Μηχατρονικά Συστήµατα Ι

Transcript

1 ρξεζηκνπνηνύληαη ζε έλα ξνκπόη ηύπνπ puma. Τµήµα Μηχανολόγων Μηχανικών Τ.Ε. Δρ. Φασουλάς Γιάννης θαη ελζσκαησκέλα ππνινγηζηηθά ζπζηήκαηα. Ο βξαρίνλαο κπνξεί λα απνηειείηαη από δηάθνξα κέξε πνπ ζπλδένληαη κε αξζξώζεηο νη νπνίεο απνηεινύλ γηα ην ππνινγηζηηθό ζύζηεκα (κέζσ αηζζεηήξησλ δηαηάμεσλ) Παραδείγµατα Μηχατρονικών Βιοµηχανικά Ροµπότ ζεκεία πιεξνθνξηώλ ηηο θίλεζεοσυστηµάτων: ηνπ. Αλάινγα ησλ βαζκώλ ειεπζεξίαο πνπ ζπλαληάκε ζε έλα ξνκπνηηθό κεραληζκό, ρξεζηκνπνηνύληαη επηπιένλ κεραληθά ειεθηξνληθά θαη ππνινγηζηηθά ζπζηήκαηα., Φλάντζα αρπάγης Μηχατρονικά Συστήµατα Ι «Επενεργητές Μηχατρονικών Συστηµάτων» σύνδεσµοι Δξεπλήζηε ζην δηαδίθηπν ην δνκηθό δηάγξακκα ελόο ξνκπόη ηύπνπ puma κε βαζκνύο ειεπζεξίαο. Aρθρώσεις Εργαστήριο Συστηµάτων Ελέγχου & Ροµποτικής Σχολή Τεχνολογικών Εφαρµογών Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυµα Κρήτης Ηράκλειο Κρήτης, Ελλάς Σσήμα.: Ρνκπνηηθόο κεραληζκόο ηύπνπ Puma. Επενεργητές (Actuators) - Γενικά ΗΛΕΚΤΡΙΚΟΙ ΕΠΕΝΕΡΓΗΤΕΣ: Κυρίως περιστροφικοί κινητήρες οι οποίοι διατίθενται σε τεράστια ποικιλία µορφών και µεγεθών. " Συνεχούς ρεύµατος (DC-P): Ιδανικός αν δεν είχε το πρόβληµα των ψηκτρών : Εισάγουν αναξιοπιστία λόγω φθοράς και στατική τριβή που αποτελεί πρόβληµα για τον έλεγχο θέσης. " Βηµατικοί. Για εφαρµογές µικρής ισχύος. Θεωρητικά δεν χρειάζονται αισθητήρα θέσης και συστήµατα κλειστού βρόχου. Δξεπλήζηε ζην δηαδίθηπν βίληεν κε ηελ αλάπηπμε δηαηάμεσλ αλάζηξνθνπ εθθξεκνύο ζηελ νπνία ζηεξίδεη ηε ιεηηνπξγία ηνπ, ην Segway. Γίηποσο ηλεκηποκίνηηο όσημα Segway : Έλα νινθιεξσκέλν κεραηξνληθό ζύζηεκα κεηαθνξάο αλαβαηώλ απνηειεί ην δίηξνρν ειεθηξνθίλεην όρεκα. Σν όρεκα θέξεη πιήξε κεραληθό εμνπιηζκό σο έλα δίηξνρν ην νπνίν γηα ηελ Επενεργητές (Actuators)ειεθηξηθή - Γενικάελέξγεηα. Η θίλεζε ηνπ ηζνξξνπεί κέζσ θίλεζε ηνπ ρξεζηκνπνίεη ελόο ζπζηήκαηνο δπλακηθήο ζηαζεξνπνίεζεο ην νπνίν ρξεζηκνπνηεί πέληε γπξνζθόπηα θαη έλαλ ελζσκαησκέλν ππνινγηζηή γηα λα θξάηεζε όξζην ηνλ αλαβάηε. Γηα ηελ θίλεζε ηνπ ρξεζηκνπνηεί ειεθηξηθνύο θηλεηήξεο θαη ΠΝΕΥΜΑΤΙΚΟΙ ΕΠΕΝΕΡΓΗΤΕΣ: κεραληθό θηβώηην. ηε βάζε δηάηαμεο είλαη ηνπνζεηεκέλν έλαο Υπέρ : Απλοί, οικονοµικοίηεο και αξιόπιστοι. ελζσκαησκέλνο ππνινγηζηήο ζηνλ νπνίν θαηαιήγνπλ όιεο νη πιεξνθνξίεο Κατά: Δυσκολία ελέγχου θέσης (position control) λόγω από ηνπο αηζζεηήξεο ηνπ Segway θαζώο θαη νη εληνιέο από ρεηξηζηήξην ηνπ συµπιεστότητας. αλαβάηε. Γηα ηε κεηάδνζε ηε ελέξγεηαο ε όπνηα πξνζθέξεηαη από κπαηαξία ιηζίνπ ρξεζηκνπνηνύληαη εηδηθέο δηαηάμεηο ηζρύνο ( ρ..). ΥΔΡΑΥΛΙΚΟΙ ΕΠΕΝΕΡΓΗΤΕΣ Υπέρ: Ανυπέρβλητη σχέση ισχύος προς µέγεθος (βάρος), αξιοπιστία. Κατά: Ογκώδη και ρυπαρά παρελκόµενα (µονάδα, σωληνώσεις λαδιού), σχετικά πολύπλοκα και ακριβά εξαρτήµατα. " r/c Servo (Remote Controlled Servo) " Σερβοκινητήρες εναλλασσοµένου (AC Servo): Τείνουν να επικρατήσουν για εφαρµογές µέσης και µεγάλης ισχύς. ΕΙΔΙΚΟΙ ΕΠΕΝΕΡΓΗΤΕΣ " Πιεζοηλεκτρικοί κρύσταλλοι (Ultrasonic otor US) Υπέρ : Ευκολία ελέγχου, οικονοµικοί, ανυπέρβλητοι για εφαρµογές περιορισµένου χώρου Τείνουν να επικρατήσουν. " Μορφοµνήµονα µεταλλικά κράµατα (uscle wires) Κατά : Απαιτούν µειωτήρα στροφών, υστερούν σε υψηλή ισχύ και δεν µπορούν να υπερφορτισθούν σοβαρά.

