2059 Sterownik silnikow krokowych do napedu modeli.pdf

rojekty AVT

VVT

2059

Sterownik

silników krokowych

do napędu modeli

Ci spośród Czytelników, którzy

łaskawie zechcieli przeczytać artykuł

na temat programowalnego

sterownika do zabawek (AVT−2047)

z pewnością byli zawiedzeni

brakiem propozycji rozwiązań

mechaniki, lecz autor do niedawna

nie był całkowicie pewien, czy uda

mu się do końca zrealizować swoje

plany i czy elektryczny układ

napędowy do modeli nie

wymagający stosowania przekładni

mechanicznej rzeczywiście

powstanie. Obecnie stało się to

faktem: urządzenie takie zostało

skonstruowane, przetestowane i za

chwilę jego opis przekażemy

Czytelnikom.

Wyjaśnijmy sobie jednak od razu pew−

ne sprawy: pojazd skonstruowany z wy−

korzystaniem nowego rodzaju napędu

nie będzie (jak na razie) przeznaczony do

bicia rekordów prędkości w kategorii

modeli z napędem elektrycznym. Nie bę−

dzie to także (jak na razie) pojazd tereno−

wy, pokonujący z pełnym obciążeniem

wszelkie nierówności terenu. Modelarze

interesujący się tego rodzaju konstruk−

cjami od dawna wiedzą, jaki napęd mają

zastosować, i mają do dyspozycji silniki

elektryczne o mocach setek watów wraz

z odpowiednimi przekładniami, wszystko

to za odpowiednio wysoką cenę. Nato−

miast proponowany układ napędowy

przeznaczony jest do skonstruowania po−

jazdu, który “więcej będzie miał w gło−

wie niż w mięśniach”. Będzie to rucho−

ma platforma doświadczalna przeznaczo−

na do przeprowadzania efektownych

eksperymentów z różnymi układami ste−

rowania i automatyki. W zamian za re−

zygnację (jak na razie) z osiągania wiel−

kich prędkości otrzymamy wręcz niewia−

rygodną precyzję manewrów, bezszeles−

tną pracę układu napędowego i łatwość

dołączania do niego dowolnych elektro−

nicznych układów sterujących, poczyna−

jąc od prostego sterownika “na kablu”

a kończąc na sterowaniu za pośrednict−

wem komputera z obustronnym przesy−

łaniem informacji. Tak więc rozpoczyna−

my nowy rozdział w konstruowaniu zaba−

wek edukacyjnych − napęd mechaniczny

już mamy!

Tym nowym (w konstrukcjach ama−

torskich, oczywiście) rodzajem napędu

jest silnik skokowy, zwany popularnie

krokowym. Jest to urządzenie znane od

dawna i powszechnie stosowane. Jeżeli

ktoś z Czytelników posiada w domu

komputer PC, to jest jednocześnie posia−

daczem co najmniej czterech takich silni−

ków, stosowanych w napędach dysków

twardych i elastycznych. W każdej dru−

karce, ploterze (to temat na przyszłość −

ploter i digitizer amatorski) także znajdu−

ją się co najmniej po dwa takie silniki.

Stosowanie silników krokowych w kon−

strukcjach amatorskich było do niedaw−

na ograniczone ich bardzo wysoką ceną.

Obecnie, przy masowej produkcji, cena

ta znacznie zmalała, a ponadto do na−

szych celów doskonale nadają się silniki

starszej generacji, wycofywane już z pro−

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 10/96

rojekty A

Projekty A

Projekty A

rojekty AVT

VVT

cewki. To co już wiemy o silniku kroko−

wym wystarcza do skonstruowania pros−

tego sterownika i zainstalowania układu

w modelu. Z ciekawości i myśląc o kolej−

nych projektach przeanalizujmy jeszcze

dwie sytuacje.

Co się stanie jeżeli prąd będzie płynął

jednocześnie przez dwie sąsiadujące ze

sobą cewki? To oczywiste: magnes usta−

wi się dokładnie pomiędzy tymi cewka−

mi. Wynika z tego, że ilość kroków silni−

ka możemy kosztem minimalnej kompli−

kacji układu sterującego dwukrotnie

zwiększyć.

