Archiwum - Stepper Motor System

Archiwum - Stepper Motor System

  W serwomechanizmach stosowanych w maszynach NC / CNC i robotach oraz innych maszynach stosowane są silniki elektryczne prądu stałego DC i zmiennego AC i silniki hydrauliczne. Pracują one zawsze z sensorem położenia w sprzężeniu zwrotnym pętli regulacji. Generalnie takie serwomechanizmy są skomplikowane i kosztowne.

Produkowane są silniki krokowe:

-Reluktancyjne to znaczy o zmiennej reluktancji. Laminowany stator ma wiele biegunów. Lity żelazny rotor też ma wiele biegunów. Przykładowo jeśli stator ma 4 pary biegunów czyli biegun co 45 deg a rotor trzy pary biegunów czyli biegun co 60 deg to silnik ma krok 15 deg.

-Z magnesem stałym. Laminowany stator ma wiele biegunów. Rotor jest ceramicznym cylindrycznym wielobiegunowym radialnym magnesem. Mankamentem jest trudność wykonania rotora o wielu biegunach. Silniki te mają duży krok.

-Hybrydowe o najlepszych wskaźnikach moc / moment do masy. W rozwiązaniu Philipsa opartym o rozprawę doktorską podwójny wielobiegunowy rotor na jednej osi jest żelazny a między dwoma statorami z prostymi cylindrycznymi cewkami umieszczono pierścieniowy magnes. W maszynie rozmiaru 23 przy 1000 krokach na sekundę moment obrotowy spada 80% wartości początkowej a przy 2000 kroków do 40%.

Nie są znane nazwiska odkrywców tych maszyn elektrycznych. W 1920 roku British Navy zastosowała reluktancyjne silniki krokowe we wskaźnikach na statkach.

Silnik hybrydowy powstał w latach pięćdziesiątych w koncernie General Electric.

O parametrach silnika krokowego decyduje projekt, energia magnesu ( jeśli jest użyty), indukcja nasycenia blach i ich stratność oraz dopuszczalna temperatura pracy uzwojenia i magnesu.

Współcześnie projekt optymalizuje się korzystając z komputerowych programów metody elementów skończonych FEM – Finite Element Methode.

N.B. Jakość blachy elektrotechnicznej przekłada się na parametry wszelkich maszyn elektrycznych. Transformatory z gorszej stali mają większe straty jałowe i obciążeniowe co ma duży wymiar ekonomiczny. Energia magnesu przekłada się ma parametry silników BLDC i silników synchronicznych. Technologia produkcji silnych magnesów z użyciem pierwiastków ziem rzadkich nie jest masowa.

Jednak dopiero masowo produkowane, tanie i dobre tranzystory i układy scalone dały silnikowi krokowemu dużą i ciągle rosnącą popularność.

N.B. Silnika krokowego z magnesem stałym można użyć jako sensora. Ale napięcie wyjściowe V jest proporcjonalne do szybkości obrotowej a przy powolnym obrocie wynik jest niejednoznaczny w części kroku.

W silniku unipolarnym każde pasmo ma podwójne uzwojenie z uwagi na łatwość skonstruowania układu sterowania. Przypomina to transformator przeciwsobnego końcowego wzmacniacza dwu lampowego w klasie B. Oczywiście z pojedynczymi uzwojeniami bipolarnymi silnik ma większy o circa 40% moment obrotowy i moc.

Produkowane silniki krokowe mają pełny skok 0.9-5 stopni.

Zalety serwomechanizmu z silnikiem krokowym:

-Niski koszt serwomechanizmu pracującego w otwartej pętli bez sensora położenia

-Prostota konstrukcji systemu i niezawodność nawet w ciężkich warunkach pracy

-Nie wymaga konserwacji

-Duży moment trzymający

-Duży zakres prędkości obrotowej

-Dostępność układów scalonych do budowy dobrego sterownika

Wady silników krokowych

-Mała sprawność

-Duży ciężar jak na osiągany moment obrotowy i moc

-Możliwość wypadnięcia z synchronizmu przy przeciążeniu statycznym i dynamicznym co może wymagać zastosowania sensora położenia niwelując zalety silnika krokowego

Wykres momentu obrotowego w funkcji częstotliwości skoków prototypowego innowacyjnego hybrydowego silnika krokowego Philipsa z 1980 roku rozmiaru Nema 23 o kroku 1.8 deg. Silnik jest użyteczny do 1000-2000 skoków na sekundę. W przeliczeniu na wagę silnik ma circa 10 razy większy moment niż krajowe silniki reluktancyjne EDS i ma dużo większą użyteczną częstotliwość taktowania. Do absorpcji energii z przepięć uzwojeń zastosowano dwie tanie diody o mocy 1.3W ponieważ zwykle stosowana jedna dioda jest tu niewystarczająca. Aby nie było problemu z równoległym łączeniem DZ diody przyporządkowano niezależnym grupom uzwojeń. Krótka specyfikacja krokowego silnika hybrydowego pokazuje że ma on znacznie lepsze parametry od silników reluktancyjnych. Zwraca uwagę stosunkowo wysokie napięcie 60V diod Zenera ograniczających przepięcia na wyłączanych uzwojeniach i tranzystorach.

-Spadający z prędkością moment obrotowy. Wadę tą można ograniczyć stosując odpowiednie sterowanie

-Efekt rezonansowy przy prostym sterowaniu pełnokrokowym zmniejszany pracą półkrokową, cwierćkrokową i w końcu mikrokrokową

-Konieczność użycia dodatkowego prostego sensora do oznaczenia położenia zerowego. Na przykład transoptora szczelinowego.

