استفاده از هدایت موتور پله ای ( استپر) در روباتیک

استفاده از هدایت موتور پله ای ( استپر) در روباتیک

چکیده –  استفاده از موتورهای پله ای در روباتیک  از اهمیت اساسی برخوردار است. برنامه های کاربردی روباتیک نیاز به حرکات دقیق دارند. این مقاله  سیستم  درایو موثر و چند بعدی موتور پله ای برای استفاده آن در روباتیک ارائه داده است. درایور پیشنهادی کنترل دقیق حرکت را با  کوچکترین زاویه گام  ممکن  ارائه می دهد. یک مدل از موتور پله ای آهنربایی در نرم افزار شبیه ساز MATLAB Simulink شبیه سازی شده است.

نرم افزار و مدار سخت افزاری درایور  انواع موتور پله ای برای حرکات مختلف موتور پله ای طراحی و تست شده است. مدار پیشنهاد شده از طراحی مدار تغذیه ، میکروکنترلر، بافر و مدار هدایتی تشکیل شده است. بر خلاف یک کنترل دستی ، میکرو کنترلر AT89c51  برنامه ریزی شده است که کاربر  پسند می باشد و کاربر می تواند به آسانی حرکت  مطلوب موتور پله ای خود را انتخاب کند. درایور پیشنهادی اجازه  میدهد  موتور پله ای حرکت خود را با انتخاب گزینه های نیمه یا کامل یک گام ، حرکت به جلو یا عقب و کنترل سرعت RPM یا مشخص کردن تعداد گامها که باید حرکت کند  کنترل  شود.

کلمات مهم – درایور؛ میکروکنترلر، برنامه های کاربردی روباتیک، کنترل کننده سرعت، موتور پله ای.

۱-مقدمه

موتور پله ای یک  سیستم الکترو موتور دیجیتال است که در آن هر یک از پالس های الکتریکی ورودی روتور را با زاویه جدا از هم به نام زاویه گام حرکت می دهد و بنابراین اسم آن موتور پله ای است. موتور پله ای عموما با کابردهای بیشماری در صنعت استفاده می شود. روباتیک یکی از آن کاربردهایی است که استفاده ازموتور پله ای اهمیت بسیاری دارد. برنامه های روباتیک  نیازمند حرکت دقیق برای دقت دارند. موتور های پله ای برای برنامه های روباتیک مناسب هستند زیرا حرکت گسسته گام ها را شامل میشوند. این یک زاویه گسسته به نام زاویه گام در هر گام حرکت میکند. موتور پله ای در تجارت و صنعت استفاده می شود  زیرا بسیار قابل اطمینان، هزینه کم، گشتاور زیاد در سرعت کم و سادگی ساخت و راه اندازی در همه محیط ها است. اما برای راه اندازی یک موتور استپر نیازمند درایور می باشیم.  درایور اجازه میدهد تا کنترل دقیق حرکت یک موتور پله ای را کنترل کرد بطوریکه می توان از ان در برنامه های روباتیک استفاده کرد.

بسیاری از طراحان بر روی مدا درایورهای موتور استپر کار کرده اند. اما طرح مدارات  پیشنهاد شده هیچکدام رویکرد کاربردی مناسبی نداشتند. در این مقاله سیستم کارآمد برای موتور های پله ای با استفاده از میکرو کنترلر at89c51 برای کنترل هدایت یک موتور پله ای با روش کارمد  ارائه می شود.  بنابراین امکان  انتخاب جلو یا عقب  حرکت کردن، نیم یا کامل گام ، و کنترل سرعت  حرکت گام را برای کاربر را فراهم میسازد.

برخلاف یک درایور دستی،  سیستم درایور  پیشنهاد شده امکان دقیق کنترل سرعت و حرکت موتور پله ای را فراهم میسازد و به کاربر اجازه می دهد تا حرکت خود را بصورت گزینه های نیمه یا کامل یک گام ، حرکت به جلو یا عقب و کنترل سرعت RPM یا مشخص کردن تعداد گامها که باید حرکت کند انتخاب کند. این مقاله شامل دو بخش است. بخش اول شبیه سازی موتور پله ای با استفاده از نرم افزار مهندسی شبیه سازی MATLAB Simulink است. بخش دوم  طراحی سخت افزار مدار توسعه یافته را توصیف می کند.

 

Fig1_stepperRobotic

عکس .۱  مدل هدایت مغناطیسی موتور پله ای دو فاز

درایور موتور پله ای  با استفاده از شبیه ساز MATLAB Simulink’s SimPowerSystems  شبیه سازی شده است.{۴} موتور پله ای  شامل  یک بلوک مغناطیسی موتورپله ای ، یک بلوک هدایت کننده، یک بلوک سازنده سیگنال، یک ولتاژ DC و یک نمایشگر می باشد.   از LCT meter  برای پیدا کردن مقدار مقاومت و القاگری فاز سیم پیچ موتور پله ای بترتیب ۱۸ اهم و ۱۵ میلی هانری استفاده می شود.

