PIC İŞLEMCİ DENETİMLİ ADIM MOTOR MİKROADIM SÜRÜCÜSÜ. Erhan AKDOĞAN Marmara Üniversitesi Teknik Bilimler MYO, 81040, Göztepe

Transkript

1 3. ULUSLARARAS İLERİ TEKNOLOJİLER SEMPOZYUMU, 18-0 AĞUSTOS 003, ANKARA PC LEMCİ DENETİMLİ ADM MOTOR MİKROADM SÜRÜCÜSÜ Erhan AKDOĞAN Marmara Üniversiesi Teknik Bilimler MYO, 81040, Gözepe Hasan Çelik Marmara Üniversiesi Teknik Eğiim Fakülesi, 81040, Gözepe ÖZET Adım moorları, bilgisayar çevre birimlerinden endüsriyel robolara, hidrolik servo valflerden birçok biyomedikal cihazlara kadar son derece geniş kullanım alanına sahipir. Adım moorları, uygulanan giriş darbelerine göre belirli bir açıda dönerek, bu harekei sonlandırırlar. Bu işleyiş arzının emel avanajı, isenilen oranda hareke mikarı oluşurma ve durdurulduğu konumda sabi kalabilmesidir. Adım moorlarında en küçük hareke yeeneği bir adımdır. Üreim özelliğine bağlı olarak farklı adım büyüklüklerine sahip moorlar üreilebilmekedir. Ancak günümüzde 1.8 derecelik adım moorları üreim ve kullanımda yaygınlaşmışır. Daha küçük adımlama özellikleri ise mikroadımlama (microsepping) ekniği ile mümkündür. Bu eknike sürekli formda mikro harekeler yapılabilmekedir. Ayrıca mikroadımlama, adım moorlarında -adımlar arası duruşlar nedeniyle- düşük hızlarda oraya çıkan süreksizlikleri ve vibrasyon ekisini oradan kaldırmaka, yumuşak dönme harekei sağlamakadır. Bu eknike, adım moorunun her iki sargısına uygulanan akımlar sinüs ve kosinüs fonksiyonları şeklinde konrol edilir. Mikroadımlama ekniğinde, bir am adımın yarısında bir sargıdaki akım sabi uularak diğer sargıdaki akım değişirilir. Tam adımın diğer yarısında ise ilk yarıda sabi uulan akım değişirilir iken diğer sargıdaki akım sabi uulur. Bu çalışmada PC16F877 işlemcisi ile bir mikroadım sürücü devresi gerçekleşirilmişir. Bu amaçla mikroadımlamanın avanajları oraya konmuş, mikroadımlama eorisi verilmiş ve gerçekleşirilen düzenek açıklanmışır. Anahar Kelimeler: Mikroadımlama, adım moor, PC işlemciler A MCROSTEP DRVER FOR STEPPER MOTOR BY USNG PC MCROCONTROLLER ABSTRACT Sepper moors have many applicaion areas: indusrial robos, servo valves, biomedical equipmen ec. Sepper moors, roae wih definie angle and sop according o inpu pulses. This mehod s advanage is make desired moion quaniy and sopped o finish posiion. n sepper moors, produced differen roae angle. Bu mosly used ha sepper moors have 1.8 degrees roae angles. Wih microsepping, smaller sepping abiliy can possible. n his ecnique, in coninuous form, micro movemen can be maked. Seperaely, o remove disconinuous in low speed and vibraion, provided o smooh roaion wih microsepping. Applying curren conrolled o sinus and cosine funcions, in windings. n one winding, curren is 59

2 3 RD NTERNATONAL ADVANCED TECHNOLOGES SYMPOSUM, AUGUST 18-0, 003, ANKARA consan for a half of he full sep and oher winding curren varying sinusoidal. Anoher half of he full sep, his process changing. n his paper, a sepper moor driving for microsepping wih PC16F877 is realized.wih his aim, microsepping advanages, microsepping heory and microsepping driver ki are explained. Key Words: Microsepping, sepper moor, PC microconrollers 1.GİR: Adım moorları günümüzde kendisine birçok uygulama alanı bulmuş elemanlardan biridir. Adım moorları, uygulanan giriş darbelerine göre belirli bir açıda dönerek, bu harekei sonlandırırlar. Bu işleyiş arzının emel avanajı, isenilen oranda hareke mikarı oluşurma ve durdurulduğu konumda sabi kalabilmesidir. Faka bazı uygulamalar adım moorlarının mevcu dönme açılarından daha küçük açılar gerekirmekedir. Bu amaçla mikro adımlama adı verilen eknik gelişirilmişir. Mikroadımlama ekniğinde 1.8 dereceden daha küçük açılarda dönme sağlanabilir. Eğer am ve yarım adımlama da sargılara verilen akımlar incelenirse akım var yada yok şeklinde olduğu görülür, mikroadımlamada ise sargılara verilen akımlar, akımın genlik fonksiyonuna bağlıdır. Bu akımlar konrollü şekilde sargılara uygulanarak mikroadımlama gerçekleşirilir. Bu yüzden mikroadımlama, rasgele adım moor sürme ekniklerinden daha karmaşık işlemler gerekirir. Mikroadımlama ekniğinin avanajları şu şekilde sıralanabilir: [1] Rezonans problemi düşük adım oranlarında meydana gelir.mikroadımlama adım moorlarının rezonans problemini azalır. Eğer bir adım mooru mikroadımlarla hareke eirilirse yani am adımın (full sep) ¼, 1/8, 1/16, 1/3 oranlarında, aynı rpm için (4, 8, 16, 3) gibi fakörlerle adım oranı arırılır. Çok küçük rpm değerlerinde bu işlem adımlayıcı performansını arırır. Düşük hızlarda yumuşak hareke Adım pozisyonlama rezolüsyonunun arımı ( küçük adım açıları vasıası ile) Düşük ve yüksek adım oranlarında yüksek ork eldesi. MİKROADMLAMA TEORİSİ: Adım moora uygulanan akımlar incelendiğinde, am yada yarım adımların ardarda gelmesi durumunda her dör adımdan sonra moorun dönme işlemini amamladığı görülür. Adım moorunun bu durumu her dör adımda, bir elekriksel periyodun amamlandığını göserir. Elekriksel 360 derece, moorun dönme açısından farklıdır. Bir elekriksel periyo dör am adımı içerir. Bu yüzden bir am adım açısı 90 derecelik elekriksel açıya karşılık gelir. Eğer bu elekriksel açı daha küçük dilimlere bölünürse, saor sargıda bir akıma karşılık gelir. Şekil 1 de bu açıkça görülmekedir. Değişen akım bir sinθ veya cosθ fonksiyonuyla ifade edilebilir. Bu akımlar adım moorun sargılarına uygulanarak mikroadımlama gerçekleşirilir. 60

3 3. ULUSLARARAS İLERİ TEKNOLOJİLER SEMPOZYUMU, 18-0 AĞUSTOS 003, ANKARA Adımlar :A Sargısı :B Sargısı Şekil 1. Mikroadımlamada saor akımlarının değişimi ve sonuç akımlar Sargıya enerji verildiği zaman her sargıda bir akı oluşur. Akım, sargı akım vekörlerinin oplamı ile oranılıdır. Sonuç akımlar, elekriksel 90 ve 45 derecedir ve bu sırayla değişir. Gerekli dönme akısı elde edildiğinde sargı akımının genliği şu bağınıyla elde edilir. [1] a a b = *sinθ = *cosθ : saor sargısı A akımı : saor sargısı B akımı b θ : bir am adımda elekriksel açı (mikro adım açısı) : oranlanmış sargı akımı sonuç saor akımı saor : (1) = = ( sinθ ) + ( cosθ ) * sin θ + cos θ () Şekil 1 de görüldüğü gibi her sargıdaki akım hava boşluğunda değişen dönme akısıyla eşleşirilmiş ile değişir. Elekriksel açı θ nın her arımında, θ açılı akımı bir akı ve ork oluşurur. Böylece sabi bir akı/ork oranı elde edilir. Faka praike bir sargıdaki akım, am adımın yarısında sabiir ve diğer sargılarda sinθ nın bir fonksiyonu olarak değişir. Bu ilişki şekil de görülmekedir. 61

4 3 RD NTERNATONAL ADVANCED TECHNOLOGES SYMPOSUM, AUGUST 18-0, 003, ANKARA A Sargısı B Sargısı 0 1/ 1 1,5,5 3 3,5 4 Sonuç akımı ise; Adımlar Şekil. Faz-Akım ilişkisi = + ( *sinθ ) = 1+ sin θ şeklinde elde edilir. 3. PC 16F877 DENETİMLİ ADM MOTOR MİKROADM SÜRÜCÜ DEVRESİ: Teoride, 3 den fazla mikroadım olabilir. Faka bunun praike sağlıklı bir şekilde gerçekleşirilmesi mümkün değildir. Performans vermediği yapılan çalışmalarla kanılanmışır [1]. Moor, her iki sargıdaki akımın konrolü ile sürülür. Akımın değişimi bölüm de izah edildiği gibi sinüs ve kosinüsün bir fonksiyonudur. Alernaif olarak ek bir sargıda akım sabi uulur iken diğerinde değişirilerek mikroadımlama gerçekleşirilir. Bu işlem farklı iş sürelerine (duy cycle) sahip PWM darbelerinin bir sürücü vasıasıyla moora verilmesi ile gerçekleşirilir. PC işlemciler düşük maliyeleri, programlama kolaylığı, geniş giriş yelpazesi ve uygulama alanlarından dolayı endüsriyel uygulamalarda son yıllarda sıkça kullanılmaya başlanmışır. Adım moorun sürülmesi için iki farklı PWM darbesine ihiyaç vardır. Bu maksala gerçekleşirilen uygulamada iki PWM çıkışına sahip olan PC 16F877 kullanılmışır. PC 16F877 nin diğer bazı önemli özellikleri şunlardır:[] 0 Mhz saa girişi 8K Flash Bellek 35 komu RSC mimari Direk, dolaylı ve relaif adresleme Power on Rese (POR) Power up Timer (PWT) Programlanabilir kod koruma 6

5 3. ULUSLARARAS İLERİ TEKNOLOJİLER SEMPOZYUMU, 18-0 AĞUSTOS 003, ANKARA 3 ade zamanlayıcı 10 Bi A/D çevirici Mikroadımlama, bir am adımın yarısında moor sargılarının birinde akım sabi uulur iken diğerinde akımın sinusoidal olarak değişirilmesi prensibine dayanır. Bu işlem şekil 3 e görülmekedir. A Sargısı B Sargısı 0 1/ 1 1,5,5 3 3,5 4 Adımlar yada Zaman Şekil 3. Saor sargılarındaki akım değişimi Uygulama düzeneği üç bölümden oluşmakadır. PC işlemci, lojik devre ve moor sürücü. PWM çıkışları ve konrol uçları PC işlemci ile üreilip hangi sargıya akım verileceğini seçen lojik devreye ileilir, lojik devrenin çıkışları ise adım moor sürücüye bağlanmışır. Şekil 4 e devrenin blok diyagramı görülmekedir. Moor sürücü olarak L98 (H-Bridge) kullanılmışır. Lojik devre bir NOT(7404) ve bir AND (7408) kapısından meydana gelmekedir. GND (1,31) EN1 EN RESET (1) OSC (13,14) PC 16F RB3 35 RB 16 CCP PWM 17 CCP1 PWM1 LOJİK DEVRE MOTOR SÜRÜCÜ L98 ADM MOTORU +5V RB5=EN, RB4=EN1, RB3 =CNT1, RB=CNT (11,3) Şekil 4. Mikroadımlama devresi blok diyagramı 63