2 νπνία κεηαθέξεη ην κειαλνδνρείν, ε ζπζθεπή γηζκηθό ειέγρνπ. Η κεραληθή κνλάδα θίλεζεο ηλεηήξεο, γξαλάδηα θαη ηκάληεο ώζηε λα ηζπκεηά ζεκεία θαηά κήθνο ηνπ άμνλα. ηελ Ηλεκτρικοί που θα χρησιµοποιήσουµε στο εργαστήριο θέξεη θαη κνλάδα ζθάλεξ, επενεργητές ρξεζηκνπνηνύληαη νκεραληθά κέξε ηα νπνία νδεγνύλ ηελ θεθαιή νηεί γξακκηθή θάκεξα γηα λα κεηξήζεη ηελ ο ζάξσζεο κέζσ ελόο ζπζηήκαηνο DC Κινητήρεςθαζξεπηώλ µόνιµου µαγνήτη θεθαιήο ζάξσζεο απνηππώλεηαη κέζσ ηνπ α "ράξηε" ηνπ εγγξάθνπ, πνπ αλαιύεηαη όξπβν από ηα δεδνκέλα ( ρ..). Ροµπότ µε επενεργητές τύπου r/c Servo Κινητήρες rc/servo & smart servo Βηµατικούς κινητήρες Robot µε κινητήρες Brushless DC εθάιαην Οδήγηση κινητήρα τύπου r/c-servo Παραδείγµατα Μηχατρονικών συστηµάτων: Ιπτάµενο ροµπότ µε εις έλικες (drone) ησανή (drone) με ηέζζεπιρ έλικερ ν κεραλή (drone) κε πιήξε κεραηξνληθό ρξεζηκνπνηεζεί γηα ξαθνινύζεζε, ηε ηε ιήςε εηθόλσλ, εο ηειερεηξηδόκελεο απεηθνλίδεηαη ζην πξγία ηεο κεραλήο ηξνθώλ πνπ θέξνπλ r/c-servο motor Σσήμα.: πηάκελε ηειερεηξηδόκελν κεραλή (drone) κε ηέζζεξηο έιηθεο.. Σσεδίαζη μησαηπονικών ζςζηημάηυν Ο ζρεδηαζκόο κεραηξνληθώλ ζπζηεκάησλ απνηειείηαη από ηξεηο θάζεηο: κνληεινπνίεζε\πξνζνκνίσζε, παξαγσγή πξσηνηύπνπ θαη πινπνίεζε. Σν ζεκαληηθόηεξα εξγαιεία θαη κεζόδνπο πνπ ρξεζηκνπνηνύκε θαηά ηε ζρεδίαζε ελόο ζπζηήκαηνο δηαθξίλνπκε: ΜΗΧΑΤΡΟΝΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Ι κεραηξνληθνύ Τµήµα Μηχανολόγων Μηχανικών Τ.Ε. Μονηελοποίηζη: νγηθά δηαγξάκκαηα γηα ηε δεκηνπξγία θαηαλνεηώλ κνληέισλ ζπκπεξηθνξάο θπζηθώλ ή αζαθώλ θαηλνκέλσλ.

3 Ανατοµία ενός r/c Servo (Remote Controlled Servo) Ποιοτικά χαρακτηριστικά ενός rc/servo Μικρής ισχύος ολοκληρωµένο σύστηµα ελέγχου γωνίας στροφής Τροφοδοσία (συνήθως V) Σήµα ελέγχου PW, Hz Μονάδα ελέγχου Τροφοδοσία κινητήρα Χρειάζεται απλώς τροφοδοσία και ένα σήµα ελέγχου PW, συνήθως Hz. Λόγω της υψηλής µείωσης, η διαθέσιµη ροπή στον άξονα είναι αρκετά υψηλή. Ανάδρασ η Μικρός κινητήρας DC Γωνίες στροφής : τυπικά +/- Μειωτήρας στροφών (υψηλή µείωση) Άξονας για φορτίο R/C Servo Ενσωµατωµένο ποτενσιόµετρο ή (εσχάτως) encoder Γενική αρχή λειτουργίας ελέγχου του R/C Servo (σήµα ελέγχου) Τυποποίηση καλωδίων rc/servo Σήµα που στέλνουµε στο rc/servo για να το ελέγξουµε

4 Η έννοια του PW (Pulse Width odulation) Έλεγχος της Θέσης του R/C Servo µε κατάλληλο σήµα ελέγχου PW Σχήµα ελέγχου Περίοδος περίπου msec ή Hz Πώς µπορούµε να παράγουµε ένα τέτοιο περιοδικό σήµα PW; Με την βοήθεια κάποιου προγραµµατιζόµενου µικροελεγκτή (Arduino µ-controller) Με την βοήθεια µικροελεγκτή ειδικού σκοπού (SSC- servocontroller) Με την βοήθεια κατάλληλου κυκλώµατος ειδικού σκοπού (IC ) Έλεγχος rc/servo µε µικροελεγκτή ειδικού σκοπού (SSC- servocontroller) Μορφή εντολής ελέγχου που στέλνουµε µε σειριακό πρωτόκολλο επικοινωνίας στον SSC- ARDUINO Απαιτείται να γράψουµε κάποιο κώδικα IC Απαιτείτε να υλοποιήσουµε το κύκλωµα #(ch) P(pw) T(time) <cr> Παράμετρος** Περιγραφή* Σειριακή επικοινωνία ch Αριθμόςκαναλιού pw Εύροςπαλμούσεμsec( ) time Χρόνοςσεmsecολόκληρηςτηςκίνησης cr Χρειάζεταιγιανασηματοδοτήσειτοτέλοςτηςεντολής Κίνηση µόνο ενός servo: # P Τ <cr> Κίνηση δύο servo ταυτόχρονα: SSC- Απαιτείται να ορίσουµε µε κωδικοποιηµένο τρόπο την γωνία του servo # P # P T <cr>

