STEP/DIR Vezérlés Magyarázat: Léptető- és Szervomotorok Irányítása

A modern automatizálási és CNC rendszerekben a mozgásvezérlés kulcsfontosságú. Ennek egyik alapvető módja a STEP/DIR vezérlés, amely széles körben alkalmazott a léptető- és szervomotorok irányítására. Ez a vezérlési forma bármilyen típusú meghajtóval működik, amely fogadja a STEP-DIR jelet, és rendkívül rugalmasan illeszthető különböző alkalmazásokhoz.

A STEP/DIR vezérlés alapelvei

A STEP/DIR vezérlés lényege három alapvető digitális jelben rejlik: a STEP (léptetés), a DIR (irány) és az ENABLE (engedélyezés) jelben. Ezek a jelek együttesen biztosítják a motor pontos és irányított mozgását.

• STEP jel: Ez a jel impulzusokat bocsát ki, melyek a motor minden egyes lépését vagy mikrolépését vezérlik. Az impulzus jelszélessége állandó, és ez általában 5µs.
• DIR jel: Ez a jel a léptetések irányát tartalmazza. Ha logikai 1, akkor a motor az egyik irányba lép, ha logikai 0, akkor a másik irányba forog a motor.
• ENABLE (vagy DISable) jel: Gyakran alkalmazunk egy harmadik kimeneti csatornát is, mely az engedélyező jel a vezérlő számára. Ennek a működése általában az, hogy amíg a jel logikai 1, addig a motor áram alatt van. Ezt nevezik tartóáramnak. Ez a csatorna sok esetben elhagyható, emiatt a motorvezérlőkön általában ez a bemenet negált állapotú, azaz valójában nem Enable, hanem Disable, vagyis tiltó jel.

Ezek a jelek általában a TTL jelszinteknek megfelelően 5V-os feszültségűek, de ettől eltérhetünk más rendszerekben. A párhuzamos port 0 és 0,8 Volt közötti feszültségeket értelmez „lo” és „hi” jelzéseknek. A 2,4 és 5 Volt közé eső feszültséget „hi”-nak neveznek. Fontos, hogy negatív feszültség, vagy 5 Volt feletti feszültség összekapcsolása füstöt okozhat.

Léptetőmotor vezérlési módok

A léptetőmotorok irányítása különböző elvek/lépésmódok alapján történhet, melyek befolyásolják a lépési szög pontosságát és a motor nyomatékát.

1. Hullám vezérlés (Wave Drive):
   • Ebben az esetben egy időben egy fázist használunk.
   • Az egy lépésre jutó lépési szögünk 11,25° - ami annyit jelent, hogy összesen 32 lépés kell a tengely 1 teljes körbefordulásához.
   • Ez a mód eredményezi a legnagyobb lépésenkénti szöget a legkisebb nyomaték mellett.
2. Teljes lépéses üzem (Full Step Drive):
   • Ebben az esetben már 2 fázist használunk egy időben.
   • Az egy lépésre jutó szög itt is 11,25°, akárcsak a hullám vezérlésnél, azonban a legjobb nyomaték mellett.
   • Ez a leggazdaságosabb üzem.
3. Fél lépéses üzem (Half Step Drive):
   • Ebben az esetben is 2 fázist használunk, mindegyiket hosszabb ideig.
   • Ez azt eredményezi, hogy megfeleződik a lépési szög: 11,25°/2 = 5,625°.
   • Most már 64 lépés kell ahhoz, hogy a tengely 1x körbeforduljon.
   • Kisebb lépési szög érhető el, azonban a forgatónyomaték koránt sem akkora, mint teljes lépéses üzem esetén.

Az alábbi táblázat összefoglalja az unipoláris léptetőmotorok lépésszámát és áttételét különböző vezérlési módok esetén, egy 64:1 áttételű motorra vetítve:

A használt autó vásárlás buktatói

Létezik olyan motor, amely megenged 10 mikrolépést egész lépésenként, tovább finomítva a mozgást.