Kolejne pytanie: co będzie jeżeli dwie

sąsiednie cewki będziemy zasilać prą−

dem o różnej wartości, a konkretnie cią−

gami impulsów o zróżnicowanym wypeł−

nieniu? I znowu odpowiedź jest prosta:

wirnik ustawi się pomiędzy cewkami

w odległości proporcjonalnej do średniej

wartości prądu płynącego przez każdą

z nich. A zatem mamy kolejne spostrze−

żenie do wykorzystania w przyszłych

konstrukcjach: ilość kroków silnika mo−

żemy praktycznie dowolnie zwiększać

i ustawiać jego wirnik w dowolnym poło−

żeniu z precyzją nieosiągalną dla innych

silników.

Silnik krokowy może także zostać

unieruchomiony w dowolnym kroku

przez włączenie zasilania jednej z cewek

na stałe. Umożliwia to w zastosowaniu

do napędu modeli skuteczne hamowanie

pojazdu.

Jeżeli do tych spostrzeżeń dodamy

fakt, że silnik krokowy może doskonale

pracować “w drugim kierunku”, działając

jako prądnica i umożliwiając śledzenie je−

go poruszeń przez układy elektroniczne,

to zobaczymy, jak wartościowym urzą−

dzeniem może być ten prosty mecha−

nizm. W dodatku jest on praktycznie nie−

zniszczalny, nie posiada bowiem żad−

nych elementów zużywających się pod−

czas pracy.

Powyższy opis dotyczył silnika kroko−

wego o najprostszej konstrukcji, wypo−

sażonego w cztery uzwojenia. Silniki ta−

kie były stosowane w stacjach dysków

elastycznych starszej generacji i obecnie

są bardzo tanie i w miarę łatwo dostęp−

ne. Istnieją także inne typy silników kro−

kowych wyposażonych w dwa uzwoje−

Silnik krokowy.

Rys. 1. Zasada działania silnika

krokowego.

nia. Aby taki silnik wprawić w ruch, ko−

nieczne jest przełączanie biegunowości

zasilania cewek, co w oczywisty sposób

zwiększa komplikacje elektronicznego

układu sterującego. Ponadto silniki takie,

nowocześniejsze i znacznie sprawniej−

sze, są także znacznie droższe. Do naszej

pierwszej konstrukcji i do eksperymen−

tów z silnikami krokowymi wykorzysta−

my zatem silnik najtańszy i najprostszy.

Jest to silnik wykorzystywany do przesu−

wania głowicy w stacji dysków elastycz−

nych 360kB.

Sterownik silnika

Opracowując sterownik silnika,

a właściwie dwóch silników krokowych,

postawiliśmy sobie następujące założe−

nia konstrukcyjne:

1.Układ musi umożliwić sterowanie

dwoma silnikami krokowymi zapew−

niając zmianę kierunku ich obrotów

i zatrzymywanie. Każdy z silników ma

być sterowany niezależnie.

2.W celu uproszczenia układu regulacja

prędkości obrotowej może być wspól−

na dla obu silników.

3.Układ musi współpracować z opisa−

nym uprzednio programatorem do za−

bawek, umożliwiając stworzenie kom−

pleksowego systemu sterowania mo−

delami pojazdów kołowych.

4.Układ musi być maksymalnie prosty

i tani, a jednocześnie posiadać walory

edukacyjne.

Schemat proponowanego sterownika

przedstawiony został na rysunku 2

rysunku 1 przedsta−

wiono w poglądowy sposób zasadę jego

działania. Rysunek ten niewiele ma

wspólnego z rzeczywistym wykonaniem

silnika i jego zadaniem jest wyłącznie po−

moc w zrozumieniu zasady działania sil−

nika krokowego. Rzeczywisty wygląd

rozmontowanego silnika krokowego po−

kazano na fotografii.