Zastosowania silników krokowych:

-Napędy pozycjonujące głowice dysków elastycznych i twardych dysków

-Napędy w odtwarzaczu Compact Disc

-Wszelkie drukarki, plotery i skanery do komputerów oraz faxy i inne urządzenia biurowe

-Sprzęt do nowoczesnych automatycznych laboratoriów

-Małe maszyny CNC a w tym napędy stołów X-Y do maszyn automatycznie montujących elementy elektroniczne na PCB i dydaktyczne roboty

-Napędy do przestawiania zaworów

-Testery gdzie napędy uczestniczą w podaniu kolejnych wyprodukowanych elementów do testera.

-Mikroskopy, medyczne pompy i inżektory, zautomatyzowane chromatografy.

Wszystkie te maszyny są skomputeryzowane.

Wszystkie zastosowania silników krokowych dotyczą nowoczesnej produkcji za duże pieniądze.

Maszyna CNC i robot przemysłowy sterowane są napisanym programem działania ze standardowymi kodami G. Dydaktyczny robot ( produkcji NEC ) jest więc bardzo przydatny do nauki programowania maszyn ! Z punktu widzenia programu pracy winien być identyczny do prawdziwego robota przemysłowego.

Przy sterowaniu unipolarnym uzwojeń silnika krokowego poziom ograniczenia przepięcia przy wyłączaniu tranzystora nie może być zbyt niski bo poskutkuje to spadkiem momentu obrotowego silnika przy zwiększonej prędkości. Zazwyczaj energie absorbuje dioda Zenera.

Philips tranzystorom mocy testowaną energie przebicia lawinowego podaje od niedawna, głownie tranzystorom Darlingtona.

Do sterowania unipolarnych silników krokowych chętnie stowane są wielokrotne tranzystory Dralingtona. Produkowane są w obudowach DIP wielokrotne tranzystory Darlingtona nazywane także „Drivers Actuators”. Układ ULN2065 zawiera cztery tranzystory Darlingtona 1.5A/50V w obudowie DIP16 pozwalającej rozproszyć większą moc niż standardowa obudowa. Układ zawiera cztery diody do ochrony przepięciowej. Wystarczy z zewnątrz dołączyć jedną diodę Zenera.

Użyteczne są w sterownikach małych silników krokowych jako wykonawcze tanie tranzystory BC337/327 w małej plastikowej obudowie TO92 o Ic=800mA które do prądu Ic=400mA mają duże wzmocnienie prądowe.

Tanie tranzystory BC639/640 także w obudowie TO92 mają Ic=1A a Uceo=80V ale niestety ich wzmocnienie prądowe jest mniejsze niż tranzystorów BC337 co ilustruje ogólną prawidłowość zmniejszenia wzmocnienia prądowego wraz ze wzrostem napięcia Uceo.

W sterowniku unipolarnym małego silnika przepięcia przy wyłączaniu tranzystorów może absorbować typowa, mała i tania dioda Zenera mocy 1.3W.

Drukarka ma drukować to co przysyła komputer. FDD i HDD wraz z systemem operacyjnym komputera mają zapisywać i odczytywać pliki z dysków. I tak dalej. Silnik krokowy jest małym elementem złożonego systemu wykonującego swoje zadania.

Wysokie ceny serwomechanizmów wynikały także z małej, niemasowej produkcji.

Gdy komputer PC stał się m.in. domowym komputerem produkowanym w milionach sztuk produkcje silników krokowych do komputerowych napędów FDD i HDD ( ale także ogromnie wzrosła produkcja drukarek komputerowych ) zautomatyzowano i mocno zoptymalizowano. Wysokiej jakości silniki krokowe stały się tanie.

Produkowane są już układy scalone do sterowania mikrokrokowego. Toteż próba konstruowania złożonego napędu mikrokrokowego w oparciu o standardowe układy scalone i elementy dyskretne jest tym samym co wyważanie otwartych drzwi.

Potrzeba i desperacja są matkami wynalazków.

Można uznać za pewnik że gdy przyjdzie czas na masową produkcje serwomechanizmów z silnikami asynchronicznymi i synchronicznym realizacja elektroniki tez stanie się trywialna i będzi sprowadzona głównie do stworzenia programu. Już obecnie produkowane są wydajne 16 bitowe mikrokontrolery (mają instrukcje w miarę szybkiego mnożenie) z przetwornikiem A/D i układami PWM m.in. do sterowania trójfazowego mostka mocy. Dostrzegany jest na króla energoelektroniki produkowany od kilku lat tranzystor IGBT.

Hewlett Packard już w dużej skali produkuje incrementalne sensory kąta stosujące scalony odbiornik HP z fotodiodami i elektronika do tarczy sensora i scalony interface do nich.

Pulsacje momentu i rezonanse silnika krokowego należy widzieć we właściwym kontekście. Suma kwadratów napięć i prądów i mocy w symetrycznym układzie trójfazowym jest stała i idealny silnik trójfazowy ma znikome pulsacje momentu.