Fig2_stepperRobotic

عکس .۲  مدار مقاومت و القاگر سیم پیچ موتور القایی.

V=LW.+Rw.I                                                                                        ۱

در اینجا، V ولتاژ فاز با ولت است، Lw نشان دهنده القاگری فاز بر اساس هانری است، I نشان دهنده جریان دنبال کننده سراسری سیم پیچ بر اساس آپر است و Rw نشان دهنده مقاومت فاز با اهم است. نتایج شبیه سازی در شکل ۵  آمده است.

Fig3_stepperRobotic

شکل.۳  مقادیر کادرها برای مقدار موتور پله ای مغناطیسی

Fig4_stepperRobotic

شکل.۴  نشان دادن جهت و گام سیگنال ساخته شده

Fig5_stepperRobotic

شکل.۵   شکل موج بدست آمده موتور پله ای مغناطیسی در شبیه ساز.

 

۳-جزئیات مدار سخت افزاری

سخت افزار مدار تغذیه و هدایت کننده طراحی و بررسی شده است.

الف)مدار تغذیه

مدار تغذیه در شکل ۶ نمایش داده شده است. مدار تغذیه  از ترانسفرمر کاهنده و رگولاتور ولتاژ ۷۸۰۵ تشکیل شده است. میکروکنترلر و دیگر قطعات در مدار تغذیه +۵V DC نیاز دارد.ترانسفورمر ۲۳۰V/8V برای طرح مدار تغذیه انتخاب شده است. میکرو کنترلر +۵V نیاز دارد. ای سی رگولاتور ۷۸۰۵ بعد از پل دیود یکسو کننده ولتاژ را تنظیم میکند. ولتاژ ورودی در رگولاتور ۷۸۰۵ باید تقریبا ۲ ولت بزرگتر از ولتاز خروجی باشد؛ از این رو ولتاژ ثانویه ترانسفورمر ۸V طراحی شده است. خازن ها برای هموار کردن نوسانات ولتاژ خروجی استفاده شده است .

Fig6_stepperRobotic

شکل.۶   مدار تغذیه

ب)مدار راه انداز

مدار راه انداز شامل LCD ، میکروکنترلر، یک آیسی بافر و یک آیسی درایور می باشد.  میکروکنترلر برنامه ریزی شده و LCD در شکل۷ نمایش داده شده است. این LCD بایستی وضعیت درایور درحالت RPM یا گام ، سرعت یا تعداد گام ها، و جهت و وضعیت نیم یا کامل گام را نمایش دهد.

Fig7_stepperRobotic

شکل.۷   نمایش موارد انتخاب شده در LCD.

Fig8_stepperRobotic

شکل.۸   سیستم درایور ساخته شده

شکل ۸ مدار کامل سیستم درایور یا راه انداز استپر ساخته شده را نشان می دهد. پارا متر های (حالت، سرعت، تعداد گام ها، جهت، نیم گام یا گام کامل) را با استفاده از چهار کلید  با نام های “SET” , “IN(INCREMENT)” و “RUN/STOP” به آسانی می توان تعیین کرد.  فقط چهار کلید برای کنترل حرکت موتور پله ای نیاز است. فشار دادن کلید “SET” به کاربر اجازه می دهد تا موارد را تغییر دهد. کلید”INC” اجازه میدهد پارامتر افزایش یابد در حالی که کلید “DEC” اجازه میدهد پارامتر مدنظر کاهش یابد. کلید “RUN/STOP” موتور پله ای را حرکت میدهد یا اگر درحال حرکت باشد آن را متوقف میکند. کاربر حالت حرکت دلخواه خود را در برنامه موتور پله ای می تواند انتخاب کند. این ویژگی ها در دیگر مقالات نوشته شده که مدارات هدایتی پیشنهاد داده اند موجود نیست.{۲}،{۳} برد مدار چاپ شده که شامل میکروکنترلر، بافر و LCD می شود در شکل ۹ نمایش داده شده است.

Fig9_stepperRobotic

شکل.۹   طرح PCB دستگاه با میکرو کنترلر، بافر و LCD.

خروجی میکرو کنترلر ورودی بافر را تغذیه میکند. از بافر HD74LS245P استفاده شده است.. ترتیب پایه های آیسی بافر در شکل ۱۱ نمایش داده شده است.

Fig10_stepperRobotic

شکل.۱۰  نموادر کلی آیسی بافر

بسته به سطح منطق در ورودی  کنترل جهت (DIR) ، بافر اجازه انتقال داده از گذرگاه B به گذرگاه  A یا بلعکس میدهد. ورودی فعال (G) برای غیر فعال کردن بافر می توان استفاده کرد بطوریکه گذرگاه ها به طور موثری جدا شده اند.