Na rysunku wirnik silnika przedstawio−

no w postaci pojedynczego magnesu,

a stojan jako krąg cewek ułożonych wo−

kół niego. Zgodnie z zasadami fizyki prze−

pływ prądu przez pierwszą cewkę spo−

woduje wytworzenie się wokół niej pola

magnetycznego i ustawienie się rucho−

mego magnesu zgodnie z kierunkiem te−

go pola. Kolejne włączanie cewek spo−

woduje obracanie się wirnika z szybkoś−

cią uzależnioną od częstotliwości przełą−

czania cewek. Już w tym momencie

spostrzegamy jedną z najważniejszych

zalet silników krokowych: dla silnika ta−

kiego nie istnieje pojęcie najmniejszej

prędkości obrotowej, przy której jest on

jeszcze w stanie osiągnąć sensowny

moment obrotowy. Silnik taki może obra−

cać się praktycznie dowolnie wolno,

oczywiście skokami (nie zawsze, niektó−

re nowoczesne sterowniki umożliwiają

sterowanie silnika sygnałem sinusoidal−

nym). Prędkość obrotową takiego silnika

możemy łatwo zmieniać i stabilizować

z dowolną precyzją za pomocą niezbyt

skomplikowanego układu elektroniczne−

go. Dzięki zastosowaniu sterowników

elektronicznych, także zmiana kierunku

obrotów silnika nie jest problemem − po

prostu zmieniamy kierunek cyklicznego

włączania prądu płynącego przez kolejne

rysunku 1

rysunku 2.

Analizę schematu rozpoczniemy “od

końca” − od stopnia mocy sterującego

silnikami. Jak wiemy, do wprawienia sil−

nika krokowego w ruch potrzebne jest

cykliczne włączanie prądu w kolejnych

jego uzwojeniach. Jeżeli wiec wspólne

końce uzwojeń dołączymy do plusa zasi−

lania, to wolne ich końce muszą być

zwierane do mas. Najprościej byłoby

wiec użyć odpowiedniej ilości tranzysto−

rów mocy właściwej dla danego typu sil−

nika. Takie rozwiązanie byłoby jednak

dość kosztowne i znacznie zwiększyłoby

wymiary płytki obwodu drukowanego.

Tak więc zastosujemy wprawdzie osiem

tranzystorów, osiem rezystorów ograni−

czających prąd bazy i tyleż diod zabezpie−

rysunku 2

Silnik krokowy.

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 10/96

rojekty A

dukcji, które można nabyć za bezcen na

wyprzedażach. Silnikami krokowymi

warto się zająć jeszcze z innego powodu.

Zdaniem autora jest to bowiem najbar−

dziej przyszłościowy rodzaj napędu

wszelkiego rodzaju pojazdów.

Opis układu

Czym właściwie jest taki silnik kroko−

wy i jak działa? Na rysunku 1

rojekty AVT

VVT

Rys. 2. Schemat ideowy sterownika.

czających tranzystory przed przepięcia−

mi, ale będą to elementy zawarte

w strukturze jednego układu scalonego

ULN 2803. Wprawdzie wydajność prądo−

wa tej kostki znacznie przekracza nasze

potrzeby, ale od przybytku głowa nie bo−

li, a nasz sterownik będziemy mogli

w przyszłości zastosować do zasilania

silników większej mocy. Jeden driver −

układ ULN2803 zastosujemy do zasila−

nia obydwóch silników. Następnym

problemem do rozwiązania było cyklicz−

ne podawanie stanu wysokiego na we−

jścia drivera. Tu rozwiązanie było proste:

zastosowaliśmy dwa dekodery binarne

“1 z 4” zawarte w strukturze kostki

4555. Podawanie na wejścia tego układu

kolejnych liczb binarnych od 0(00 (BIN) )do

3 (11 (BIN) ) spowoduje cykliczne przesu−

wanie się stanu wysokiego na wyjściach

Q 0 ...Q 3 dekodera. Aby uzyskać zmianę

kierunku obrotów silnika musimy na we−

jścia sterujące dekodera podać kody uka−

zane w tabeli 1

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 10/96

rojekty A

Projekty A

tabeli 1

tabeli 1.