Vezérlő hardverek és interfészek

A STEP/DIR jelek generálásához és a motorok vezérléséhez számos hardveres megoldás áll rendelkezésre.

HF020 egytengelyes vezérlő

A HF020 egytengelyes vezérlő egy sokoldalú eszköz léptető- vagy szervomotorok vezérlésére. Számos hasznos funkcióval rendelkezik, amelyek sok esetben alkalmazhatók, és a felhasználók gyorsan kiválaszthatják a megfelelő funkciót és beállíthatják a megfelelő paramétereket. Beállíthat olyan paramétereket, mint a távolság, sebesség, késleltetés, ciklusidő. Működhet önállóan vezérlőként vagy modulként, amely parancsokat és paramétereket fogad más rendszerektől, például PLC-től, Arduino-tól, mikrokontrollerektől, HMI panelektől, PC-s alkalmazásoktól és egyebektől, ahol lehetséges RS485-ön keresztül kezelni vagy kapcsolójeleket a bemeneti portokon keresztül.

ULN2003 típusú motorvezérlő

Egy 5 vezetékes unipoláris léptetőmotor vezérlésére az ULN2003 típusú motorvezérlő ideális Arduinóval. Az ULN2003 motorvezérlő segítségével tudjuk a stepper motort könnyedén vezérelni. A motorvezérlőn található egy fehér 5 vezetékes csatlakozó, amelyhez a motor vezetékeit kell csatlakoztatni. Található még rajta 4 db LED és 4 db input pin is (IN1-IN4). A LED-ek arra szolgálnak, hogy visszajelezzen számunkra, hogy melyik tekercs is van bekapcsolt állapotban. Az IN1-IN4 bemeneti pinekkel pedig ezeket a tekercseket tudjuk bekapcsolni.

Párhuzamos port és leválasztó kártyák

A CNC vezérléshez gyakran használták a számítógép párhuzamos portját. A párhuzamos port egy 25 eres (female) „D” csatlakozó, amely adatátvitel módja miatt nyomtatók összekötésén kívül sok más dologra is használták, természetesen vezérelt szerszámgépek csatlakoztatására is. A Mach3-mal való vezérléshez például az impulzussorozat generátor a párhuzamos port(ok)on keresztül jön létre. Egy egyszerű rendszer egy párhuzamos porttal vezérelhető, míg összetettnél kettőre lesz szüksége.

A Step Car digitális jelenléte

A párhuzamos port tűi biztosítanak logikai jeleket, vagy a párhuzamos port input tűinek kapják azokat. A párhuzamos port 18-astól a 25-ösig a komputer tápegységének 0 Voltos oldalához csatlakoznak. Minden külső és belső jelzés a komputer felé ehhez viszonyított. Ha ezekhez a vezetékekhez hozzáérünk, akkor áram fog folyni, ami megrongálhatja a számítógépet. Fontos a minőségileg kifogástalan, megbízható leválasztó kártya beszerzése. A leválasztó kártya védi a PC-t a meghajtók magas feszültségétől, külön 0 Volttal rendelkezik, (közösen) a driverek, home kapcsolók stb., és elkerüli a port megengedett ki- és bemenő áramának túllépését. A leválasztó kártya egy külön tápegységgel egy fémdobozban megvédi a rendszert az esetleges rövidzárlatoktól és tragédiától.

Paraméterezés és finomhangolás

A léptető- és szervomotoros rendszerek optimális működéséhez elengedhetetlen a paraméterek gondos beállítása és a finomhangolás.

Sebesség és gyorsulás

Beállíthat olyan paramétereket, mint a távolság / sebesség / késleltetés / ciklusidő. A gyorsjárati sebességet például 500 fordulat/percre is beállíthatjuk. Ha például egy golyósorsó 0,0001” minimális mozgást (lépést) céloz meg, és a motor 200 lépés/fordulat felbontású, 10 mikrolépéssel ez 2000 impulzus/fordulatot jelent. 500 fordulat/perc esetén ez kb. 16666 impulzus per másodpercet igényel.