Silnik synchroniczny ( z magnesami stałymi ) o trapezoidalnym ( to w rzeczywistości jest coś pośredniego między sinusoidą a trapezoidem ale bardziej trapezoidem ) napięciu liniowym nazywany jest zwodniczo BLDC – Bruss Less Direct Current czyli silnik bezszczotkowy prądu stałego. Trapezoidalny kształt napięć w maszynie BLDC uzyskuje się modyfikując kształty blach stojana. Silnik z reguły ma wbudowane trzy hallotrony podające układowi sterującemu położenie wirnika silnika. Silnik jest zasilany z mostka trójfazowego przełącznego sygnałami z hallotronów. W 60 stopniowych okresach obrotu wirnika prąd płynie jedną fazą od minusa i jedną od plusa. Szczególnie przy komutacji pulsuje moc dostarczana do silnika BLDC co powoduje pulsacje momentu napędowego. Czyli względna prostota układu sterującego okupiona jest pulsacjami momentu napędu z maszyną BLDC.

Silniki asynchroniczne zasilane są z tyrystorowych inverterów prądu ( a nie napięcia ) przełączanego między fazami co 60 deg. Pulsuje dostarczana do silnika moc i co gorsza zmienia się cyklicznie namagnesowanie rotora. Oczywiście taki regulowany napęd ma pulsacje. Zupełnie nie nadaje się do serwomechnizmu bo w szczególności nie może pracować z zerową prędkością.

Sterowanie półkrokowe, ćwierćkrokowe i w końcu mikrokrokowe zmniejszają pulsacje i rezonanse ale kosztem rozbudowy układu sterującego. Zatem problem trade-off ze sterowaniem silnika krokowego nie jest unikalny. 

 

Drukarka mozaikowa

W nowoczesnej japońskiej drukarce zastosowano dwa krokowe silniki unipolarne (PM i Hybrid ) sterowane pełnoskokowo z prostym i bardzo dobrym układem forsowania drogą podania podwyższonego napięcia.

Jeden silnik krokowy (Paper Feed) poprzez przekładnie zębatą napędza rolkę wysuwu papieru.

Drugi silnik krokowy ( Carriage ) czyli karetka poprzez przekładnie zębatą i pasek przesuwa przy drukowaniu karetkę czyli mozaikową - 9 igłową głowicę drukującą i szybko cofa ją z powrotem.

Drukarka ma w pamięci wystarczający w praktyce zestaw fontów. Druk zgrubny Draft jest szybki ale wysokiej jakości „rzeźbienie” jest znacznie wolniejsze.

Solenoidy głowicy drukującej są dla wydrukowania igłami jednego rządka załączane na czas 350 usec. Głowica zawiera termistor monitorujący temperaturę solenoidów. Gdy przekracza ona 115C po wydrukowaniu linii drukarka robi sobie 0.5 sekundową przerwę. Gdy temperatura przekroczy 125C drukarka po zakończeniu linii czeka aż głowica ostygnie poniżej 115C.

 Czterofazowy unipolarny silnik napędu Paper Feed z magnesami stałymi ( PM = Permanent Magnet ) ma 48 pulsów na obrót. Zapewnia on posuw papieru z szybkością do 2.8 cala na sekundę.

Przełączający unipolarne uzwojenia układ scalony TA2 zawiera 4 tranzystory Darlingtona NPN o prądzie Ic=4A i Uceo=60V. Tranzystory mają scalone diody Zenera między B-C do daje im zdolność absorpcji energii z wyłączanego uzwojenia silnika. Obszar SOA tranzystorów nie jest szeroki ale wystarczający do parametrów silnika. W układzie nie ma diod ograniczających przepięcie na wyłączanych uzwojeniach - tranzystorach. Zwykle do ograniczenia przepięć stosuje się cztery diody i diodę Zenera mocy.

Scalone tranzystory są sterowane poprzez oporniki wprost z portu mikrokontrolera.

Przy ruchu załączany jest portem mikrokontrolera tranzystor mocy PNP z układu TA1 podając zasilanie VH=24V a na postoju – trzymaniu jest zasilanie VL=4.4V ( 5V – Ud ) podane jest diodą D2. Jest to rozwiązanie o wiele lepsze niż stosowanie w szereg z uzwojeniami silnika rezystorów w których dodatkowo wydziela się duża moc.

N.B. Stosowanie zestawu scalonych tranzystorów Darlingtona staje się modne. Oszczędza się na powierzchni PCB i pracy maszyn montujących elementy na niej.

Hybrydowy, cztero – fazowy silnik Carriage ( 192 kroki na obrót ) zapewnia maksymalną szybkość drukowania Draft do 100 cps.

Poczwórne scalone tranzystory Darlingtona nie mają diod Zenera i dużej zdolności absorpcji energii z wyłącznych uzwojeń silnika krokowego. Równolegle do pełnych uzwojeń unipolarnych ( a nie do środka uzwojeń gdzie podaje się zasilanie) dano kondensatory 1 uF niepokazane na schemacie do silnika paper feed. Obecność kondensatorów tylko z tym silnikiem wynika z różnych rodzajów silników. Innych różnic w schemacie nie ma. Częściej spotyka się jednak dwójniki szeregowe RC niż same kondensatory.

Przy ruszaniu częstotliwość napięcia zasilnia silników stopniowo rośnie a przy hamowaniu stopniowo maleje według zasad sterowania czasooptymalnego natomiast podczas fazy drukowania częstotliwość czyli szybkość przesuwu karetki jest stała ale różna dla różnych rodzajów druków. Szybkość karetki jest dostosowana do rodzaju wykonywanego druku.

Jak widać napędy oba napędy mają własności serwomechnizmowe.

Transoptor transmisyjny detekuje położeni karetki w skrajnej lewej pozycji czyli Home Position.

Transoptor odbiciowy detekuje brak papieru.

Przełącznik detekuje położenie lewarka odsuwającego rolkę papieru.

Informacje z transoptorów i przełączników otrzymuje procesor i podejmuje adekwatne akcje.