5 Έλεγχος rc/servo µε τον µικροελεγκτή Arduino Κινητήρας DC (P) µονίµου µαγνήτη DC (P) motor Αρχή λειτουργίας Κινητήρα DC (P) µονίµου µαγνήτη Βασικό κύκλωµα οδήγηση DC κινητήρα µε τρανζίστορ και προστασία από υπερτάσεις Έλεγχος προς µία κατεύθυνση περιστροφής Αναγκαία η χρήση Flyback diode Εµφάνιση σπινθήρων

6 Διάφορα σχήµατα οδήγησης DC κινητήρων Οδήγηση DC κινητήρων µε τρανζίστορ και ρελέ Περιστροφή προς µία κατεύθυνση Οδήγηση κινητήρα DC µε Η-γέφυρα (H-Bridge) Με έλεγχο της κατεύθυνσης περιστροφής Το ολοκληρωµένο L (Μπλοκ διάγραµµα) Χρησιµοποιείται για την οδήγηση DC κινητήρων Λειτουργεί ως ενισχυτής ρεύµατος Ρυθµίζει την φορά περιστροφής Δύσκολη η επιλογή των τρανζίστορ L (A Dual otor Driver) ax volts max A Q= Q=HIGH και Q=Q=LOW => δεξιόστροφη περιστροφή κινητήρα Q= Q=LOWκαι Q=Q=HIGH Ύπαρξη θερµικού αισθητήρα Ύπαρξη αισθητήρα ρεύµατος LD, max.a => αριστερόστροφη περιστροφή κινητήρα