Projekty A

rojekty AVT

VVT

Tab. 1.

koder U2A. Natomiast połączone ze sobą

wejścia bramek U6A i U6B pozostaną

w stanie niskim wymuszonym przez re−

zystor R5. W konsekwencji tego sygnał

z wyjść licznika U3A będzie przekazywa−

ny na wejścia dekodera w postaci zane−

gowanej i silnik będzie się obracał prze−

ciwnie do kierunku wskazówek zegara

(oczywiście także umownie).

Efektów uaktywnienia stanem wyso−

kim wejść 4 i 5 Z4 nie ma sensu opisy−

wać, ponieważ będą one identyczne, ale

odnoszące się do drugiego silnika.

Układ nie posiada żadnych zabezpie−

czeń przed omyłkowym włączeniem sil−

nika w obu kierunkach naraz. W przeci−

wieństwie do sterownika AVT−2047 nie

grozi to bowiem żadnymi przykrymi kon−

sekwencjami, a uważni Czytelnicy pro−

szeni są jedynie o przeanalizowanie ta−

kiej sytuacji.

Rola i sposób sterowania przekaźni−

kiem PK1 i tranzystorem T2 służącymi do

włączanie urządzeń dodatkowych w mo−

delu nie wymaga komentarza.

Montaż i uruchomienie

Rozmieszczenie elementów na płytce

drukowanej przestawia rysunek 5

Obroty zgodne z kierunkiem wskazówek zegara

Krok 1

Krok 2

Krok 3

Krok 4

Obroty przeciwne do kierunku wskazówek zegara

Krok 1

Krok 2

Krok 3

Krok 4

Rys. 3. Bramka EX−NOR.

rysunku 3 widzimy symbol tej bramki

i odnoszącą się do niej tabelę prawdy,

z której wynika, że na wyjściu bramki EX−

CLUSIVE−NOR stan wysoki występuje

wtedy i tylko wtedy kiedy stany logiczne

na jej wejściach są sobie równe. Popatrz−

my jeszcze chwile na tabelę: w pierw−

szych dwóch wierszach stan logiczny na

wejściu A równy jest 0 a stan wejścia B

przenoszony jest na wyjście Q w postaci

zanegowanej. W wierszu 2 i 3 tabeli wi−

dzimy, że przy stanie wysokim na we−

jściu A sygnał z wejścia B przenoszony

jest na wyjście bramki bez zmian. Zatem

mamy element, o jaki nam chodziło:

w zależności od stanu jednego z wejść

bramka EXCLUSIVE−NOR działa jako in−

werter lub przenosi sygnał cyfrowy bez

zmian.

Na rysunku 4

rysunek 5. Spo−

sób montażu nie odbiega niczym od

montażu wszelkich innych układów elek−

tronicznych i nie ma sensu zbyt się nad

nim rozwodzić. Autor przypomina jedy−

nie Czytelnikom o użyteczności podsta−

wek pod układy scalone. Problemy mogą

powstać jedynie przy dołączaniu silników

krokowych. W większości wypadków,

kiedy zastosujemy typowe silniki od sta−

cji dysków 360kB, po prostu wystarczy

dołączyć silnik do złącz wykonanych z 6

goldpinów, tak, aby zwarte ze sobą koń−

ce jego uzwojeń połączone zostały z plu−

sem zasilania. Jeżeli jednak będziemy

mieli silnik, którego układu wyprowa−

dzeń nie znamy, to będziemy musieli za

pomocą omomierza ustalić, które końce

uzwojeń są ze sobą zwarte i następnie

dołączyć je do plusa zasilania. Kolejność

uzwojeń trzeba będzie w takim wypadku

ustalić doświadczalnie, co możemy uczy−

nić bez obaw o uszkodzenie silnika lub

sterownika. Przy nieprawidłowej kolej−

ności dołączenia uzwojeń silnik po prostu

się nie obraca, a jedynie wibruje.

Układ sterownika nie wymaga urucha−

miania a jedynie prostej regulacji częs−

totliwości pracy generatora z U5A i U5D,

której możemy dokonać za pomocą po−

tencjometru montażowego R2. Jak wia−

domo, nie ma żadnych ograniczeń częs−

totliwości minimalnej. Natomiast przy jej

zwiększaniu ponad dopuszczalną granicę

silnik zacznie tracić moc, a w skrajnym

przypadku zatrzyma się wpadając w wib−

rację (niegroźne dla silnika).