Użyty do sterowania silników krokowych i głowicy igłowej-mozaikowej 8 bitowy mikrokontroler Mitsubishi z zewnętrznymi pamięciami Eprom i RAM to rozbudowany i ulepszony ( o UART, Serial I/O, 32 parallel I/O ports, A/D converter, Watchdog timer, VCU, 8 and 16-bit timers for real time tasks. Ma dodatkowe instrukcje m.in. mnożenia 8x8 i dzielenia 16/8 ) popularny kiedyś mikroprocesor MOS Technology 6502. Ma lepiej niż przeciętną wydajność w klasie 8 bitowej.

N.B. Rozbudowane peryferia i pamięci zajmują dużo więcej miejsca na chipie niż samo CPU. Jaki jest sens stosowania słabego 8 bitowego CPU ( zamiast 16 bitowego ) w tak rozbudowanym mikrokontrolerze ?

W wypadku niesprawności procesora ( lub utrata ścieżki logicznej programu lub błąd pamięci ) stwierdzonej Watchdogiem głowica drukująca i silniki są wyłączone co zabezpiecza je przed uszkodzeniem cieplnym.

Port Równoległy Centronix i głowica drukująca są dołączone do procesora przez Gate Array odciążającą odrobinę procesor choć prawdopodobnie chodzi też o utrudnienie skopiowania maszyny.

Opcjonalna płytka portu szeregowego RS-232C o szybkości do 19200 BPS ma własny procesor co raczej świadczy o tym że procesor sterujący silnikami i głowicą drukującą ledwo się wyrabia z zadaniami lub uczyniono tak dla sprzedaży dodatkowego nietaniego modułu.

Drukarka mozaikowa jest prosta na tle profesjonalnej i drogiej drukarki laserowej, która może mieć 6-8 silników ( w tym krokowe, komutatorowe i BLDC ) oraz solenoidy, 8 transoptorów i mikroswitchy.

N.B. Do popularyzacji mechanizm drukarki laserowej musi być uproszczony.

Drukarka laserowa stosuje zasadę procesu druku kserograficznego. Pierwszą komercyjną drukarkę laserową Xerox wypuścił w 1973 roku. W 1979 roku japoński Cannon wypuścił w miarę „tanią” drukarkę laserową. Od tego czasu drukarki są coraz lepsze i tańsze ale nadal bardzo drogie. HP LaserJet z 1984 roku kosztuje 3500 dolarów ważąc 32 kg. Obecni producenci: Xerox, Cannon, HP, Apple, IBM. Taniejące coraz wydajniejsze procesory i pamięci z pewnością obniżą ceny drukarek laserowych. Właściwie użyta w biurze drukarka laserowa wraz z odpowiednim programem edytora może wydrukować dużą seryjną korespondencje umieszczając na niej indywidualne adresy z bazy danych i indywidualne dane. Stąd nazwa grupy urządzeń Office Automation.

N.B. Czy Office Automation oraz popularyzacja sieci komputerowych i serwerów spowodują zmniejszenie ilości papierowych dokumentów. Raczej nie. Już ustawodawcy na świecie ( także w Polsce ) zadbają o komplikacje przepisów prawa i o to aby biurokraci i drukarki mieli co robić.

Przykład drukarki laserowej jest ilustracją tezy że na projektowaniu i produkcji rzeczy złożonych marze są wysokie a konkurencja niewielka.

Sterowanie silników krokowych w złożonych urządzeniach to tylko jedno z wielu zadań procesora czy nawet procesorów.

Polskie silniki krokowe i driver

Na podstawie wyników prac Instytutu Cybernetyki Stosowanej PAN produkcje reluktancyjnych silników krokowych EDS-10, 11, 12, 18, 20, 22 w Polsce uruchomiono na początku lat siedemdziesiątych w Zakładach Automatyki Przemysłowej w Ostrowie Wielkopolskim.

Silniki mają słabe parametry i już przy podjęciu produkcji były przestarzałe. Masa najmniejszego silnika wynosi 0.63 kg zaś największego 27 kg.

Unipolarnym pełno - krokowych driverem mocniejszych silników ( waga silnika od 4 kg ) z tej serii jest ADI-21C którego schemat pokazano poniżej. Prawdopodobnie kopiując stare obce rozwiązanie nie zauważono że przerzutniki typu JK S1 i S2 wraz z bramkami S4a i S4c tworzą przerzutniki D jakie dwa są w układach 74xx74 i CD4013 ! Z kolei bramki S3a i S3b oraz S4b tworzą dwie bramki EXOR jakie są w układach 74xx86 i CD4030. Wyjścia przerzutników (proste i zanegowane) sterują kluczami wyjściowymi. Zawsze załączone są dwa klucze.

Nie wiadomo dlaczego tak skomplikowane są klucze mocy sterujące uzwojenia i dlaczego nie dano do ograniczenia przepięć z wyłączanych uzwojeń diod Zenera mocy a tylko diody D9-12 co polepszyłoby parametry drivera z silnikiem. Musi być dodatkowo dołączony zewnętrzny opornik mocy Rd. Obudowa drivera do mocowania na ścianie ( obrys 240 x 293 mm , głębokość 153 mm) jest strasznie duża.

W kierunku „przód” w kolejnych krokach na wyjściach przerzutników są stany: 00, 10, 11, 01, 00... W kierunku w „tył” cofamy się w podanej sekwencji do tyłu. Są to kolejne liczby naturalne w kodzie Graya. Kod Graya jest charakterystyczny tym ze między kolejnymi liczbami jest różnica tylko w jednym bicie. Układ sterujący można wykonać z dwubitowego licznika rewersyjnego ( lub użyć dwóch pierwszych bitów z typowego scalonego licznika ) sterowanego sygnałami Krok - Clock i Kierunek – Up/Dn i bramką Exor przekształcić liczbę naturalną z licznika w kod Graya. W przypadku sterowania całokrokowego nie ma to sensu ale przy sterowaniu półkrokowym, ćwierćkrokowym... idea może pomóc wykonać układ sterujący.

Gdy sygnały pełnokrokowe do kluczy silnika unipolarnego generuje mikrokontroler, przy deficycie portów, wystarczą dwa sygnały tak jak Q1,Q2 z przerzutników D a pozostałe dwa zanegowane sygnały /Q1, /Q2 uzyskujemy dwoma inwerterami.

Napędy Dysków komputerowych

Zasadniczą wadą tanich 8 bitowych domowych mikrokomputerów Apple, Commodore, Atari, Amstrad, ZX Spectrum jest użycie magnetofonu kasetowego z kasetą jako pamięci masowej.

Zewnętrzna przystawka do dysku elastycznego jest okropnie droga i mikrokomputer z tą przystawką mocno różni się od oryginału bowiem ma faktycznie inny, dyskowy system operacyjny.

Prosty system operacyjny mikrokomputerka zintegrowany z interpreterem Basica obsługuje magnetofon ( operator musi mechanicznie operować zwykłym magnetofonem ), klawiaturę i generator obrazu dla TV lub monitora i generator dźwięku. Oczywiście mikrokomputer z dyskiem jest inną jakością niż z magnetofonem.

Przystawki do dysków są wykonane na udanym skomplikowanym układzie rodziny NEC uPD765 z 1978 roku ( pierwszy układ ) w obudowie DIP40 czyli takie samej jak procesory 8086 /8088 do komputera PC XT i mają niewiele mniej ( 26K ) tranzystorów niż procesory ( 29K ).

Nonsensem jest sytuacja gdy adapter dysku uPD765 ma 5 razy tyle tranzystorów co przestarzały 8 bitowy procesor wymienionych komputerków.

W komputerze PC operacje odczytu i zapisu dysku wykonuje w kooperacji procesor programem z BIOS-u (Basic Input Output System), karta adaptera z układem uPD765 i napęd czyli drive. Karta rozszerzenie - adaptera i drive dysku mogą być i najczęściej są różnych producentów. Program BIOS-u stosuje się do standardów organizacji danych na dysku elastycznym. Rodzaj ( czyli parametry ) konkretnego napędu dysku A,B,C... zapisany jest w małej pamięci RAM z bateryjką. Samą organizacją danych na dysku tu się nie zajmujemy ! Procesor-program BIOS zapisuje w rejestrach układu uPD765 parametry rozkazu do wykonania oraz jeśli będzie odczyt lub zapis danych ( system operacyjny rezerwuje i wskazuje obszar pamięci operacyjnej RAM do odczytu / zapisu danych ) konfiguruje rejestry współpracującego układu DMA ( Direct Memory Acces) czyli bezpośredniego dostępu do pamięci. Powyżej pokazano układ uPD765 w systemie hardwaru komputera.

Karta adaptera do drivu ( napędu ) podaje sygnały STEP i DIRECTION i LOW CURRENT czyli Krok i Kierunek i Mały Prąd dla drivera silnika krokowego. LOW CURRENT ma podawać mniejsze napięcie do silnika krokowego w bezruchu aby się niepotrzebnie nie nagrzewał. Czasem sygnał nie jest on w drivie używany. Sygnały te wytworzone są prostymi bramkami dekodera z sygnałów z układu uPD765. Dlaczego układ uPD765 sam nie wytwarza sygnałów do drivu – bo obudowa DIP40 na to nie pozwala bo ma za mało pinów! Mankamentem uPD765 jest konieczność użycia zewnętrznego separatora danych ( kod kanałowy MFM lub FM ) i pętli PLL odtwarzającej zegar podstawy czas. Początkowo system taki tworzono na układach TTL ale obecnie został już scalony w małym układzie.

W drivie ( napędzie FDD typu 1 w IBM PC ) sygnały STEP i DIRECTION podane są do prostego pełnokrokowego unipolarnego sterownika na układach TTL 74LS86 ( oznaczenie na schemacie 4C) i 74LS30 ( na schemacie 5D) czyli przerzutników D i bramek Exor.

Fragment schematu FDD komputera IBM PC z dokumentacji IBM. Sygnał STEP jest doprowadzony do wejść zegarowych C obu przerzutników D typu '74 a sygnał DIR do połączonych wejść bramek EXOR '86. Wyjścia przerzutników D sterują najprostszymi driverami 75462, które bywają zastępowane tranzystorami. Przerzutniki D po podaniu zasilania są ustawione w stan wyjściowy wejściami Reset prostym układem Reset aby uniknąć drobnego ruchu silnika bowiem silnik winien być poprzednio „zaparkowany” w takim stanie jak Reset. Logika pełnokrokowego sterowania unipolarnego jest w istocie taka sama jak przykładowym krajowym sterowniki AD-21.

Sygnały z przerzutników D sterują dwoma najprostszymi podwójnymi driverami 75462 ( 400mA/35V, na schemacie 4D i 4E ) w obudowie DIP8 lub w innym wykonaniu rezystorami cztery tranzystory w małych plastikowych obudowach TO92. Zawsze w czasie pracy załączone są dwa klucze z czterech. Cztery diody i szeregowy rezystor 150 Ohm ograniczają przepięcia przy wyłączaniu kluczy. Cały driver silnika krokowego zajmuje circa 14 cm2 powierzchni płyty drukowanej PCB drivu.

Poinstruowany programem układ uPD765 m.in. wybiera jeden z czterech napędów FDD i stronę dysku. Otrzymywany z drivu sygnał TRACK 0 ( wytworzony transoptorem ) oznacza ustawienie głowicy nad najbardziej zewnętrzną, zerowa ścieżką.

Obecnie nowocześniejszy adapter do komputera PC ( poprawiona dokumentacja IBM jest oryginalnie z 1981 roku a więc nie jest nowoczesna w skali czasu komputerów ) obsługuje napędy-drivy dysku elastycznego FDD i i drivy dysku twardego HDD. Jest to najbardziej skomplikowany i najdroższy adapter do komputera PC. Dysk „twardy” jest o wiele szybszy od elastycznego i bardziej pojemny. W nowszych dyskach HD używa się lepszego, bardziej wydajnego z Hz pasma, kodu kanałowego niż MFM i FM. Niemniej układ WD2010 to ulepszony i rozbudowany układ uPD765.

Twardy dysk, chociaż jest drogi, daje użytkownikowi komfort pracy z komputerem PC.

W oryginalnym PC IBM HDD o małej pojemności 10 MB stosowano pracę półkrokową krokowego silnika bipolarnego pozycjonującego głowice.

Napęd HDD w nowszym adapterze obsługuje układ koncernu Western Digital WD2010. Pozycjonowanie głowic w napędzie HDD wykonuje silnik krokowy. Skąd taka różnica w czasach dostępu - działania napędu FDD i HDD ? Silnik krokowy w HDD sterowany jest obecnie mikrokrokowo ( dawniej półkrokowo) i bipolarnie według trajektorii czasooptymalnej. Sterownik silnika krokowego w HD w odróżnieniu od FDD jest bardzo skomplikowany. Układ WD2010 tak samo jako uPD765 generuje sygnały STEP i DIRECTION ale w napędzie są one podane do mikrokontrolera ( na przykład Motorola 6503 a najczęściej tylko oznaczonego kodem cyfrowym nie pozwalającym ustalić co to jest ) i program mikrokontrolera wraz z hardwarem zapewnia prace mikrokrokową silnika krokowego. Mikrokontroler generuje trajektorie czasooptymalną stopniowo rozpędzając i hamując silnik krokowy tak aby nie wypadł z synchronizmu i jak najszybciej osiągnął zadaną pozycje. Praca mikrokrokowa bardzo mocno zmniejsza też szkodliwe rezonanse silnika. System jest skomplikowany ale dzieki integracji względnie prosty w budowie.

Literatura.

IBM Personal Computer Hardware Reference Library. Technical reference. Revised edition April 1983

Appendix zawiera kompletne schematy elementów komputera. Na stronie D-59...61 jest schemat FDD typ 1 ze sterownikiem silnika krokowego.

Niestety kserokopia w posiadaniu autora nie jest dobrej jakości.

Elementy komputerów PC produkują obecnie głownie inne firmy niż IBM. Udostępnienie przez IBM szczegółowej dokumentacji z omówieniami ( w tym BIOS-u ) było przyczyną ogromnej popularyzacji komputerów PC. Intel w kolejnych procesorach ( 8086, 8088, 80286 i 80386 oraz 80186/188) dodaje nowe instrukcje i funkcjonalności zachowując zgodność ze starszymi procesorami. Tego samograja od trzech dekad eksploatuje IBM w rodzinach komputerów 360, 370, 3080 i Hewlett Packard. Oczywiście nowy procesor bez zachowania zgodności ze starszymi były szybszy i tańszy ale Intel z pewnością zgodności nie porzuci bo byłby to szalony błąd.

Dominacja PC i standaryzacja interfejsów - komunikacji ułatwi zadanie komunikacji z różnymi maszynami stosującymi m.in. silniki krokowe.

Komputery IBM od zawsze pracowały w sieciach. W dokumentacji jest schemat i omówienie karty do sieci SDLC (Synchronous Data Link Control) z protokołem HDLC – IBM oraz cały rozdzial Communication. SDLC się nie popularyzuje w komputerach PC bowiem IBM żąda opłaty royalties. Postęp jest nieunikniony i komputery PC będą maszynami sieciowymi z sieciowym Systemem Operacyjnym.

Praca mikrokrokowa

Suma kwadratów symetrycznych napięć trójfazowych i napięć układu kwadraturowego w każdej chwili jest stała. Stała jest więc dostarczana moc do silnika trójfazowego i dwufazowego.

Do programowego lub sprzętowego wytworzenia sygnału sinusoidalnego ( po rozbudowie kwadraturowego ) stosuje się prosty algorytm. Co stały odcinek czasu do akumulatora fazy ( zmienna w programie lub sprzętowy akumulator DDS ) dodaje się przyrost fazy oczywiście proporcjonalny do generowanej częstotliwości. Wartość w akumulatorze fazy jest ograniczona do 360 stopni jako że funkcje Sinus i Cosinus są okresowe. Fazę z akumulatora podaje się do tablicy ROM z wartościami funkcji Sin i dalej do przetwornika cyfrowo – analogowego D/A. Aby otrzymać czystą napięciowo sinusoidę trzeba zastosować filtr dolnoprzepustowy za przetwornikiem D/A ale w zastosowaniu do silników krokowych nie jest to potrzebne.

Przy realizacji mikrokontrolerem przerwanie i wyliczenie fazy jest do ca 5 KHz a w realizacji sprzętowej akumulatora nawet 200 MHz.

W sterowniku silnika krokowego mikrokontroler wartości Sin i Cos wymaganych prądów podaje przetwornikom D/A skąd sygnał jest podany do modulatorów i mostków H inwerterów PWM sterujących uzwojenia bipolarnego silnika krokowego.

Udane scalone układy wzmacniaczy PWM do mikrokrokowego bipolarnego sterowania silników krokowych produkuje szwedzki Erickson. Poniżej pokazano schemat wewnętrzny układu PBL3771.

Z prawej strony są dwa mostki mocy H do sterowania dwóch uzwojeń silnika krokowego.

Z lewej strony pokazano generator RC częstotliwości nośnej PWM okresowo załączający klucze mostków H po przekątnych według sygnałów binarnych Phase1 i Phase2 dyktującym znak prądu w uzwojeniach.

W momentach gdy prądy uzwojeń mierzone na rezystorach na dole mostków H przekroczą wartości zadane prądów podane z przetworników D/A sygnałami Vr1 i Vr2 zadziałają komparatory resetując przerzutniki RS i wyłączając na resztę okresu PWM dolne tranzystory mostków H. Regulacja prądu jest prosta i niskiej jakości ale wymagania ogólnie nie są wysokie.

Aplikacja układów jest bardzo prosta.

Ośmiobitową zadaną wartość prądu mikrokontroler musi podać przetwornikom D/A i układowi PBL3771 w kodowaniu Znak-Moduł. Transkodowanie z systemu U1 lub U2 ( uzupełnienie do 2 ) na Znak/Moduł jest bardzo proste. Znaki prądów są wprost podane do układów sterowników PBL3771 a moduł prądu do prostego 7 bitowego unipolarnego przetwornika D/A.

Specjalnie do driverów silników krokowych produkowane są podwójne 7 bitowe przetworniki D/A. Układy takie o kodowym oznaczeniu spotykane są w driverach HDD. Z pewnością będą wyrobem rynkowym.

Scalone sterowanie mikrokrokowe i scalone sterowanie silnikiem obracającym talerz HDD przyczyniły się do miniaturyzacji i tanienia HD a wraz z masową produkcją do dalszego potanienia.

Realizacja takiej funkcjonalności mikrokrokowej standardowymi układami scalonymi i elementami dyskretnymi byłaby nadmiernie skomplikowana i stąd masowa praca mikrokrokowa pojawiła się wraz z odpowiednimi układami scalonymi. Wydajność prądowa scalonych sterowników nie jest jednak duża.

Zamiast przetworników D/A można wygenerowane przez mikrokontroler sygnały PWM odfiltrować dolnoprzepustowo uzyskując analog przetworników D/A. Sygnał PWM wygenerowany programem i sprzętem mikrokontrolera może wprost sterować mostkami mocy H.

Jednak w HDD pozycjonowanie głowic mechanizmem z silnikiem krokowym nie jest przyszłościowe. Znacznie lepsze rezultaty daje stosowana od ponad 20 lat Voice Coil ale zastosowanie tej idei w HDD do komputera PC wymaga opracowania odpowiednich układów scalonych bowiem tradycyjna realizacja zawiera za dużo elementów. Silnik krokowy w HDD wydaje się być technologią przejściową.

Praca półkrokowa, ćwierćkrokowa...

Normą jest szerokie stosowanie rozwiązań mainstream-owych czyli głównego nurtu. Mainstream oznacza konsensus wokół popularnej potrzeby i sposobu jej rozwiązania. W elektronice oznacza po prostu scalenie potrzebnej funkcjonalności.

Komputery wykonuje się obecnie na wydajnych mikroprocesorach ale produkuje się jeszcze „szybkie” komputery mainframe i minikomputery na układach ECL mimo iż procesor na setkach układów jest niewiele szybszy od najnowszych, najmocniejszych mikroprocesorów. Mikrokomputer PC AT z koprocesorem jest szybszy od krajowego RIAD 32 czyli IBM 360/50 zajmującego całą hale.

Sterowania półkrokowe, ćwierćkrokowe... się generalnie szeroko nie przyjęły także dlatego że scalono znacznie doskonalsze sterowanie mikrokrokowe.

W HDD pierwszych komputerów PC zastosowano półkrokowe sterowanie bipolarne silnika krokowego. Drive ma cztery takie półmostki. Sygnał idący do inveterów i bramki NAND o wartości jeden załącza dolny klucz półmostka. Sygnał ten o wartości 0 załącza górny klucz – tranzystor który ma w kolektorze rezystor zmniejszający prąd silnika o wartości 20 Ohm. Po dodatkowym podaniu sygnału idącego tylko na bramkę NAND załączany jest górny tranzystor bez opornika. Wartość pośrednia prądu silnika uzyskana szeregowymi rezystorami 20 Ohm jest mało stabilna.

Mający drugich producentów układ Erickson PBL3717 realizujący sterowanie półkrokowe zawiera jeden mostek H sterowany modulatorem „PWM” stabilizującym prąd ( Comparator Input) płynący opornikiem pomiarowym z mostka H do GND a z wyjść mostka do uzwojenia silnika. Kolejne wartości tego prądu dla sterowania półkrokowego wybiera się sygnałami logicznymi I0 i I1 ( jak gdyby przetwornik A/D ), które po dekodowaniu wybierają odpowiedni komparator. Do wejść komparatorów napięcia podano z drabinki rezystorów zasilanej z zewnątrz napięciem na pinie REF. Mikrokontroler lub dodatkowy układ logiczny muszą więc dodatkowo generować sygnały I0 i I1 ustalające stabilizowaną wartość prądu.

Znak prądu wyjściowego dyktuje sygnał PHASE. Każdy silnik wymaga więc dwóch tych układów jako że układ ma tylko jeden mostek H.

Cudzysłów w „PWM” oznacza brak stałej częstotliwości modulacji. Po przekroczeniu zadanej wartości prądu wybrany komparator aktywuje przerzutnik monostabilny „Monostable” blokujący na czas określony wartościami zewnętrznych elementów RC dołączonych do pinu „Pulse Time” dolne tranzystory mostka wyjściowego H. Im większy jest zadany prąd tym niższa jest częstotliwość modulacji co może spowodować uciążliwe zakłócenia akustyczne gdy częstotliwość mocno spadnie wchodząc w zakres dużej czułości ucha ludzkiego. Taka regulacja prądu jest dynamicznie stabilna ale oczywiście mało dokładna co w tym zastosowaniu nie jest jakąś dużą wadą.

Program

Według twierdzenia Shannona sygnał o paśmie F można bez utraty informacji równomiernie w czasie spróbkować z częstotliwością większa od 2F. Ponieważ funkcja sinc potrzebna do rekonstrukcji sygnału z jego próbek jest nierealizowalna filtrem dolnoprzepustowym sygnał oczywiście próbkujemy gęściej. W standardzie CD sygnał akustyczny o paśmie do 20 kHz jest próbkowany zaledwie z częstotliwością 44.1 KHz co wymaga użycia wyrafinowanych ( filtr FIR 192 stopnia ) filtrów antyaliasingowych i rekonstrukcyjnych.

Nierównomierne w czasie próbkowanie sygnału lub nierównomierne podawanie go poźniej do przetwornika D/A czyli jitter daje zniekształcenia sygnału i szumy.

Stąd w systemach gdzie próbkuje i przetwarza się sygnały analogowe momenty próbkowania sygnału i podania do przetwornika D/A są ściśle wyznaczone przez zintegrowane układy licznikowe natomiast procesor DSP przerwaniem informowany jest o konieczności odebrania próbki z bufora przetwornika A/D i konieczności wysłania kolejnej próbki sygnału do buforowanego przetwornika D/A.

Od razu widać ze generacja sygnału sterującego dla silnika krokowego przez procedurę inicjowaną zegarem via przerwanie ma jitter tym większy im różne są czasy wykonania - dokończenia instrukcji (zwłaszcza dzielenie i mnożenie) przez przerwany program. Problem jest tym poważniejszy im wyższa jest częstotliwość generowanych sygnałów. Maksymalne szybkości pracy silników krokowych rosną ale szybko rosną też częstotliwości taktowania procesorów.

Generalnie konstrukcja szybko reagującego wielozadaniowego programu czasu rzeczywistego nie jest prosta. W drukarce przerwanie w mikrokontrolerze do obsługi głowicy drukującej i silników krokowych ma najwyższy priorytet. Pozostałe procedury obsługi systemu I/O inicjowane swoimi przerwaniami muszą być jednak wykonane tak żeby przerwanie wysoko-priorytetowe nie wywołało w nich błędów. W szczególności kłopotliwe mogą być tak zwane fazy krytyczne programu.

Paradoksalnie najłatwiejszy jest program do pracy mikrokrokowej silnika ale wymaga wydajnego mikrokontrolera. Przerwanie od licznika co >10KHz wylicza omówionym algorytmem próbki zadanych prądów Sin – Cos dla przetworników D/A wszystkich wzmacniaczy PWM silników krokowych. Oczywiście przyrosty fazy proporcjonalne do prędkości silników krokowych są różne dla każdego silnika i wyliczane algorytmami realizującym cel pracy maszyny.

Przy sterowaniu pełnokrokowym każdemu silnikowi przyporządkowany jest licznik i przerwanie mikrokontrolera. Obsługa przerwania tylko zmienia stany portów według sekwencji. Funkcja jest trywialna i szybka w realizacji. Natomiast program realizujący cel pracy maszyny ładuje do liczników silników liczbę – czas ( w skali ) trwania kroków silnika.

Oczywiście współczesne silniki krokowe stopniowo przyśpieszają i stopniowo hamują aby nie wypaść z synchronizmu. Trajektoria minimalno - czasowa musi mieć margines aby system nie był wrażliwy.

Praktycznie zawsze położenie zerowe napędu z silnikami krokowymi jest detekowane transoptorem szczelinowym. Mając pamięć nieulotną można przy wyłączeniu maszyn zapisać ostatnie współrzędne położenie napędów.

Normalnie głowica w załączonej drukarce igłowej powinna być na początku linii. Domyślne położenie spoczynkowe występuje prawie w każdej maszynie. Program poszukując położenia zerowego winien silnikiem krokowym operować bardzo wolno aby móc go natychmiast zatrzymać.

Napędy FDD i HDD oraz drukarki ulegają uszkodzeniem i rzadko są naprawiane. Stąd z demontażu pojawia się coraz więcej silników krokowych. Ilość ta będzie wzrastać. W zachodnich sklepach dla serwisów i majsterkowiczów silniki krokowe już można kupić za grosze. Zachęci to sporo osób do eksperymentów z silnikami krokowymi i stosowania ich w prototypach i maszynach jednostkowych.

Jako PDF https://drive.google.com/open?id=14qkvk7BSHPAAhaUWsFcj5UItp8wsWEaQ