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 $m$(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 $2\pi /m$. A lágyvasból készült forgórészen $N_r$ $\left(N_r=4\right)$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 ${\theta }_s$ 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 $T_1,T_6,T_3$ és $T_8$ tranzisztor vezet. Egy lépés megtételéhez a $T_3$ és $T_8$ tranzisztorokat kell kikapcsolni, és helyettük a $T_4$ és $T_7$ tranzisztorokat kell bekapcsolni. A következő lépéshez $T_1$ és $T_6$ tranzisztorokat kapcsoljuk ki, majd a $T_2$ és $T_5$ 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 $q_i$-vel és az ízületek távolságát $b_i$-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 $Q_A$, $Q_B$, $Q_C$, és $Q_D$ betűkkel továbbá jelentse az 1 logikai szint azt, hogy az adott tekercsre gerjesztést kapcsolunk és a $0$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:

$Q_A$ és $Q_B$ jelentése: az egyik fázistekercs két kivezetése

$Q_C$ és $Q_D$ 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 $K_2$ kapcsolón keresztül jut az IC1b jelű felfutóél által vezérelt D tároló órajel bemenetére. Az órajelből a D tároló frekvencia felezéssel állítja elő a $Q_C$ és $Q_D$ jeleket.

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

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

Ha a motor előreforog, akkor $Q_A^{\text{'}}$ megegyezik $Q_A$-val, ha hátraforog, akkor $Q_A^{\text{'}}$-t invertálva nyerjük $Q_A$-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 $IC{2}_C$ jelű XOR kapu egyszerűen átengedi a $Q_A^{\text{'}}$ jelet, ha az irányjel értéke logikai egy, akkor XOR kapu invertálja a $Q_A$ jelet.

$Q_A$ jelet az $IC{2}_d$ XOR kapu segítségével invertálva kapjuk a $Q_B$ 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 $Q_A$ 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 $IC{2}_a$ és az $IC{1}_a$ használatát. Az $IC{2}_a$ XOR kapu invertálja az órajelet, ezért az $IC{1}_a$ 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

$Q_D=1Q_C=0SDIR=1$

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 $(A_7\mathrm{...}{A}_4)$ 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 $A_3\mathrm{...}{A}_1$ vezetékek tartalma határozza meg azt, hogy az $A_7\mathrm{...}{A}_4$ vezetéken érkezett információ melyik D tárolóba íródjon be. Az $A_3\mathrm{...}{A}_1$ adatok 1/8-as demultiplexer (9-10. ábra IC4) cím bemeneteire kerülnek. A demultiplexer kimenetei szolgálnak a D tárolók órajeléül. Az $A_O$ adatbit gondoskodik az illesztőáramkör engedélyezéséről. Alaphelyzetben $A_O$ 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 $A_7\mathrm{...}{A}_1$ adatok áthaladását, másrészt ez a lefutóél az $IC{3}_a$ 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 $A_O$ adat lefutó élének hatására ad engedélyező impulzust a demultiplexer számára, ezért a manipulátor felé küldött minden érvényes adat előtt az $A_O$ 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 $Q_A$, $Q_B$, $Q_C$ és $Q_D$ 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 $A_O$ 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 $\overline{CE}$ bemeneteit rendre a Z80 címbusz $A_5$, $A_6$ és $A_7$ jelű vonalára kötöttük és a PIO-nak az $A$ jelű portját használjuk a harmadik üzemmódban, minden bitet kimenetbe állítva. Ennek megfelelően - a bekapcsolást követően - két értéket kell küldeni a PIO inicializálása érdekében a $CA=95$ parancscímre, először 255-öt majd 0-t, továbbá a léptető motorok mozgatásához a fent említett kódokat a $DA=31$ 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 $Q_A$, $Q_B$, $Q_C$ és $Q_D$ 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 $Q_A,Q_B,Q_C,Q_D,Q_A$, 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 $K_2$ kapcsolóval töröljük a számláló értékét végül beíró jelet adunk a D tárolónak a $K_1$ 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 ($A_4,A_5,A_6,A_7$) átveszi az előző mérésekben használt vezérlő áramkör kimeneteinek szerepét (ld. 9-12. ábra). Az $A_1$, $A_2$ és $A_3$ kivezetést kapcsolja össze a hétszegmenses kijelző alsó három helyiértékű bemenetével! Az $A_O$ 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:

$\left[1\right]$ Tahaski Kenjo:Stepping motors and their microprocessor controls (Oxford 1983.)

$\left[2\right]$ Korondi Péter: Microprocesszorok I. (Előadási segédlet 1988.)

$\left[3\right]$ Korondi Péter: Robotvezérlő program ismertetése (Oktatási segédlet 1988.)