Fig11_stepperRobotic

شکل.۱۱  پیکر بندی پین های آی سی بافر.

خروجی بافر در ورودی آی سی هدایت کننده استفاده می شود. برای آی سی هدایت کننده از ULN2003AN استفاده شده است. این یک ترانزیستور داریلنگتون منظم با ولتاژ و جریان بالا است. این آی سی شامل ۷ جفت دارلینگتونNPN که با دارای خروجی ولتاز بالااست با دیود کاتد مشترک برای تعویض بارهای القایی است. این آی سی دارای یک مقاومت سری ۲٫۷ کیلو اهمی برای هرکدام از جفت دارلینگتون ها است که برای بهره برداری مستقیم دستگاه ها با TTL یا ۵V Cmos است. جفت دارلینگتون مورد استفاده سیگنال های ضعیف را تقویت میکنند تا بتوان آن را در دیگر مدارات بطور واضح پیدا کرد. جفت دارلینگتون کمک میکند تا بهره برداری جریان با سطح بالا را بدست بیاید بنابراین سیگنال شفاف است. پیکربندی پایه های آی سی هدایت کنده در شکل ۱۳ نمایش داده شده است.

Fig12_stepperRobotic

شکل.۱۲  نمای شماتیک برای هر یک از جفت دارلینگتون ها.

Fig13_stepperRobotic

شکل.۱۳   پیکربندی پایه های آی سی هدایت کننده.

آی سی هدایت کننده توانایی ۷خروجی را دارد، که با استفاده از ۴ عدد از انها موتور پله ای ۴ فاز را می توان هدایت کرد. پین های۱، ۲، ۵ و ۶ استفاده شده است و پین های ۱۲، ۱۵، ۱۶ و ۱۱ بترتیب خروجی می دهند. پین های ۳، ۴، و ۷ استفاده نشده است.

Fig14_stepperRobotic

شکل.۱۴  طرح PCB  شامل آی سی هدایت کننده و موتور پله ای است.

۴-نتایج

در این مقاله درایور موتور استپر طراحی شده است. نتایج طرح سخت افزاری در پایین نمایش داده شده است. شکل های ۱۵ تا ۲۰ نتایج ورودی و خروجی آیسی بافر در حالت های مخلتف حرکات را نشان می دهد. پین های ۲، ۳، ۴، و ۵ استفاده شده است و پین های۱۸، ۱۷، ۱۶ و ۱۵ بترتیب خروجی هستند. پین های ۶، ۷، ۸ و ۹ استفاده نشده است. شکل موج های ورودی و خروجی تمامی پین ها با استفاده از اسیلوسکوپ فراهم شده است.

Fig15_stepperRobotic

شکل.۱۵  ورودی پایه های بافر در ۱RPM گام کامل در جهت جلو.

Fig16_stepperRobotic

شکل.۱۶  خروجی پایه های بافر در ۱RPM گام کامل در جهت جلو.

Fig17_stepperRobotic

شکل.۱۷ ورودی پایه های بافر در ۱RPM گام کامل در جهت جلو.

Fig18_stepperRobotic

شکل.۱۸  خروجی پایه های بافر در ۱۰RPM گام کامل در جهت جلو.

Fig19_stepperRobotic

شکل.۱۹  ورودی پایه های بافر در ۱۰۰RPM گام کامل در جهت جلو.

Fig20_stepperRobotic

شکل. ۲۰  خروجی پایه های بافر در ۱۰۰RPM گام کامل در جهت جلو.

شکل های ۲۱ تا ۲۶ نتایج ورودی و خروجی آی سی درایور را نمایش میدهند.

 

Fig21_stepperRobotic

شکل.۲۱  ورودی پایه های هدایت کننده در ۱RPM گام کامل در جهت جلو.

Fig22_stepperRobotic

شکل.۲۲  خروجی پایه های هدایت کننده در ۱RPM گام کامل در جهت جلو.

Fig23_stepperRobotic

شکل.۲۳  ورودی پایه های هدایت کننده در ۱۰RPM گام کامل در جهت جلو.

Fig24_stepperRobotic

شکل.۲۴  خروجی پایه های هدایت کننده در ۱۰RPM گام کامل در جهت جلو.

Fig25_stepperRobotic

شکل.۲۵  ورودی پایه های هدایت کننده در ۱۰۰RPM گام کامل در جهت جلو.

Fig26_stepperRobotic

شکل.۲۶  خروجی پایه های هدایت کننده در ۱۰۰RPM گام کامل در جهت جلو.

 

شاید این مطالب را هم دوست داشته باشید

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *


CLOSE
CLOSE