7 LNE LDNE (NE) TEXAS INSTRUENTS AVAILABLE OPTIONS Έλεγχος DC κινητήρα µε κύκλωµα Η-γέφυρας L από το motor shield SALL OUTLINE (DWP) LDWP LDDWP LN LDN digitalwrite(, HIGH); //Eengage the Brake for Channel A VC The DWP package is available taped and reeled. Add the suffix TR to device type (e.g., LDWPTR). delay(); half speed digitalwrite(, LOW); //Establishes backward direction of Channel A //Disengage the Brake for Channel A //Spins the motor on Channel A at half speed POST OFFICE BOX L, LD digitalwrite(, LOW); analogwrite(, ); QUADRUPLE HALF-H DRIVERS DALLAS, TEXAS delay(); SLRSB SEPTEBER REVISED JUNE digitalwrite(, HIGH); //Eengage the Brake for Channel A ' FUTION TABLE (each driver) INPUTS OUTPUT..+Παράδειγμα+χρήσης+της+ΗPΓέφυρας+σε+κώδικα++ Y A EN delay(); Εικόνα'..''Πίνακας'αληθείας'Solarbotics'L' } Σύμφωνα με το παραπάνω πίνακα αληθείας παραθέτουμε ένα απλό H H παράδειγμα H χρήσηςτηςηpγέφυραςσεκώδικαώστεναγίνεικατανοητήηχρήσητηςγιατηνκίνησηενός L H L κινητήρασυγκεκριμένατουκινητήραnxt.οκινητήραςσυνδέεταιστουςακροδέκτεςτηςηå X L Z Γέφυρας όπως φαίνεται στην Εικόνα..., και ηh ΗPΓέφυρα από = high level,ελέγχεται L = low level, X =τον irrelevant, L, LD μικροελεγκτή από τις θύρες (Pin) L, L, και Enable. Με συγκεκριμένο πρόγραμμα ο impedance (off) QUADRUPLE HALF-H DRIVERS Z In=τοhigh the thermal mode, the κινητήρας θα κινείται συνεχόμενα μπροστά (FORWARD) καθώς το shutdown PIN (Enable) τοoutput is in the high-impedance state, regardless of SLRSB SEPTEBER REVISED JUNE ορίζουμεhigh,τοpin(l)τοορίζουμεlowκαιτοpinτοορίζουμεhigh. + the input levels. QUADRUPLE HALF-H DRIVERS block diagram N, NEL, PACKAGE logicld diagram (TOP VIEW) QUADRUPLE HALF-H Supply-Voltage Range:. V to V Y Input-Logic Supply A block diagram Internal ESD Protection A Y Y ή VCC Thermal Shutdown GND High-Noise-Immunity Inputs A Y Y Y Functional Replacements for SGS L and,en A ή A SGS LD A Y,EN VCC Output Current A Per Channel ( ma for LD) DWP PACKAGE schematics of inputs and Για Οδήγηση κινητήρα µε µέγιστο ρεύµα τα -ma και τάσεις απόoutputs. V εως (L) V. Peak Output Current A Per Channel (TOP VIEW) (. A for LD) TYPICAL OF ALL OUTPUTS EQUIVALENT OF EACH INPUT VC,EN VCC Output ClampDiodes for Inductive VCC A A Output Vdiodes NOTE: CC are internal in LD. Transient Suppression (LD) Y (pin Y µικροελεγκτή Vcc = volt ) από,en ή A Y GND = (pin ),,, ή VCC REVISED JUNE SLRSB SEPTEBER Vcc =. vlot (pin) Current Source SLRSB SEPTEBER REVISED JUNE Arduino Λογικό διάγραµµα Unitrode L and LD Featuring Drivers/οδηγοί VCC Products Now From Texas Instruments DRIVERS A,EN,EN A Y Separate TEXAS INSTRUENTS PACKAGE L and LD are quadruple high-current TThe A half-h drivers. The L is designed to provide (NE) VC SINK AND HEAT LNEdrive currents of up to A at voltages bidirectional Input ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Ι Τµήµα C to C ΜΗΧΑΤΡΟΝΙΚΑ Μηχανολόγων Μηχανικών Τ.Ε. Τ.Ε.Ι. Κρήτης LDNE NOTE: Output diodes are internal in LD. Output from. V to V. The LD is designed to provide bidirectional drive currents of up to TEXAS INSTRUENTS AVAILABLE OPTIONS -ma at voltages from. V to V. Both AVAILABLE OPTIONS PACKAGE Pins N, NE PACKAGE (TOP VIEW) Wide AVAILABLE OPTIONS description LD Έλεγχος DC κινητήρα µε L, την Η-γέφυρα LD QUADRUPLE HALF-H DRIVERS Έλεγχος DC κινητήρα µε L, την LD την Η-γέφυρα LD SLRSB SEPTEBER REVISED JUNE Y A VCC VCC A Y Y A,EN DWP PACKAGE (TOP VIEW) Για Οδήγηση κινητήρα µε µέγιστο ρεύµα τα -ma και τάσεις από. V εως V.,EN A Y Τ.Ε.Ι. Κρήτης VCC A Y ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Ι Τµήµα Μηχανολόγων Μηχανικών Τ.Ε. ΜΗΧΑΤΡΟΝΙΚΑ LN LDN LDWP LDDWP C to C The DWP package is available taped and reeled. Add the suffix TR to device type (e.g., LDWPTR). (N) SALL OUTLINE (DWP) TA (NE) AVAILABLE OPTIONS LNE C to C LDNE PACKAGED DEVICES LDWP LN C to CAVAILABLE OPTIONS LDDWP LDN PACKAGED DEVICES The DWP package is available taped and reeled. Add TATR to device SALL the suffix type (e.g., LDWPTR). OUTLINE (DWP) (N) TA (NE) TEXAS INSTRUENTS LNE AVAILABLE C to C OPTIONS LDNE PACKAGE TEXAS INSTRUENTS AVAILABLE OPTIONS PACKAGE TA delay(); (N) Output diodes are internal in LD. PACKAGED DEVICES C to C NOTE: AVAILABLE OPTIONS TA Output diodes are internal in LD. full speed digitalwrite(, HIGH); //Establishes forward direction of Channel A digitalwrite(, LOW); //Disengage the Brake for Channel A analogwrite(, ); //Spins the motor on Channel A at full speed LNE LDNE NOTE: (NE) TA void loop(){ PACKAGE Η λειτουργία της συγκεκριμένης ΗPΓέφυρας βασίζεται στον παρακάτω πίνακα αληθείας όπουανάλογαμετοσήμαπουλαμβάνειστιςθύρες(pin)enable,l,l,lκαιl,(highή LOW) δίνει το ακόλουθο αποτέλεσμα, επίσης στην είσοδο Enable η ΗÅΓέφυρα μπορεί να οδηγηθείκαιμεσήμαp.w.. TEXAS INSTRUENTS AVAILABLE OPTIONS C to C pinode(, OUTPUT); //DIRECTION otor Channel A pinode(, OUTPUT); // BRAKE otor Channel A } 'Εικόνα'..'«'Ηu'Γέφυρα»'Solarbotics'L' VC Output diodes are internal in LD. VCC VCC NOTE: setup() { void VC L, LD QUADRUPLE HALF-H DRIVERS SLRSB SEPTEBER REVISED JUNE Β Κανάλι Channel-B Digital Digital Digital Analog VCC Channel-A Digital Digital Digital Analog * Function Direction Speed,(PW) Brake Current,Sensing Κανάλι Α block diagram Κανάλι Α L, LD QUADRUPLE HALF-H DRIVERS VCC V*to*V* LP,*Drives**DC*motors*or**stepper*motor* A*per*channel*or*A*max*(with*external*power*supply)*.V/A,*AD*converter*in*V*for*max*current*A* * SLRSB SEPTEBER REVISED JUNE block diagram block diagram SLRSB SEPTEBER REVISED JUNE block diagram L, LD QUADRUPLE HALF-H DRIVERS Output diodes are internal in LD. VC Summary' Operating*Voltage* otor*controller* ax*current* Current*sensing* Free*running*stop*and*brake*function* L, LD QUADRUPLE HALF-H DRIVERS SLRSB SEPTEBER REVISED JUNE NOTE: high-current d to provide A at voltages designed to s of up to V. Both PACKAGE ve TA nnel C to C S L and Έλεγχος της γέφυρας L Β Κανάλι D ments V to V ++++Τ.Ε.Ι.+Κρήτης+,+τμήμα+Μηχανολόγων+Μηχανικών+Τ.Ε++

8 Έλεγχος της γέφυρας LD µε τον µικροελεγκτή /************************ Exercise the motor using the L chip ************************/ //---fast/slow stop example #define ENABLE //controller s output pins #define DIRB #define DIRA void setup() { int i; pinode(enable,output); pinode(dira,output); pinode(dirb,output); } void loop() {... } digitalwrite(enable,low); //slow stop delay(); digitalwrite(enable,high); //enable on digitalwrite(dira,high); //one way digitalwrite(dirb,low); delay(); Step motor //---PW example, full speed then slow digitalwrite(enable,high); // enable on for (i=;i<;i++) { digitalwrite(dira,high); //one way digitalwrite(dirb,low); delay(); digitalwrite(dira,low); //reverse digitalwrite(dirb,high); delay(); } digitalwrite(enable,low); // disable delay(); digitalwrite(enable,high); //enable on digitalwrite(dira,high); //one way digitalwrite(dirb,low); delay(); digitalwrite(dira,low); //fast stop delay(); //---back and forth example Βηµατικός Κινητήρας (step motor) digitalwrite(enable,high); //enable on digitalwrite(dira,high); //one way digitalwrite(dirb,low); delay(); analogwrite(enable,); //half speed delay(); digitalwrite(enable,low); //all done Βασική δοµή Βηµατικού κινητήρα και διαφορές τους από τους DC κινητήρες Κινητήρες κατασκευασµένοι για να κινούνται κατά περιστροφικά βήµατα. Υπάρχει Ροπή συγκράτησης (holding torque) στην επιθυµητή γωνία Κανόνας δεξιού χεριού Ρότορας Αρχή λειτουργίας Βηµατικού κινητήρα Ιδανικοί για εφαρµογές ελέγχου θέσης χαµηλής ισχύος δεν απαιτούν σύστηµα κλειστού βρόγχου. Βασική ιδεά Στάτης ηλεκτροµαγνήτες Οι βηµατικοί κινητήρες έχουν τα εξής χαρακτηριστικά λειτουργίας: µπορούν να περιστραφούν και στις δυο κατευθύνσεις, να κινηθούν µε ακρίβεια κατά συγκεκριµένη γωνία, να διατηρήσουν ροπή συγκράτησης υπό µηδενική ταχύτητα και να ελεγχθούν µε ψηφιακά κυκλώµατα. Η ακριβής κίνηση τους κατά βήµατα (steps) συγκεκριµένης γωνίας, γίνεται µε την εφαρµογή ψηφιακών παλµών σε ένα ηλεκτρικό κύκλωµα οδήγησης. Ο αριθµός και ο ρυθµός των παλµών ελέγχουν τη θέση και την ταχύτητα του άξονα του κινητήρα. Γενικά οι βηµατικοί κινητήρες κατασκευάζονται µε δυνατότητα,,,, και βηµάτων ανά πλήρη περιστροφή, που σηµαίνει ότι ο άξονας περιστρέφεται,,,., και. ανά βήµα. Εάν υπάρχει ανάγκη ακριβέστερης κίνησης, είναι δυνατό να σχεδιαστούν κυκλώµατα µικρο-βηµατισµού (micro-stepping), που να επιτρέπουν πολύ περισσότερα βήµατα ανά περιστροφή ο αριθµός µπορεί να φθάνει, ή και να ξεπερνά τα steps/rev. Οι βηµατικοί κινητήρες είναι είτε διπολικοί, απαιτώντας έτσι δυο πηγές ενέργειας ή µια πηγή µε δυνατότητα αλλαγής της πολικότητας, είτε µονοπολικοί, απαιτώντας µόνο µια πηγή. Τροφοδοτούνται από πηγές DC και χρειάζονται ψηφιακά κυκλώµατα για την εκκίνηση των διαδικασιών ενεργοποίησης των πηνίων, ώστε να περιστραφεί ο κινητήρας. Η ανάδραση δεν είναι πάντα απαραίτητη, αλλά η χρήση ενός κωδικοποιητή, ή κάποιου άλλου αισθητή θέσης µπορεί να εξασφαλίσει ακρίβεια στις εφαρµογές, που ο ακριβής έλεγχος θέσης αποτελεί βασική προϋπόθεση. Το πλεονέκτηµα της λειτουργίας χωρίς ανάδραση είναι, ότι δε χρειάζεται το σύστηµα ελέγχου κλειστού βρόχου. Γενικά οι βηµατικοί κινητήρες αποδίδουν λιγότερο από hp ( W) µε αποτέλεσµα να χρησιµοποιούνται µόνο σε εφαρµογές ελέγχου θέσης χαµηλής ισχύος. Ο τρόπος περιέλιξης παίζει ρόλο στην πολικότητα του µαγνητικού πεδίου

9 Αρχή λειτουργίας Βηµατικού κινητήρα Αρχή λειτουργίας Βηµατικού κινητήρα: Βηματισμός*με*ενεργοποίηση*μίας*φάσης Ένας βηµατικός κινητήρας, που διατίθεται στο εµπόριο, αποτελείται από έναν µεγάλο αριθµό πόλων, που καθορίζει έναν αντίστοιχα µεγάλο αριθµό θέσεων ισορροπίας του κινητήρα. Στην περίπτωση ενός βηµατικού κινητήρα µόνιµου µαγνήτη, ο στάτορας αποτελείται από πόλους µε περιέλιξη, ενώ οι πόλοι του ρότορα είναι µόνιµοι µαγνήτες. Η διέγερση διαφορετικών συνδυασµών περιελίξεων µετακινεί και σταθεροποιεί τον ρότορα σε διαφορετικές θέσεις. Για να κατανοήσετε την κατά βήµατα περιστροφή ενός βηµατικού κινητήρα, θεωρήστε µια απλή διάταξη, η οποία αποτελείται από τέσσερις πόλους στάτορα και έναν ρότορα µόνιµου µαγνήτη, όπως φαίνεται στο σχήµα. Στο βήµα ο ρότορας είναι σε ισορροπία, διότι οι αντίθετοι πόλοι του στάτορα και του ρότορα είναι απέναντι και έλκονται. Ο κινητήρας µπορεί να µείνει σ αυτή τη θέση και να ανταπεξέλθει σε ροπή, της οποίας η µέγιστη τιµή ονοµάζεται ροπή συγκράτησης (holding torque), εφόσον οι πολικότητες των πηνίων του στάτορα δε µεταβληθούν. Σε περίπτωση αλλαγής της πολικότητας του στάτη (βήµα βήµα ), εφαρµόζεται ροπή στον ρότορα, αναγκάζοντάς τον να κινηθεί στην ωρολογιακή διεύθυνση κατά, σε µια νέα θέση ισορροπίας (βήµα -step ). Όταν µεταβληθούν ξανά οι πολικότητες του στάτορα (βήµα βήµα ), τότε ο ρότορας υπόκειται σε ροπή, που τον µεταφέρει στο βήµα. Αλλάζοντας διαδοχικά τις πολικότητες µ αυτό τον τρόπο, ο ρότορας µπορεί να µετακινηθεί σε διαδοχικές θέσεις ισορροπίας στην ωρολογιακή φορά. Η αντιωρολογιακή κίνηση µπορεί να επιτευχθεί αλλάζοντας τις πολικότητες στην αντίθετη κατεύθυνση. Η ροπή του κινητήρα συνδέεται άµεσα µε τη ισχύ του µαγνητικού πεδίου των πόλων και του ρότορα. Αρχή λειτουργίας Βηµατικού κινητήρα: Βηματισμός*με*ενεργοποίηση*δύο*φάσεων Αρχή λειτουργίας Βηµατικού κινητήρα: Βηματισμός*μισού*βήματος Μείωση του βήµατος από ο σε ο