Nyomaték és áramszabályozás

A motorválasztásnál kritikus a megkívánt forgatónyomaték kiválasztása. Számításokat kell végezni a siker érdekében, például a terhelés mozgásához szükséges erő (unciában) x 12” egyenlő a nyomatékkal a csavarorsón. A vezérlő elektronika áramszabályzása révén a motorrezonanciákat aktív módon csillapítják. A szabályzás végeredménye konstans teljesítményű és ezért konstans nyomatékú. A vezérlő motortól (induktivitástól) függően nagyon jól tuningolható. Az üzemmódok (teljes gerjesztés, fél gerjesztés, tartóáram) jumper segítségével választhatóak. A trimer-potenciométereken be kell állítani a motorok névleges áramait. Ezekkel az áramokkal lesznek gerjesztve a motorok léptetések alatt. Üzemszerű használat alatt a motorok felmelegednek, ez normális kb. 60~70°C-ig. E fölé ne menjünk, és gondoskodjunk extra hűtésről.

Motorok bekötése és tuningja

A 4 kivezetéses bipoláris léptetőmotorokat (például 200 lépés/fordulat) úgy kell bekötni, hogy az adott párok sorba legyenek kötve. A motorok párhuzamos kötése nem javasolt! A 3 motornak nem kötelező egyformának lenni, de bele kell férniük a maximális terhelhetőségbe (max. 4.7A/fázis-ig). A tartóáram a Config (jumper) tüskesoron állítható be. A tartóáram csökkentett gerjesztési módba (tartóágba) kerül, ami a pozíció megtartása miatt szükséges (akár fél léptetési helyzetben is meg kell tartani a pozíciót). Ez a módosítás hallható hangot eredményez a motorokban. Full gerjesztési állásban nincs tartóági PWM zaj (néma üzemmód), ilyenkor a motor teljes (STEP) gerjesztéssel áll.

Hatékony padlófűtés beállítás - Danfoss

Végállás- és referencia (Home) kapcsolók

A gépek biztonságos és pontos működéséhez elengedhetetlenek a végállás- és referencia kapcsolók.

Funkció és típusok

A referencia (home) kapcsoló segítségével a tengelyt a home (referencia) pozícióba történő mozgásra utasíthatjuk. Ezután a gép ismeri a tengelyek pillanatnyi pozícióját. A referencia kapcsolóknak nem kell a gépi nullponton lenniük, de fontos, hogy megbízhatóan működjenek. A mechanikai károk megelőzése nem bízható szoftverre és annak kiépítésére.

A végállás kapcsolók az adott tengely útjának végén helyezkednek el, és megállítják a mozgást, amikor elérik őket. Ezek a kapcsolók mechanikai kapcsolóknál könnyen megoldhatóak. A Mach3 és más vezérlőprogramok lehetővé teszik a kapcsolótól távolodó mozgást, ha a végállást elértük. Fontos megjegyezni, hogy egy párhuzamos portnak csak 5 inputja van, tehát ha minden tengelyhez két végállás (az út két végén) és egy home kapcsoló kell, az összesen kilenc bemenetet igényel, ami túl sok.

Fizikai megvalósítás és beállítások

A végállás kapcsolókat úgy kell felszerelni, hogy azok ne okozzanak túlfutást. A kapcsoló ismétlési pontosságát a rámpa lejtése befolyásolhatja. Két rámpát vagy szárnyat alkalmazva növelhető a pontosság. A mechanikai kapcsolók bemenetét „fel kell húzni” a párhuzamos porthoz a megbízható működéshez (az ilyen esetben adódó áram körülbelül 10 milliamper). A referencia kapcsoló pozíciója egyben a tengely gépi nulla pozíciója is lehet. A szoftveres határok megakadályozzák, hogy a gép egy pontba való mozgatáskor túlszaladjon, vagy véletlenül belebotljon a végállásba.

Egyéb funkciók és alkalmazások

A STEP/DIR vezérlés rendkívül sokoldalú, és számos egyéb funkció és alkalmazás vezérlésére is alkalmas.

Főorsó vezérlés

A CNC rendszerekben a főorsó vezérlése is integrálható. Az M3 utasítás hatására a főorsó az óramutató járásával megegyező irányba indul el, az M4 utasítás hatására ellenkező irányba indul el, az M5 utasítás pedig a főorsó megállását okozza. Ezek a jelek a párhuzamos porton lévő output tűkön jelennek meg. Két kimeneti jelet kell konfigurálni a fordulatszám és a forgásirány vezérléséhez. Ez történhet fogaskerék hajtómű módosítással, vagy fordulatszám változtatásával változtatható frekvenciájú áramátalakítós hajtású indukciós motor vezérléséhez. Fontos, hogy ellentétes jelek egyidejűleg aktívvá válása rövidzárlatot okozhat, ezért nagyon óvatosnak kell lenni.

Kiegészítő rendszerek

A vezérlő kimeneteket használhatjuk hűtőfolyadék szivattyúinak vezérléséhez (pl. folyó hűtés és permet hűtés). A Mach3 akár egy plazmavágó pisztolyát és asztalát is vezérelheti, a pisztoly mozgatásához azért, hogy biztosítsa az optimális vágási feltételeket. Egy rugós tartóra szerelt referencia kapcsoló segíthet a Z-tengely precíz pozicionálásában, például átlyukasztás kíván meg. Ez megfelel a Z=0 beállításának.

Digitalizáló rendszerek

A STEP/DIR vezérlők felhasználhatók digitalizáló rendszer készítéséhez is, például érintésmentes tapintóval. Egy optikai tapintó egy ponttól (pl. a főorsó végétől) Z-irányban méri a távolságot, és egy kis kitérést jelez. Az Mach3 logikai jeleket vár. Bizonyos üvegskálás (pl. enkóderek) analóg szinuszhullámot adnak, ezeket négyszögesíteni kell egy műveleti erősítő/összehasonlítóval, hogy a vezérlő interpolálhassa azokat.

Fontos szempontok és biztonság

A rendszer megbízható és biztonságos működéséhez elengedhetetlen a megfelelő tervezés és kivitelezés.

Földelés és árnyékolás

A PC-nek és a tengely-hajtásoknak közös földelési stratégiára van szüksége, ami életbevágóan fontos a sikerhez. A földelés a vezérlő elektronika egy közös pontján történik. Az árnyékolt vezetékek használata nem kötelező, de ahol érdemes (pl. bemenetek, digitális tápvezeték) célszerűek lehetnek.

Tápellátás

A vezérlő digitális tápegysége egy stabilizálatlan 9-15V DC, szűrt (min. 1000uF-al) tápegység kell, hogy legyen. A vezérlő áramfelvétele max. 0,5A. Az analóg tápegység stabilizálatlan, szűrt (Amper-enként min. 1000uF-al) tápegység kell, hogy legyen. A maximális feszültség 40V. Köztes feszültségeknél (pl. 30V) az adott érték (25V és 40V) arányos értékét kell figyelembe venni. Ügyeljünk a polaritás és sorkapocs helyes bekötéseire! Ne használjunk kapcsolóüzemű tápegységet (zavarforrás)!

Vészleállító (E-stop)

Az E-stop gombok nagy, piros gombaalakú fejjel rendelkeznek. Ha ezt megnyomják, a mozgásnak le kell állnia. Ez egy speciális, kötelező input a Mach3-ban. Amíg az E-stop aktív, addig a Mach3 újra működni fog a „reset” gomb megnyomásáig.

tags: #step #dir #vezerles #magyarázat

• Kertészeti eszközök Szolnok
• A Rover 75 hengerfejhibái
• ABS jeladó és kocka problémák Mazda 626 DiTD típusnál
• Micra II K11 alkatrész beszerzés
• Fabia 1.4 Classic értékelés