CNC upravljanje: Elektronika v4.0 - mikrosteping drajver


Nakon vrlo uspješnog sklopa za CNC upravljanje, koji smo označili kao V3, i sve većeg interesa za samogradnju CNC mašina, pojavila se potreba za još preciznijim upravljanjem odnosno mikro-steping drajverima.

Dizajn drajvera je vrlo jednostavan. PIC mikrokontroler obavlja većinu posla oko mikrostepinga i kontrole struje kroz namotaje motora, a snažni izlazni tranzistori, TIP122 (5A/65W/100V) pokreću motor. Sklop je prilagodljiv i moguće ga je primjeniti u najrazličitijim situacijama, od motora iz starih flopija sa 200mA po fazi do velikih motora od 2A po fazi (motori za struje 4A).

Ovaj fantastičan drajver za unipolarne step motore ima osim standardnih modova: puni korak i polu-korak, još dva mikrostep moda: 1/6 koraka i 1/18 koraka! Mod 1/6 koraka je izveden hardverski, preko mreže otpornika na bazi pogonskih tranzistora, a mod 1/18 se dobija sa PWM modulacijom !

To znači da sada možete iskoristiti i puno "lošije" motore koji imaju 200 koraka po obrtaju jer će to sa ovim drajverom postati 200 * 18 = 3600 koraka, odnosno sa motorom od 360 koraka dobićete fantastičnih 6480 koraka po obrtaju !!!

Sobzirom da se iza otporne mreže za mikrosteping nalaze i dva kondenzatora koji služe za "linear ramping", odnosno ublažavaju nagle prelaze između mikro-koraka, na motoru nema uobičajenih skokovitih promjena struje. Praktično motori rade u "stepless operation" modu, odnosno linearnom modu rada, gdje zapravo više ni nema klasičnih koraka!

Primjetićete da na trazistorima čak nema ni uobičajenih ultra brzih i jakih zaštitnih dioda koje treba da štite tranzistore od naponskih pikova jer one ovdje nemaju šta da rade. U praksi to znači da je sva energija u motoru iskorištena maksimalno, a motor se manje grije u linear modu negu u klasičnom sa čoper regulacijom i ima veću snagu! Osim toga motor se kreće vrlo glatko, bez trzanja i sa manje buke, nema problema sa rezonancijom što omogućava puno veće brzine rada. Lista svih ovih prednosti je toliko značajna u radu, da kada jednom osjetite kako to radi, nećete više nikada ni pomisliti na korištenje klasičnih drajvera!

Najljepše je od svega što ovaj drajver, kada se dobro podesi, po perfomansama nadmašuje bilo koji mirosteping drajver u istom rangu cijena, pa čak i drajvere visoke klase namijenjene za specifične primjene! O poređenju cijena ne vrijedi ni govoriti jer ovakvi, linearni step motor drajveri, koštaju i po nekoliko hiljada dolara.

Pogledajmo kako je to postignuto

PIC vrši hardversko upravljanje na osnovu 4 osnovna nivoa struje:

• 0% struje
• 25% struje
• 55% struje
• 100% struje

Sobzirom da slika govori više od 1000 riječi, pogledajte kako to sve izgleda u praksi! Na fotografijama su prikazani oscilogrami struje kroz dvije faze motora pri čemu je vertikalni podiok na osciloskopu 0,5A.

Normalni mikrosteping sa 3 nivoa struje i 1200 koraka (sa motorom 200 koraka).


Linear mikrosteping sa 3 nivoa struje i 1200 koraka (sa motorom 200 koraka).
,

Linear mikrosteping sa 9 nivoa struje i 3600 koraka (sa motorom 200 koraka).

Kao što se vidi i sa fotografija, upravljanje strujom motora je dovedeno skoro do oblika pravilne sinusoide! Kontrola struje se vrši na osnovu pada napona na otpornicima 1E/3W. Njihova vrijednost od 1 om je daje struju kroz namotaje motora od 1A po fazi, tj. 2A po motoru. Ako Vam treba veća struja, ove otpornike trebate smanjiti (najlakše dodavanjem drugog otpornika u paralelu).
Proračun za prilagođenje struje je vrlo jednostavan: struja = 1 / otpornik (u omima)

3 oma = 0,333A/fazi (motor 0,66A)
2 oma = 0,5A/fazi (motor 1A)
1 om = 1A/fazi (motor 2A)
0.667 oma = 1.5A/fazi (motor 3A)
0,50 oma = 2A/fazi (motor 4A - maksimalna vrijednost)

Npr. za struju od 1,1A potrebno je dodati u pralelu još jedan otpornik od 10 oma, ili za 1,5A po fazi (motor 3A) potrebno je dodati u paralelu još jedan otpornik od 2 oma što daje ukupno 0,666 oma.

Drajver je pogodan za motore visoke induktivnosti koji tipično rade na 12V/0.6A po fazi, 5V/1A, 3.5V/1.5A itd.
Može se koristiti i sa drajverima niske induktivnosti npr. 2V/3A, 1.8V/4.7A itd. ali će raditi sa manjom efikasnošću i povećanim zagrijavanjem.

