A. függelék - Léptető motoros robothajtás logikai áramköreinek vizsgálata

A léptető motorok felépítésük szerint többféleképpen csoportosíthatók:

A forgórész lehet:

A mágneses mező lehet:

A gerjesztés lehet:

A léptető motorok működésének lényegét a kiváló pólusú, lágyvasas forgórészű ún. változó reluktanciájú, radiális mezejű unipoláris motorok példáján mutatjuk be.

Tekintsük a 9-1. ábrán vázolt léptető motort:

Az állórészen a kerület mentén egyenletesen kiosztott póluson (m=3) számú fázistekercs helyezkedik el. Egy fázistekercs kettő, egymással átlósan szemben lévő póluson elhelyezett részből áll. A tekercsek egyik kivezetése közösítve van. E közös pont potenciáljához képest kapcsoljuk a tápfeszültséget ki és be a fázistekercs másik kivezetésén. A fázistekercsekben mindig csak egy irányban folyhat az áram, így az állórész egy-egy pólusában a fluxus ki-be kapcsolható, de iránya nem változtatható meg. Ezért nevezzük ezt a kapcsolást unipolárisnak.

Az egymás mellett lévő fázistekercsek mágneses tengelyei által bezárt szög . A lágyvasból készült forgórészen számú kiálló pólus található. Az állórész fázisok és a forgórész pólusainak száma különböző, azaz

Kapcsoljunk egyenfeszültséget az I-es fázistekercsre, azaz a léptető motorok terminológiáját használva gerjesszük az I-es fázistekercset. Ha ekkor a rotor az 9-1. ábrán feltüntetett (1)-es pozícióban van, azaz a rotor 1. pólusa az I-es fázistekercs mágneses tengelyének irányában áll, a kialakuló mágneses mező az ábrán feltüntetett radiális irányú lesz. (Az erővonal képet csak a légrésben tüntettük fel, és a 2. és 4. póluson keresztül záródó szórt fluxusokat elhanyagoltuk.) A forgórészre ható nyomaték zérus, a forgórész egyensúlyi helyzetben van.

Gerjesszük ezután egyidejűleg az I-es és II-es fázis tekercseket. (9-1. ábra_b és 9-1. ábra_c) A II-es kapcsoló zárása után, feltételezve, hogy a villamos tranziensek igen rövid idő alatt lezajlanak, a fluxus kép az 9-1. ábra_b ábrának megfelelően alakul. A forgórészre az óramutató járásával ellentétes irányú nyomaték hat, aminek következtében a forgórész mozogni kezd, és az elektromechanikai tranziensek lezajlása után az 9-1. ábra_c ábrának megfelelő egyensúlyi helyzetet veszi fel. (Az erővonalakat rugalmas szálaknak tekintve, érzékelhető a nyomaték keletkezése.) Az I-es fázistekercset kikapcsolva az új egyensúlyi helyzet az 9-1. ábra_d ábrának megfelelően alakul. A továbbiakban a III-as fázis tekercsgerjesztésével, és a II-es fázistekercs kikapcsolásával a forgórész tovább mozgatható.

Fentiek alapján könnyen belátható, hogy a gerjesztések folyamatos és ciklikus változtatásával a forgórész meghatározott nagyságú szögelfordulás kvantumokból összetevődő mozgásba kezd. A szögelfordulás egysége, a lépésszög: az 1-es és 3-as állapotokhoz tartozó egyensúlyi rotor pozíció szögkülönbsége.

A gerjesztést a sorrendben következő fázistekercsre átkapcsolva a rotor egy lépést tesz meg. A közbülső, a két fázistekercs együttes gerjesztéséhez tartozó elmozdulás szokásos elnevezése: fél lépés. (nagyobb nyomaték érdekében számos alkalmazásban egyidejűleg mindig két fázistekercsre kapcsolnak gerjesztést.) Az egy körülforduláshoz szükséges lépések száma:

ahol a lépésszög.

A pólusok száma konstrukciós okok miatt nem növelhető tetszőleges mértékben. Kis lépésszögű léptető motorok alakíthatók ki az állórész pólusok és a forgórész fogazásával. (ld. 9-2. ábra) A hullámhajtóművekhez hasonlóan a működési elv lényege abban áll, hogy az állórészen és a forgórészen a fogak száma eltér egymástól. Mindig az éppen gerjesztett pólus alatt kerülnek a fogak közelítőleg fedésbe. A fogszám különbözőségéből adódóan a gerjesztetlen pólusok alatt a szemben lévő fogak egymáshoz képest elcsúsznak, így a lépésszög nagyságát a forgó- és az állórész fogszám viszonya határozza meg.

Tipikus lépésszög értékek, illetve a hozzájuk tartozó lépésszámok láthatók a Hiba! A hivatkozási forrás nem található.ban.

A forgórészen lágyvas helyett állandó mágnest alkalmazva egyrészt a léptető motorok nyomatéka megnövelhető, másrészt a motor léptethetővé válik a gerjesztés polaritásának cseréjével.

Bipoláris léptető motort a gerjesztő tekercsek polaritásának ciklikus cseréjével késztetünk mozgásra. Tekintsük az ábrát, ahol egy kétfázisú léptető motor táplálását látjuk. Tegyük fel, hogy és tranzisztor vezet. Egy lépés megtételéhez a és tranzisztorokat kell kikapcsolni, és helyettük a és tranzisztorokat kell bekapcsolni. A következő lépéshez és tranzisztorokat kapcsoljuk ki, majd a és tranzisztorokat kapcsoljuk be. A ciklust folytatva a negyedik lépés után jutunk vissza az eredeti gerjesztési állapotba.

A léptető motorok alkalmazásával visszacsatolás nélküli, egyszerű pozíciószabályozó körök építhetők. A forgó rész adott számú lépés-parancsra az alaphelyzetéhez képest adott mértékben fordul el.

A maximálisan megengedhető lépés-frekvenciát a motor forgó részének (és a terhelésnek) a forgási tehetetlensége, a motor villamos nyomatéke és a terhelő nyomaték együttesen határozzák meg. A maximális lépésfrekvencia túllépése esetén a motor lépést téveszt. A terhelő nyomaték és a lépés-frekvencia közti kapcsolatot a motor dinamikus jelleggörbéjével adják meg (ld. 9-4. ábra). A jelleggörbe két tartományból áll:

A manipulátor mechanikája öt részre tagolható (lásd. 9-5. ábra). A manipulátor mozdulatlan része a törzs. A törzshöz a törzsízülettel kapcsolódik a váll. A vállhoz a vállízülettel a felkar, a felkarhoz a könyökízülettel az alkar csatlakozik. Az alkarhoz a csuklóízület kapcsolja a megfogót. A csuklóízületet két független kúpkerék alkotja. A két kúpkerék egyidejű és megfelelő irányú mozgatása a megfogó egymástól független billenő és csavaró mozgását teszi lehetővé. A megfogó három nyitható-zárható rugalmas ujjból áll.

A mozgatást hat négyfázisú unipoláris léptető motor végzi. Egy lépés során a motor tengelye 7,5°-ot fordul el. Az áttételek miatt egy lépés a manipulátoron a következő elmozdulásokat eredményezi:

törzsízület:0,2314°/lépés

vállízület:0,162°/lépés

könyökízület:0,162°/lépés

csuklóízület:0,2314°/lépés

ujjízület:0,0655°/lépés

A fenti sorrendben jelöljük ízületi változókat -vel és az ízületek távolságát -vel! (A csuklóízülethez két változó tartozik). A robotmanipulátor Denavit-Hartenberg féle leírási mód szerinti geometriai paramétereit a 9.2. táblázatban közöljük.

A geometriára illetve az inverz geometriai feladatra vonatkozó részletek a [3]-ban találhatók.

A manipulátor mozgatását négyfázisú unipoláris léptető motorok végzik. A motor katalógusadatai szerint e léptető motorok minden lépésénél két-két fázistekercsre kell gerjesztést kapcsolni. Jelöljük a fázistekercseket , , , és betűkkel továbbá jelentse az 1 logikai szint azt, hogy az adott tekercsre gerjesztést kapcsolunk és a logikai szint azt, hogy az adott tekercsre nem kerül gerjesztés. A léptető motorok előre- illetve hátraforgatásához szükséges gerjesztési állapotokat a 9.3. táblázat foglaltuk össze.

Ha egy motort előre akarunk forgatni, akkor 9.3. táblázatban az egymás alatt elhelyezkedő soroknak megfelelő gerjesztéseket kell a léptető motorok fázistekercseire kapcsolni. A forgásirány-váltás a táblázat fordított sorrendű kiolvasásával érhető el.

Megjegyzés:

és jelentése: az egyik fázistekercs két kivezetése

és jelentése: a másik fázistekercs két kivezetése (ld. 9-3 ábra)

Az 1 jelentése: az adott kivezetést a pozitív sínhez kell kapcsolni

A 0 jelentése: az adott kivezetést a negatív sínhez kell kapcsolni.

Az elektronika feladata a léptető motorok táplálása, megfelelő sorrendű gerjesztések kapcsolása a fázistekercsekre. Mindez két szinten valósul meg. Először egy logikai áramkör kimenetei TTL szintű jelekkel írják elő azt, hogy melyik motor, melyik tekercseire kerüljön gerjesztés, majd a TTL szintű jeleket mind feszültségben, mind teljesítményben felerősítve kapcsoljuk a léptető motorok fázistekercseire. (lásd 9-6. ábra) Bár az ábrán külön nem tüntettük fel, a logikai áramkörök működtetéséhez 5V, a léptető motor működtetéséhez 12-20V tápfeszültség szükséges.

A léptető motorok nyílt-hurkú vezérlést tesznek lehetővé. Tapasztalataink szerint csak külső akadályokkal való ütközéskor történik lépéstévesztés.

A robotmanipulátor mozgása alapvetően két módon történhet:

Ebben az üzemmódban a robotmanipulátor nem programozható, csak manipulátorként működtethető. Minden motorhoz két kapcsolót rendelünk, az egyik az órajelet kapcsolja, a másik a forgásirányt írja elő. E kapcsolók az ún. kézivezérlő dobozban helyezkednek el. A kézivezérlési módban minden motort a 9-7. ábran látható kapcsolás működteti.

A működési elv magyarázatához a 9.3. táblázatból indulhatunk ki. A 9.3. táblázatot tanulmányozva a következőket figyelhetjük meg:

Mivel egy ciklus négy állapotból áll, ezért az órajel frekvenciáját a ciklus frekvenciájának legalább kétszeresére kell választani.

Tekintsük a 9-7. ábrat. Az órajelet az ICS jelű áramkör állítja elő. Az órajel a kapcsolón keresztül jut az IC1b jelű felfutóél által vezérelt D tároló órajel bemenetére. Az órajelből a D tároló frekvencia felezéssel állítja elő a és jeleket.

Ha egymás mellé írjuk az órajelet és a értékeit, akkor észre vehetjük, hogy e két jel kizáró vagy művelettel összekapcsolva egy a -hez képest negyed periódussal időben késő jelet ad eredményül.

(ld. 9.5. táblázat) A könnyebb megértés kedvéért a 9.5. táblázat jeleinek időfüggvényét is megrajzoltuk.

Ha a motor előreforog, akkor megegyezik -val, ha hátraforog, akkor -t invertálva nyerjük -t. Az előreforgásnak a logikai nulla, a hátraforgásnak a logikai egy szintet feleltetjük meg, így ha az irányjel (a 9-7. ábran SDIR) értéke nulla, akkor az jelű XOR kapu egyszerűen átengedi a jelet, ha az irányjel értéke logikai egy, akkor XOR kapu invertálja a jelet.

jelet az XOR kapu segítségével invertálva kapjuk a jelet.

Az irányváltást szinkronizálni kell. (ld. 9-7. ábran) DIR az irányváltó kapcsoló jele és SDIR a szinkronizált irányjel). A 9-7. és a 9-8. ábraból kitűnik, hogy a jel mindig csak az órajel lefutó élére változhat, ezért az iránykapcsoló jelét lefutóél által vezérelt D tárolón vezetjük keresztül.

Egy IC tokban általában két db egybites tároló illetve négy db kétbemenetű kapu van. Ez magyarázza az és az használatát. Az XOR kapu invertálja az órajelet, ezért az D tároló az eredeti órajel élére ír be.

Összefoglalásként a

9-9. ábra az idő függvényében ábrázoltuk a fent említett jeleket. Az ábrán feltüntetett esetben a léptető motor hét lépést halad előre, majd irányt vált és három lépést hátraforog. Figyeljük meg, hogy az irányváltáskor egy lépés kimarad, csökkentve ezzel a lépéstévesztés veszélyét!

A C kondenzátor és az R ellenállás a kezdeti érték beállítására szolgálnak. A bekapcsolást követően a C kondenzátor feszültsége ugrásszerűen nem változhat, és amíg a kondenzátor az R ellenálláson keresztül fel nem töltődik, addig az a D tároló RESET bemenetére törlő jelet kapcsol. Tehát a bekapcsolást követően

A feszültség illetve a teljesítmény illesztését az IC3 és IC4 áramkör végzi. (Beszerzési nehézségek miatt a léptető motoros méréseknél az IC3 és IC4 áramköröket tranzisztor kapcsolókkal váltottuk ki, ennek természetesen lényegesen nagyobb a helyigénye.)

A jelen mérésben a robotmanipulátort egy PIO-n keresztül egy ZX Sinclair Spectrum számítógéphez csatlakoztatjuk. A számítógép egyidejűleg 8 bitnyi információ kiadására képes, ezért egyetlen OUTPUT utasítással csak egyetlen motor léptetésére adhatunk ki parancsot. Az illesztő áramkör (ld. 9-10. ábra) dekódoló feladatot lát el.

Tekintsük a 9-10. ábrat, ahol a nyolc adatvonal közül a felső négy helyiérték közeli a motor következő lépésének megfelelő gerjesztési állapotot jelent. E négy vezeték 6 db párhuzamosan kapcsolt négybites D tároló memória elemhez csatlakozik (ld. 9-10. ábra

IC5…IC10). Az vezetékek tartalma határozza meg azt, hogy az vezetéken érkezett információ melyik D tárolóba íródjon be. Az adatok 1/8-as demultiplexer (9-10. ábra IC4) cím bemeneteire kerülnek. A demultiplexer kimenetei szolgálnak a D tárolók órajeléül. Az adatbit gondoskodik az illesztőáramkör engedélyezéséről. Alaphelyzetben értéke 1 és akkor vált nullára, amikor érvényes adat érkezett a számítógép felől a PIO kimenetére. Ez egyrészt engedélyezi az IC1 és IC2 háromállapotú meghajtó áramkörökön az adatok áthaladását, másrészt ez a lefutóél az monostabil multivibrátor 1 jelű bemenetére kerülve azt a 4 jelű kimenetén egy 500 ns nagyságú impulzus kiadására kényszeríti, amely impulzus a demultiplexer működését engedélyezi az 500 ns alatt. Ki kell hangsúlyozni, hogy a monostabil multivibrátor az adat lefutó élének hatására ad engedélyező impulzust a demultiplexer számára, ezért a manipulátor felé küldött minden érvényes adat előtt az vonal értékét logikai egyre kell állítani.

A manipulátor mozgatásához a számítógép által kiadott kódot a következő módon kell meghatározni. A számítógépnek nyilván kell tartania minden léptető motor pillanatnyi gerjesztési állapotát, ami egy táblázat segítségével történik. Mivel a , , és értékét a felső négy helyiértéken adjuk meg, ezért a számítógép nem a korábban közölt 9.2. táblázatot őrzi, hanem helyette a 9.6. táblázatban megadott értékeket. (a % jel szokásosan a bináris számokat jelöli, a decimális számoknál nem használunk megkülönböztető jelzést).

A vezérlő program rendelkezik egy hat elemű vektorral. E vektor egy-egy eleme egy-egy léptető motorhoz van hozzárendelve és értéke a gerjesztési állapotnak megfelelően egy és négy között változhat. Például, ha e vektorból kiolvastuk, hogy a 3. léptető motor az 1. lépésnek megfelelő gerjesztési állapotban van és előre akarjuk forgatni azt egy lépéssel, akkor két output utasítást kell kiadni. Az output utasítással kiadandó két értéket a következőképpen kell meghatározni:

% xxxxxxx1: tetszőleges páratlan szám, amely értékét 1-re állítja be

% 1001 011 0 = 144 + 2*3 = 150

Ha ugyanezt a léptető motort hátra kívánjuk forgatni, akkor a másodiknak kiadandó érték a következő lenne:

% 0110 011 0 = 96 + 2*3 = 102

A PIO működésének részleteire nem tértünk ki, erre vonatkozó információ a 2. ajánlott irodalomban található. Feltétlenül meg kell azonban jegyeznünk hogy a PIO B/A C/D és CE és bemeneteit rendre a Z80 címbusz , és jelű vonalára kötöttük és a PIO-nak az jelű portját használjuk a harmadik üzemmódban, minden bitet kimenetbe állítva. Ennek megfelelően - a bekapcsolást követően - két értéket kell küldeni a PIO inicializálása érdekében a parancscímre, először 255-öt majd 0-t, továbbá a léptető motorok mozgatásához a fent említett kódokat a adatcímre kell küldeni.

A program Z80 assembly nyelven íródott és a ROBOT 1 cartrige-on található. Az indításhoz elegendő a cartrige-t a drive-ba helyezni és kiadni a RUN parancsot. Az indítást követően a képernyőn megjelenik a főmenü, ami a következő választási lehetőséget nyújtja a számunkra:

Alaphelyzet definiálás

Mozgatás alaphelyzetbe

Kézi vezérlés

Pályatanítás

Tanult mozgás ismétlése

A főmenüben valamely menüpont kezdő betűjének leütésével közölhetjük a programmal választásunkat.

9 . 8 feladat A léptető motor vezérlésére motor vezérlésére használt logikai áramkörök működésének vizsgálata

Az SN 7486 XOR és az SN 7474 D tároló felhasználásával állítsa össze a léptető motor 9.4 fejezetben megismert vezérlő áramkörét! Az áramkör , , és kimeneteit a kapcsoló panelon található egyszerű kétállású kapcsolók egyikét! (Az irányjel prellmentesítésről a vezérlő áramkör gondoskodik ld. 9.4 fejezet.) Az órajel előállításához használja az SN 7476 J K tárolóelemet, amelyből alakítson ki T tárolót! Az így kialakított T tároló órajelbemenetét kösse össze a kapcsoló panelon található monostabil multivibrátor kimenetével!

Figyelje meg az áramkör működését különös tekintettel az irányváltásokra! Rajzolja le a , DIR és SDIR jelek időfüggvényét, ha a léptető motor két lépést halad előre és három lépést hátra!

9 . 9 feladat A léptető motor határfrekvenciájának kimérése

Az előző feladatban összeállított vezérlőáramkört ki kell egészíteni egy számláló és egy komparátor áramkörrel (ld. 9-11. ábra). A 9-11. ábran látható áramkör használata a következő: először a kapcsolók segítségével beállítjuk a kívánt lépésszámot, majd a kapcsolóval töröljük a számláló értékét végül beíró jelet adunk a D tárolónak a kapcsoló segítségével. Így a D tároló kimenetén logikai 1 jelenik meg, ezért az órajel áthalad az ÉS kapun. Az ÉS kapun áthaladó órajel egyrészt a léptető motort, másrészt a számlálót működteti. Amikor a számláló regiszter értéke eléri a beállított lépésszámot, akkor a komparátor áramkör egy felfutóélt generál, amely él hatására a D tároló törlődik, ezért az

Az ÉS kapu nem enged át magán több órajelet.

A léptető motor kikapcsolt állapotában állítsa a tengelyen elhelyezett mutatót a bejelölt pozícióba, kapcsolja be a léptető motor tápfeszültségét és állítsa be a léptető motor egy körülfordulásának megfelelő lépésszámot! Az órajel frekvenciáját 100 – 400 Hz között változtatva keresse meg azt a legkisebb értéket, amelynél a léptető motor lépést téveszt! Az előző mérést ismételje meg a léptető motor tengelyét különböző (0 – 16 Ncm tartományba eső) nyomatékkal terhelve! A mérési eredményeket ábrázolja megfelelő koordinátarendszerben!

9 . 10 feladat A számítógép és a léptető motoros hajtás illesztésének vizsgálata

Kapcsolja össze a számítógépet a PIO egységgel! A méréshez használja a PIO A portját! A PIO TTL szintű jelet ad ki, így az A port négy legnagyobb helyiértékű bitje () átveszi az előző mérésekben használt vezérlő áramkör kimeneteinek szerepét (ld. 9-12. ábra). Az , és kivezetést kapcsolja össze a hétszegmenses kijelző alsó három helyiértékű bemenetével! Az kivezetést a kapcsoló panel egyik LED-jével jelenítse meg! Inicializálja a PIO-t a következő paranccsal:

OUT 95,255

OUT 95,0

Adja ki a következő parancsokat és figyelje meg a léptető motor mozgását:

OUT 31,160

OUT31,144

OUT 31,80

OUT 31,96

OUT 31,160

Írjon BASIC nyelvű programot, amely tetszőleges sorszámú léptető motort tetszőleges számú lépéssel előre- illetve hátraforgat!

Megjegyzés:

9 . 9 feladat

Kapcsolja össze a robotmanipulátor a számítógéppel! Indítsa el a robotvezérlő programot és a robotmanipulátort vezesse végig a mérésvezető által meghatározott pályán!

A mozgás többszöri ismétlésével figyelje meg a robotmanipulátor ismétlési pontosságát!

Ajánlott irodalom:

Tahaski Kenjo:Stepping motors and their microprocessor controls (Oxford 1983.)

Korondi Péter: Microprocesszorok I. (Előadási segédlet 1988.)

Korondi Péter: Robotvezérlő program ismertetése (Oktatási segédlet 1988.)