem au−
tora jest to rozwiązanie dość dobre. Jak
widać na zdjęciach, nasz pojazd wyróżnia
się szczególną szlachetnością linii i na−
wet najpiękniejsze projekty włoskich sty−
listów nadwozi samochodowych nie mo−
gą się z nim równać. Ettore Bugatti za−
czerwienił się w grobie ze wstydu, Pino−
farrina odwrócił oczy... Dość żartów, to
nie jest model pojazdu użytkowego, jest
to, jak już powiedziano, ruchoma platfor−
ma do przeprowadzania eksperymentów
w nowo odradzającej się dziedzinie bu−
dowy dawno zapomnianych “żółwi elekt−
ronicznych” − zabawek, które dały począ−
tek jeszcze nie do końca zdefiniowanej
dziedzinie techniki: cybernetyce. Przy
okazji autor chciałby poruszyć ważną
sprawę: Szanowni Koledzy, proszę Was
o pomoc: jak dalej ma się rozwijać nasz
program budowy zabawek cybernetycz−
nych? Czy mamy konstruować coraz bar−
dziej skomplikowane konstrukcje samo−
dzielnych urządzeń elektronicznych, czy
ry−
sunku 6. W egzemplarzu modelowym
płyta nośna konstrukcji wykonana zosta−
WYKAZ ELEMENTÓW
Rezystory
Rezystory
R1, R5, R6, R7, R8: 100k
W
R3, R4: 22k
W
R2: potencjometr montażowy
470k
W
Kondensatory
Kondensatory
C1: 470nF
C2: 470µF/16V
C3, C5: 220nF
C4: 220µF/16V
Półprzewodniki
Półprzewodniki
D1, D2: 1N4148 lub odpowiednik
T1, T2: BC548 lub odpowiednik
U1: ULN2803
U2: CMOS 4555
U3: CMOS 4520
U4: 7805
U5: CMOS 4001
U6: CMOS 4077
Różne
Różne
Z1, Z6, Z7: ARK2
Z2A, Z2B, Z3A, Z3B: złącza 1−
rzędowe goldpin po 6 pinów
Z4: złącze goldpin 2x7
Z5: ARK3
PK1: przekaźnik typu RM82−P 12V
Rys. 6.
E
LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 10/96
11
rojekty A
Projekty A
sunku 6
WYKAZ ELEMENTÓW
Rezystory
Kondensatory
Półprzewodniki
Różne
[ Pobierz całość w formacie PDF ]