6 3 RD NTERNATONAL ADVANCED TECHNOLOGES SYMPOSUM, AUGUST 18-0, 003, ANKARA PC 16F877 PWM çıkışlarının ayarlanmasına dair işare akış diyagramı Şekil 5 e verilmişir. PR yazıcısı kullanılarak PWM periyodu ayarlanır: CCPR1L yazıcısı ve CCP1CON<5:4> bileri kullanılarak PWM iş süresi ayarlanır. CCPR1L 10 bi iş süresinin üs 8 biini, CCP1CON<5:4> al iki biini içerir. TRCC<> biinin clear edilmesiyle CCP1 pini çıkış yapılır. PWM ÇKŞ PWM için CCP1 ayarlanır TCON ile TMR akif ve TMR prescale ayarlanır Şekil 5. PC 16F 877 PWM çıkışının ayarlanmasına ilişkin akış diyagramı Adım moorun 3 mikroadım/adım oranla dönmesi için elekriksel 5.6 derecelik (90/16) arımlarla akımın sargılara verilmesi gerekir. Bu amaçla; ilk 16 adım (0-15) için A sargısına uygulanması gereken akım sin(n 5,6 0 ), n=1..16 sonraki 16 adım (16-31) için B sargısına uygulanması gereken akım cos(n 5,6 0 ), n=1..16 sargılara uygulanır. Bir am adımın ilk yarısında A sargısına akım uygulanırken B sargısında akım sabi uulur. Tam adımın diğer yarısında akım B sargısına uygulanır, A sargısında sabi uulur. Bu işlemin gerçekleşirilmesi için 3kHz frekanslı PWM darbelerinin iş süreleri hesaplanmış ve Tablo 1 oluşurulmuşur. Tablo 3 mikroadım/adıma göre hesaplanmışır. 16,8,4, yarım adım ve am adım oranlarında dönme değerleri ablodan elde edilebilir. Oluşurulan ablo bir am adıma yani bölüm de bahsedildiği gibi elekriksel 90 derece ye karşılık gelir. Tablo1. Mikroadımlama ablosu ADM SARG B PWM1 PWM ADM SARG A PWM1 PWM 0 Sin 5,6 %100 %9,8 16 Cos 5,6 %9,8 %100 1 Sin11,5 %100 %0 17 Cos11,5 %0 %100 Sin16,8 %100 %9 18 Cos16,8 %9 %100 3 Sin,5 %100 %38 19 Cos,5 %38 %100 4 Sin8 %100 %47 0 Cos8 %47 %100 5 Sin33,75 %100 %56 1 Cos33,75 %56 %100 6 Sin39 %100 %63 Cos39 %63 %100 7 Sin45 %100 %71 3 Cos45 %71 %100 8 Sin50,6 %100 %77 4 Cos50,6 %77 %100 9 Sin56,5 %100 %83 5 Cos56,5 %83 % Sin61,8 %100 %88 6 Cos61,8 %88 % Sin67,5 %100 %93 7 Cos67,5 %93 %100 1 Sin73,1 %100 %95,6 8 Cos73,1 %95,6 % Sin78,75 %100 %98 9 Cos78,75 %98 % Sin84,35 %100 %99,5 30 Cos84,35 %99,5 % Sin90 %100 % Cos90 %100 %100 64

7 3. ULUSLARARAS İLERİ TEKNOLOJİLER SEMPOZYUMU, 18-0 AĞUSTOS 003, ANKARA 4. SONUÇ VE GELECEK ÇALŞMA: Mikroadımlama, küçük dönme açıları ve yumuşak dönme harekei gerekiren hassas uygulamalarda kullanılır. Bu amaçla bu çalışmada günümüzde maliye, kullanım kolaylığı, geniş uygulama alanı gibi özellikleri nedeniyle son yıllarda endüsriyel uygulamalarda sıkça kullanılan PC işlemci ile mikroadım adım moor sürücü gerçekleşirildi. Piyasada bulunan adım moor sürücü devreleri bu işlemciler yoluyla daha düşük maliyelerle imal edilebilir. Uygun PC işlemci yardımıyla gerçekleşirilecek bir yazılımla bilgisayar konrollü adım moor sürme işlemi gerçekleşirilebilir. Böylece hız, adım sayısı, ileri/geri dönme konrol edilebilir. Ayrıca mühendislik ve eknik eğiim faküleleri, meslek yüksekokulları ve liselerinin ilgili bölümlerinde adım moor sürülmesi ile ilgili deneylerde eğiim amaçlı kullanılabilir. KAYNAKLAR [1]. Microchip Technology nc., Sepper Moor Microsepping wih 18C45, Microchip Applicaion Noes- AN8, 00. []. Microchip Technology nc., 8/40 pin 8-bi CMOS FLASH Microconrollers, Microchip Daa Shees PC16F87X,