Ostatnia, bardzo ważna i z koniecz−

ności skrótowo omówiona sprawa: bu−

Rys. 4. Zespół bramek EX−NOR.

rysunku 4 przedstawiono schemat

wyodrębnionego zespołu dwóch bramek

i tabelę ilustrującą działanie tego układu.

Reszta układu nie wymaga szczegóło−

wego opisu. Licznik binarny U3A (4520)

steruje za pośrednictwem opisanego

układu bramek zawartych w kostce U5

wejściami dekoderów. Sygnał zegarowy

wytwarzany jest przez prosty generator

zbudowany na dwóch bramkach NOR:

U5D i U5A. Częstotliwość pracy tego ge−

neratora możemy w szerokich granicach

regulować za pomocą potencjometru

montażowego R2. Przekaźnik P1 i tran−

zystor T2 służą do uruchamiania dodatko−

wych elementów zamontowanych

w modelu.

Napięcia zasilania i wszystkie sygnały

sterujące pracą układu zostały doprowa−

dzone do złącza Z4. Kolejność połączeń

jest identyczna jak w opisanym uprzed−

nio (EdW 6/96) programowanym sterow−

niku do zabawek i modeli, co umożliwia

współpracę obydwu urządzeń. Złącze to

stało się teraz dla nas pewnym standar−

dem, wszystkie układy z serii “robotyki”

są wyposażone w identyczne złącza, co

zapewnia pełną kompatybilność wszyst−

kich modułów. Do tego złącza można też

rysunku 4

dołączyć układ klawiatury, także opisany

w 6 numerze EdW.

Sprawdźmy jeszcze, czy w naszym

układzie wszystko gra. Jako punkt wy−

jścia przyjmiemy stan spoczynkowy,

w którym żaden z silników nie pracuje.

Na wejściach sterujących pracą silników

(2, 3,4 i 5 na złączu Z4) panuje stan niski

wymuszony przez rezystory R5...R8. Je−

żeli teraz na wejście układu Z4 2 podamy

stan wysoki (np. z programatora AVT−

2047) to stan wysoki pojawi się na jed−

nym z wejść bramki U5B. Jest to bramka

typu NOR, na której wyjściu stan wysoki

istnieje wtedy i tylko wtedy kiedy na

obydwóch wejściach mamy stan niski.

Tak więc na wyjściu tej bramki zostanie

wymuszony stan niski i w konsekwencji

uaktywni się dekoder U2A. Stan wysoki

z wejścia 2 Z4 przekazany został także na

połączone ze sobą wejścia bramek U6A

i U6B. Zgodnie z tabelą przedstawioną

na rys. 4 stany logiczne z pozostałych

wejść tych bramek przenoszone są na

wyjścia bez zmian. Do wejść U6A

2 i U6B 6 dołączone są wyjścia licznika

binarnego U3A i stany z tych wyjść prze−

kazywane są teraz na wejścia dekodera

U2A, który wysterowuje wejścia drivera

U1. Uzwojenia silnika są kolejno zwiera−

ne do masy i silnik zaczyna obracać się

w kierunku zgodnym z wskazówkami ze−

gara (umownie). Jeżeli teraz stan wysoki

pojawi się na wejściu 3 Z4 to stan niski

z wyjścia bramki U5B także uaktywni de−

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 10/96

rojekty A

rysunku 3

Łatwo zauważyć, że aby uzyskać

zmianę kierunku przesuwania się stanu

wysokiego na wyjściach dekodera, wy−

starczy zanegować sygnał podawany na

jego wejścia. No dobrze, ale jak to zro−

bić? I tu z pomocą przyszedł nam cieka−

wy i niejednokrotnie bardzo użyteczny

element − bramka EXCLUSIVE−NOR. Na

rysunku 3

rysunek 5

rojekty AVT

VVT

Rys. 5. Rozmieszczenie elementów na płytce drukowanej.

też ograniczyć się do projektowania ukła−

dów wykonawczych, a całą inteligencję

nimi sterującą przenieść do komputera?