10 Δύο Βασικές κατηγορίες Βηµατικών κινητήρων Οδήγηση'Μονοπολικού'βηματικού'κινητήρα'' Μονοπολικοί βηµατικοί κινητήρες Απαιτούν µία πηγή τροφοδοσίας Έχουν ή ακροδέκτες όταν η µεσαίες λήψεις των πηνίων είναι βραχυκυκλωµένες Διπολικοί κινητήρες Απαιτούν δύο πηγές τροφοδοσίας Έχουν ακροδέκτες Μονοπολικός βηµατικός κινητήρας Διπολικός βηµατικός κινητήρας Τα τυλίγµατα και η τοµή µονοπολικού κινητήρα. Ο ρότορας είναι µόνιµος µαγνήτης Απαιτείται µόνο µία τάση τροφοδοσίας Βήµατα οδήγησης µονοπολικού κινητήρα Αρ. Βήµατος Q Q Q Q ON OFF ON OFF Η επιλογή µεταξύ της χρήσης µονοπολικού ή διπολικού κινητήρα εξαρτάται από την απλότητα του κυκλώµατος οδήγησης και από την απόδοση ισχύος. Οι διπολικοί κινητήρες δίδουν περί το % µεγαλύτερη ροπή από τους µονοπολικούς του ίδιου µεγέθους. Αυτό οφείλεται στο ότι στους µονοπολικούς κινητήρες ενεργοποιείται κάθε φορά µόνο το µισό τύλιγµα. Αντίθετα ένας διπολικός κινητήρας ενεργοποιεί κάθε φορά ολόκληρο το τύλιγµα. Για την οδήγηση των διπολικών κινητήρων απαιτείται πιο περίπλοκο κύκλωµα ελέγχου από τους µονοπολικούς κινητήρες µε αποτέλεσµα την αύξηση του κόστος της εφαρµογής. OFF ON ON OFF OFF ON OFF ON ON OFF OFF ON ON OFF ON OFF Το κύκλωµα και η διαδοχή βηµάτων µονοπολικού κινητήρα µε ταυτόχρονη ενεργοποίηση δύο φάσεων. Τα χρώµατα των καλωδίων δεν είναι τυποποιηµένα. Βηματικός'κινητήρας' 'σε'λειτουργία' ULN driver specs (Darlington Array) Αρ. Βήµατος Q Q Q Q ON OFF ON OFF OFF ON ON OFF OFF ON OFF ON ON OFF OFF ON ON OFF ON OFF

11 Οδήγηση µονοπολικού βηµατικού κινητήρα Διαµόρφωση οδήγησής τεσσάρων καλωδίων µε το ολοκληρωµένο ULN- ή ULN (Darlington Array) Βιβλιοθήκη του Arduino για βηµατικούς κινητήρες (Stepper Library) Συναρτήσεις της βιβλιοθήκης Stepper Stepper my_stepper( value, pin, pin ) my_stepper( value, pin, pin, pin, pin ) in in in in Αρ. Βήµατος Q Q Q Q my_stepper.setspeed(value) my_stepper.step(value) ON OFF ON OFF OFF ON ON OFF OFF ON OFF ON ON OFF OFF ON ON OFF ON OFF Stepper : Ορισµός τύπου συνάρτησης για βηµατικούς κινητήρες. my_stepper : Το όνοµα που θέλω για την συνάρτηση περιγραφής του βηµατικού κινητήρα π.χ. my_stepper, my_stepper Οι αριθµοί των ορισµάτων στην συνάρτηση my_stepper εξαρτάται από τον τρόπο καλωδίωσης του κινητήρα (σύνδεση δύο ή τεσσάρων καλωδίων) value: Όρισµα που αντιστοιχεί στον αριθµός των βηµάτων για µια πλήρη περιστροφή του κινητήρα setspeed( ) : Συνάρτηση που ορίζει την ταχύτητα περιστροφής value σε rpm. Προσοχή, δεν γίνεται εκκίνηση του κινητήρα µε την κλήση της συνάρτησης απλά ορίζετε η ταχύτητα που θα έχει όταν κινείτε. Step( ) : Συνάρτηση που κινεί τον βηµατικό κινητήρα κατά value βήµατα µε ταχύτητα που ορίστηκε από την value. Προσοχή, κατά την εκτέλεση της ο µικροελεγκτής δεν εκτελεί τις επόµενες εντολές δηλαδή, περιµένει µέχρι να ολοκληρωθεί η κίνηση. Για παράδειγµα αν ορίσουµε την ταχύτητα σε rpm και εκτελέσουµε την συνάρτηση Step() για ένα κινητήρα βηµάτων τότε ο χρόνος εκτέλεσης της θα είναι min. Συνιστάται να κρατάµε την ταχύτητα υψηλή και να εκτελούµε µικρό αριθµό βηµάτων σε κάθε κλήση της step( ) Παράδειγµα οδήγησης βηµατικού κινητήρα (µονοπολικό ή διπολικό) Παράδειγµα οδήγησης βηµατικού κινητήρα (µονοπολικό ή διπολικό) Το παρακάτω πρόγραµµα οδηγεί ένα µονοπολικό (ή διπολικό βηµατικό) κινητήρα περιστρέφοντάς τον µε περιοδική εναλλαγή της φοράς περιστροφής του κάθε msec. Ο κινητήρας συνδέεται στους ακροδέκτες, (πηνίο ), και (πηνίο ) του µικροελεγκτή. Στο παρακάτω πρόγραµµά ρυθµίζουµε την κίνηση ενός βηµατικού κινητήρα ανάλογα µε την περιστροφή του ποτενσιοµέτρου που είναι συνδεδεµένο στην θύρα Α του µικροελεγκτή Figure : Potentiometer schematic symbol