Prilagođenje za jače struje

Za jače struje od 4A, odnosno 2A po fazi, biće potrebno obezbijediti još bolje hlađenje tranzistora i prilagođavanje otpornika u drajveru. Ugrađeni izlazni tr. mogu podnijeti i do 5A po fazi, a moguće je staviti i druge tr. istih fizičkih dimenzija koji rade i do 10A, ali u takvim doradama treba vrlo pažljivo prilagoditi i ostale elementa koji definišu radne karakteristike čitavog sklopa i voditi računa o disipaciji na tranzistorima i sens otpornicima, koji određuju struju kroz namotaje motora! Ovo se preporučuje samo onima koji znaju šta rade i imaju potrebnu mjernu opremu.

Jasno je da će kod svakog mikrosteping moda izlazni tranzistori disipirati prilično veliku snagu jer više ne rade u on/off režimu, pa o kvalitetnom hlađenju treba povesti računa i kod dimenzionisanja hladnjaka i kod planiranja kutije. Ako u jednu kutiju stavite ovakva 3 drajvera i trafo koji napaja sve motore jasno je da to mora biti vrlo pažljivo isplanirano, provjetravano (po potrebi ventilatorom), a nije loše ni razmisliti o termičkoj zaštiti u obliku osigurača ili termometra koji će isključiti sve ako temperatura pređe neku kritičnu granicu. Generalno pravilo je da tranzistore treba držati ispod 50°C, jer pri većim temp. može doći do toga da tr. pušta sve jaču struju, a to opet dovodi do još većeg grijanja i na kraju rezultira uništenjem tr. a to onda vrlo lako dovodi i do uništenja motora!

Nikad ne pretpostavljajte na osnovu probe od 10 minuta da je hladnjak dovoljno velik! Ako drajver testirate u mirostep modu on će koristiti između 50% i 100% maksimalne struje zavisno od mikro-koraka u kojem se nalazi. Jedini način da uradite ozbiljan test grijanja je da drajver setujete u full step mod (puni korak) jer je tada struja 100% kroz oba namotaja. Ostavite motor u tom stanju 1 sat. Ako je zagrijavanje nakon ovoga testa u granicama normale, više ne morate uopšte brinuti o tome. Vrlo je preporučljivo staviti i spori osigurač u granu napajanja motora, dimenzionisan za struju 2.5 puta veću od normalne struje motora.
Sveukupno gledano drajver je VRLO pouzdan i nije ga lako uništiti. Čak i kod kratkog spoja na motoru struja će biti ograničena na zadati nivo.

Korisne napomene

Na ulazima su optokapleri tako da je CNC mašina galvanski odvojena od računara, što je vrlo važno, a za spajanje na LPT port može se koristiti isti sklop kao i za V3 drajver. Nikako se ne preporučuje da izlaze LPT porta priključujete direktno na optokaplere drajvera jer oni nisu predviđeni za takvo opterećenje. Zbog toga se na CNC_INT ploči nalaze drajveri na svim izlaznim linijama LPT porta i optokapleri na svim ulaznim linijama. Za napajanje motora sa ovim drajverom preporučuje se napon od 4 do 36V, mada tranzistori mogu podnijeti i do 100V, pa ako Vam je neophodno možete probati i sa većim naponima.

Jedini nedostatak ovog drajvera je u tome što radi samo sa unipolarnim motorima (imaju 5, 6 ili 8 izvoda). Sa bipolarnim motorima (imaju 4 izvoda) ovaj drajver se ne može koristiti. Unipolarni motori imaju upola manju indukciju od bipolarnih, bolje se ponašaju na velikim brzinama, a elektronika samog drajvera je dosta jednostavnija za gradnju.

Na štampanoj ploči drajvera je predviđen stabilizator 5V za napajanje elektronike, ali ako se drajver spaja na CNC-INT onda on nije potreban jer tamo već postoji isti stabilizator i elektronika drajvera će se napajati sa ovog izvora ugrađenog na CNC_INT. Naravno, kompletno upravljanje je galvanski odvojeno od PC-ja, a na CNC_INT ploči se nalazi i rele za uključivanje motora bušilice/glodalice. Ostaje Vam samo da obezbijedite glavni izvor za napajanje Vaših step motora, koji morate dimenzionisati prema snazi korištenih motora, i naravno veću kutiju u koju ćete smjestiti svu elektroniku.

Naravno, drajvere step motora možete koristiti i bez ove interfejs ploče, za neke druge potrebe koje nemaju veze sa CNC ili PC mašinama, a sobzirom da su optokapleri na ulazima može se upravljati i bilo kojim naponom, 5/12/24V ...

Setovanje džampera:

Mode 1	Mode 0	Rezultirajući broj koraka (za motor 200 k/o)
0	0	200 (puni korak)
0	1	400 (polukorak sa jakom silom)
1	0	1200 (mikrosteping, 1/6 koraka)
1	1	3600 (mikrosteping, 1/18 koraka)
LP - low power mod: 0 - isključeno, 1 - uključeno

Prodaja
CNC-MST : Mikrosteping drajver za step motor, sa galvanski izolovanim ulazima.	30 €
CNC-INT : Galvanski izolovani interfejs za povezivanje do 3 motor-drajvera na LPT port PC-ja	25 €
CNC4-MST_PAK : Paket za CNC upravljanje: 3 x mikrosteping drajver i 1 x CNC interfejs	100 €