Mamy już część wspomnianych układów

wykonawczych, w przygotowaniu zna−

jdują się kolejne moduły elektroniczne

i mechaniczne pełniące rolę czujników

analizujących i badających świat wokół

naszych “zabawek”. Gdzie jednak uloko−

wać “rozum” naszych doświadczalnych

konstrukcji? Umieszczenie go w kompu−

terze połączonym z modelem kablem

(lub bezprzewodowo) dałoby wręcz nie−

ograniczone możliwości rozbudowy inte−

ligencji systemu, możliwości w zasadzie

zależne tylko od inwencji programisty.

Nie musiałby to wcale być komputer

z Pentium i 32MB RAM. Do naszych ce−

lów aż nadto wystarczający byłby staru−

szek COMMODORE (ogromne możli−

wości dźwiękowe, doskonały syntetyza−

tor mowy!), Atari lub muzealny PC XT,

być może poniewierający się w piwni−

cach wielu domów. Z kolei umieszczenie

inteligencji systemu w nim samym spo−

wodowałoby wzrost kosztów i kiedy

doszlibyśmy do budowy samodzielnego

systemu mikroprocesorowego, mogłoby

się okazać, że wykorzystanie komputera

było rozwiązaniem prostszym i tańszym.

Wróćmy jednak jeszcze do naszego

pojazdu. Szczegóły jego wykonania wi−

doczne są dobrze na fotografiach i na ry−

dowa pojazdu. Tu autor może jedynie su−

gerować Czytelnikom pewne sprawdzo−

ne rozwiązanie. Na fotografiach widać

konstrukcję pojazdu zbudowanego przez

autora w celu przetestowania możliwoś−

ci sterownika i przeprowadzania dal−

szych eksperymentów z naszymi robota−

mi. Ta konstrukcja jest tylko jednym

z możliwych rozwiązań, ale zdaniem au−

tora jest to rozwiązanie dość dobre. Jak

widać na zdjęciach, nasz pojazd wyróżnia

się szczególną szlachetnością linii i na−

wet najpiękniejsze projekty włoskich sty−

listów nadwozi samochodowych nie mo−

gą się z nim równać. Ettore Bugatti za−

czerwienił się w grobie ze wstydu, Pino−

farrina odwrócił oczy... Dość żartów, to

nie jest model pojazdu użytkowego, jest

to, jak już powiedziano, ruchoma platfor−

ma do przeprowadzania eksperymentów

w nowo odradzającej się dziedzinie bu−

dowy dawno zapomnianych “żółwi elekt−

ronicznych” − zabawek, które dały począ−

tek jeszcze nie do końca zdefiniowanej

dziedzinie techniki: cybernetyce. Przy

okazji autor chciałby poruszyć ważną

sprawę: Szanowni Koledzy, proszę Was

o pomoc: jak dalej ma się rozwijać nasz

program budowy zabawek cybernetycz−

nych? Czy mamy konstruować coraz bar−

dziej skomplikowane konstrukcje samo−

dzielnych urządzeń elektronicznych, czy

ry−

sunku 6. W egzemplarzu modelowym

płyta nośna konstrukcji wykonana zosta−

WYKAZ ELEMENTÓW

Rezystory

R1, R5, R6, R7, R8: 100k W

R3, R4: 22k W

R2: potencjometr montażowy

470k W

Kondensatory

C1: 470nF

C2: 470µF/16V

C3, C5: 220nF

C4: 220µF/16V

Półprzewodniki

D1, D2: 1N4148 lub odpowiednik

T1, T2: BC548 lub odpowiednik

U1: ULN2803

U2: CMOS 4555

U3: CMOS 4520

U4: 7805

U5: CMOS 4001

U6: CMOS 4077

Różne

Z1, Z6, Z7: ARK2

Z2A, Z2B, Z3A, Z3B: złącza 1−

rzędowe goldpin po 6 pinów

Z4: złącze goldpin 2x7

Z5: ARK3

PK1: przekaźnik typu RM82−P 12V

Rys. 6.

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 10/96

rojekty A

Projekty A

sunku 6

WYKAZ ELEMENTÓW

Rezystory

Kondensatory

Półprzewodniki

Różne

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: