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