12 Σύνδεση µε τον Arduino για το παράδειγµα To ολοκληρωµένο ULNA είναι αντίστοιχο των ULN- Διπολικός βηµατικός κινητήρας Τα τυλίγµατα και η τοµή διπολικού κινητήρα. Ο ρότορας είναι µόνιµος µαγνήτης. Απαιτούνται δύο διαφορετικές τάσεις τροφοδοσίας. Για την παραγωγή κίνησης απαιτείται περιοδικά η αναστροφή της τάσης στα άκρα των τυλιγµάτων a-b και a-b Για την οδήγηση διπολικού κινητήρα χρησιµοποιούνται συνήθως H-Γέφυρες ώστε να αποφύγουµε την χρήση δεύτερης πηγής τροφοδοσίας διότι η εναλλαγή της φοράς γίνεται µε την ενεργοποίηση κατάλληλων τρανζίστορ Βήµατα οδήγησης διπολικού κινητήρα Κύκλωµα οδήγηση Διπολικού βηµατικού κινητήρα µε το ολοκληρωµένο LD και τον Arduino Διπολικός Μονοπολικός Ίδιο κύκλωµα οδήγησης, η µόνη αλλαγή είναι η ύπαρξη µεσαίων λήψεων στα πηνία που Vcc τοποθετούνται στην τάση οδήγησης του βηµ ατικού κινητήρα. Κύκλωµα οδήγησης Μονοπολικού βηµατικού κινητήρα µε το ολοκληρωµένο LD Είσοδοι από Arduino Διαµόρφωση οδήγησής τεσσάρων καλωδίων Vcc +V +V N, NE PACKAGE (TOP VIEW),EN ή A Y Y ή A V CC GN D V CC A Y Y A,EN +V A,EN A Y Y Pin Pin Pin Pin A,EN A Y Y Σε αυτό το κύκλωµα το EN είναι µόνιµα στα volts Ίδιο κύκλωµα µε αυτό του διπολικού κινητήρα απλά δεν υπάρχουν οι µεσαίες λήψεις στα πηνία ΒΒ και ΑΑ

13 Κύκλωµα οδήγηση Διπολικού βηµατικού κινητήρα µε το ολοκληρωµένο L από το motor shield Summary' Operating*Voltage* otor*controller* ax*current* Current*sensing* Free*running*stop*and*brake*function* Οι βηµατικοί κινητήρες και τα κυκλώµατα οδήγησής τους διαιρούνται σε δύο βασικές κατηγορίες στα διπολικά και στα µονοπολικά. Οι κινητήρες που διαθέτουν καλώδια σύνδεσης µε την τροφοδοσία είναι διπολικοί. V*to*V* LP,*Drives**DC*motors*or**stepper*motor* A*per*channel*or*A*max*(with*external*power*supply)*.V/A,*AD*converter*in*V*for*max*current*A* * * Function Direction Speed,(PW) Brake Current,Sensing Channel-A Digital Digital Digital Analog Το ρεύµα ρέει στα πηνία των διπολικών κινητήρων σε αµφότερες τις διευθύνσεις. Έτσι, απαιτείται κάθε φορά η αλλαγή της πολικότητας στα άκρα των τυλιγµάτων. Οι βηµατικοί διπολικοί κινητήρες µπορούν να συνδεθούν µε διάφορους τρόπους καθιστώντας τους έτσι πιο ευέλικτους από τους µονοπολικούς. Channel-B Digital Digital Digital Analog Οι διπολικοί κινητήρες διαθέτουν δύο τυλίγµατα και καλώδια για τη σύνδεση µε την τροφοδοσία (τα a, b, a, b). Σε αντίθεση µε τους µονοπολικούς κινητήρες δεν διαθέτουν µεσαία λήψη στο τύλιγµα. Επειδή δεν υπάρχει µεσαία λήψη στο τύλιγµα, το ρεύµα περνάει µέσα από ολόκληρο αντί µέσα από το µισό τύλιγµα παράγοντας έτσι µεγαλύτερη ροπή από αυτήν των µονοπολικών κινητήρων του ιδίου µεγέθους. Το µειονέκτηµά τους είναι η απαίτηση της χρησιµοποίησης πολυπλοκότερων κυκλωµάτων οδήγησης. #include <Stepper.h> #define STEPS // change this to the number of steps on your motor // create an instance of the stepper class, specifying // the number of steps of the motor and the pins it's // attached to Stepper stepper(steps,, ); int previous = ; // the previous reading from the analog input void setup() { stepper.setspeed(); // set the speed of the motor to RPs } Ως κυκλώµατα οδήγησης για την αλλαγή της πολικότητας στους ακροδέκτες χρησιµοποιούνται κυκλώµατα γνωστά ως γέφυρα H-bridge (Σχήµα.). void loop() Το ρεύµα ρέει µέσα από το αριστερό τύλιγµα όταν άγουν τα τρανζίστορ Q και Q ενώ τα Q και Q βρίσκονται σε αποκοπή. Η ροή του ρεύµατος στο ίδιο τύλιγµα αλλάζει φορά όταν άγουν τα τρανζίστορ Q και Q, ενώ τα Q και Q βρίσκονται σε αποκοπή. Ιδιαίτερη προσοχή χρειάζεται κατά την οδήγηση του κινητήρα, ώστε να µην έλθουν σε αγωγιµότητα ταυτόχρονα και τα τρανζίστορ. Με τον ίδιο τρόπο οδηγούνται τα τρανζίστορ Q, Q, Q και Q { int val = analogread(); // move a number of steps equal to the change in the // sensor reading stepper.step(val - previous); // remember the previous value of the sensor previous = val; } Διπολικός βηµατικός κινητήρας Τρόποι'σύνδεσης'και'διαφορές'στην'λειτουργία' Μονοπολικός'βηματικός'κινητήρας'/ Οι µονοπολικοί βηµατικοί κινητήρες αποτελούνται από δύο τυλίγµατα µε µεσαία λήψη. Αυτή η µεσαία λήψη είτε µεταφέρεται για κάθε τύλιγµα εξωτερικά ως καλώδιο σύνδεσης, είτε συνδέονται οι δύο µεσαίες λήψεις εσωτερικά και εξωτερικά µεταφέρεται ένα καλώδιο σύνδεσης. Έτσι, οι µονοπολικοί κινητήρες διαθέτουν είτε είτε αγωγούς σύνδεσης µε την τροφοδοσία. Συνήθως, συνδέονται τα άκρα των τυλιγµάτων διαδοχικά µε την τάση τροφοδοσίας και οι µεσαίες λήψεις σταθερά µε το µηδέν. Τα µονοπολικά κυκλώµατα οδήγησης µπορούν να στέλνουν ρεύµα διά µέσου των τυλιγµάτων µόνο σε µια διεύθυνση. Με τη χρησιµοποίηση µονοπολικών κυκλωµάτων οδήγησης επιτυγχάνονται υψηλότερες ταχύτητες. Οι µονοπολικοί κινητήρες διαθέτουν δύο τυλίγµατα σε έναν πόλο µε τέτοιο τρόπο ώστε όταν ενεργοποιείται το ένα κύκλωµα να δηµιουργείται ένας µαγνητικός βόρειος πόλος, ενώ όταν ενεργοποιείται το άλλο κύκλωµα δηµιουργείται ένας µαγνητικός νότιος πόλος. Η ροή του ρεύµατος διά µέσου ενός τυλίγµατος είναι πάντοτε η ίδια και δεν αλλάζει φορά. Με τον τρόπο αυτό απλουστεύεται το κύκλωµα οδήγησης. Όµως, η ροπή είναι κατά % µικρότερη από αυτήν του διπολικού τυλίγµατος. Στην πραγµατικότητα τροφοδοτείται κάθε φορά µόνο το µισό πηνίο του κάθε ενός τυλίγµατος του πόλου.

14 Σύνοψη Πλεονεκτήµατα και Μειονεκτήµατα βηµατικών κινητήρων Συνοψίζοντας, Οι βηµατικοί κινητήρες λειτουργούν σε ανοικτό βρόγχο, ενώ οι περισσότεροι κινητήρες συνεχούς DC λειτουργούν σε κλειστό βρόγχο Οι βηµατικοί κινητήρες ελέγχονται εύκολα µε µικροεπεξεργαστή, ή µε µικροελεγκτή. Όµως λογικά και ηλεκτρονικά κυκλώµατα οδήγησης είναι λίγο περίπλοκα. Επειδή δεν διαθέτουν καρβουνάκια, δεν σχηµατίζονται σπινθήρες και αιχµές τάσεις όπως στους αναλογικούς Η ακρίβειά τους περιορίζεται στο µέγεθος του βήµατος σε αντίθεση µε τους αναλογικούς κινητήρες Αν ένας βηµατικός κινητήρας υπερφορτισθεί µπορεί να µην αντιδράσει καθόλου και έτσι να µη γίνει αντιληπτό το σφάλµα αυτό λόγω του ανοικτού βρόγχου Οι κινητήρες DC έχουν ταχύτερη απόκριση συγκρινόµενοι µε τους Βηµατικούς κινητήρες Πλεονεκτήµατα των βηµατικών κινητήρων: Το σφάλµα δεν είναι συσωρευτικό. Παρέχουν σχετικά µεγάλη ακρίβεια κίνησης ακόµη και όταν πρόκειται για έλεγχο ανοικτού βρόγχου Ο έλεγχος είναι σχετικά φθηνός, αφού λόγω του ανοικτού βρόγχου δεν απαιτείται πρόσθετος εξοπλισµός όπως αισθητήρια και άλλα ηλεκτρονικά στοιχεία απαραίτητα για τον έλεγχο Δεν παρουσιάζουν σοβαρά προβλήµατα σταθερότητας ακόµη και σε ανοικτό βρόγχο Οδηγούνται πολύ εύκολα από µικροεπεξεργαστή/ µικροελεγκτή Μειονεκτήµατα των βηµατικών κινητήρων: Συγκρινόµενοι µε τους DC προσφέρουν χαµηλή ροπή Συγκρινόµενοι µε τους DC έχουν περιορισµένη ταχύτητα Λόγω της βηµατικής κίνησης παρουσιάζουν µεγάλες δονήσεις Αν χαθεί ένα βήµα µπορούν να προκύψουν µεγάλα σφάλµατα σε ανοικτό βρόγχο Είναι σχετικά ακριβοί Είναι πιο ογκώδεις