Mehatronika - Senzori Zakreta i Upravljanje Stepper Motorom

Sadržaj predavanja:

1. Rezolveri za mjerenje kuta zakreta

2. Synchro uređaji za mjerenje kuta zakreta

3. Inkrementalni Optički Enkoder

4. Absolutni Optički Enkoder

5. Upravljanje Unipolarnim Stepper Motorom

RezolverRezolver je analogni uređaj koji služi za mjerenje stupnjeva rotacije. Rezolver je i vrsta rotirajućeg električnog transformatora i spada u skupinu indukcijskih senzora.

Kod rezolvera, imamo četiri pola na statoru čiji su namoti međusobno postavljeni pod kutem od 90𝑜.

Četvoropolni resolver

Ako na namotima rotora damo napon u tom slučaju se na namotima statora rezolvera inducira električni napon.

Mjerenjem napona induciranog nastatorskim namotima dobivamo informaciju o kutu zakreta.

Tipična točnost rezolvera je oko 5-0.5 lučnih (kutnih) minuta (jedna kutna minuta je 1/60 stupnja)

RezolverAko na namote rotora damo sinusni signal fiksne frekvencije 𝑓 i amplitude 𝐴𝑟:

(1) 𝑢𝑟 𝑡 = 𝐴𝑟sin(ω𝑡)

gdje je ω = 2𝜋𝑓 i 𝑢𝑟 𝑡 je napon na rotoru. Kada se rotor ne bi okretao tada bi naponi na namotima statorima bili:

(2) 𝑢𝑠1 𝑡 = 𝐴𝑠sin ω𝑡

(3) 𝑢𝑠2 𝑡 = 𝐴𝑠sin ω𝑡

Gdje je 𝐴𝑠 amplituda na namotimastatora i ovisi o omjeru broja namotastatora i rotora.

RezolverFunkcija rezolvera je da rezolvira kut zakreta motora 𝜃 u sinuse i kosinuse kuta, zbog toga se i naziva resolver.

Ako se rotor rezolvera zakrene za kut 𝜃 tada se magnetski tok kroz zavojnice promijeni proporcionalno sinusu i kosinusu kuta zakreta 𝜃 te su i naponi na statoriskim zavojnicama proporcionalni sinusima i kosinusima kuta 𝜃 :

(4) 𝑢𝑠1 𝑡 = 𝐴𝑠sin ω𝑡 sin(𝜃)

(5) 𝑢𝑠2 𝑡 = 𝐴𝑠sin ω𝑡 𝑐𝑜𝑠(𝜃)

Naponi na statoru 𝑢𝑠1 𝑡 i 𝑢𝑠2 𝑡 su dakle međusobno fazno pomaknuti za kut 90𝑜.

RezolverSinusni i kosinusni signali statora su envelopa napona na statorima kada rotor miruje. Ovakvo formatiranje signala omogućava redukciju šuma.

Amplitude envelope, tj. njihov omjer određuju kut zakreta rezolvera.

Kada uzimamo uzorke sa rezolvera preko A/D pretvarača, ne računa se njihov omjer već se kut može odrediti iz tablica.

Direktno pretvaranje A/D sinusnih i kosinusnih signala nije preporučivo već je bolje rješenje koristiti tracking RDC (Resolver-to-Digital Converter)

Rezolver to Digital Converter (RDC)Signal sa izlaza statora je multiplicira pomoću sinusnog i kosinusnog multiplikatora koji množe signale sa sinusom i kosinusom kuta zakreta 𝜑.

Razlika ta dva multiplicirana signala se dovode na diferencijalno pojačalo te se izlaz sa diferencijalnog pojačala dovodi na sinkroni demodulator (detektor na shemi) gdje je izlaz proporcionalan sinusu razlika kuta osovine 𝜃 i kuta pomaka 𝜑.

Taj podatak se integrira i dobiva se brzina zakretanja te se dovodi na VCO (voltage controlled oscillator)

RDC Integrirani Krug AD2S1210Monolitna izvedba RDC-a:

• točnost ±2.5 lučnih minuta

• rezolucija 10/12/14/16 bita (postavlja korisnik)

• paralelni (10 i 16bita) i serijski data port

• emulacija inkrementalnog enkodera

• diferencijalni ulazi za sinus i kosinus kuta sa rezolvera

• serijski SPI prijenos

• 5V napajanje sa 3.3V ili 5V logikom

RDC Integrirani Krug AD2S1210 - Shema Spajanja na Rezolver

Na slici je shema spajanja na rezolver.

• AD2S1210 takt daje 8.192MHz kristal koji se spaja na CLKIN i XTALOUT uz odgovarajuće kondenzatore za dekuplažu (20pF)

• Napajanje (DVDD) ADS2S1210 se također spaja preko kondenzatora za dekuplažu na masu (DGND)

• Na izlazima EXC se daje signal excitacije rotora dok se sinusni i kosinusni izlazi daju na COS i SIN ulaze AD2S1210

• EXC (excitacijski izlazi) su spojeni na rotor rezolvera preko odgovarajućeg buffera.

RDC Integrirani Krug AD2S1210 - Buffer za Excitaciju Rotora

Kondenzator C1 se dodaje pojačalu da se isfiltriraju moguće smetnje. U tom slučaju kombinacija R1,R2,C1 predstavlja filter i komponente treba pažljivo odabrati.

Signale sinusa i kosinusa (SIN,SINLO,COS,COSLO) je poželjno dovesti na AD2S1210 pomoću parica koje se nalaze u oklopu (screened twisted pair)

Synchro Analogni Uređaj za Mjerenje Kuta zakretaKod rezolvera imamo 4 pola (4 namota) koji su međusobno prostorno razmješteni za kut 90𝑜. Synchro ima 3 faze (6 polova) koje su međusobno razmještene za prostorni kut od 120𝑜.

Synchro je precizniji (ima veću rezoluciju) od rezolvera i najčeće se koristi u avijacijskoj industriji i u radarskoj tehnici kada se mjeri kut zakreta antene.

Kao i kod rezolvera imamo namote na rotoru koje pobuđuje AC izvor (primar). Zakretanjem rotora inducira se napon na statoru (sekundar) zbog promjene magnetnog toka.

Ovakvi transformatori su se intezivno koristili u vojnoj tehnici kod sustava za upravljanje vatrom.

Synchro Analogni Uređaj za Mjerenje Kuta zakretaSynchro uređaji imaju visoku otpornost na izvore smetnji (noise immunity). Prijelazne pojave (vršci napona) doduše pridonose pogrešci određivanja kut zakreta ali ako su kratkog trajanja ne doprinose bitno ukupnoj grešci.

Zbog toga se synchro uređaji intezivno koriste kod radarskih antena koje su snažani izvor zračenja i EMI smetnji same po sebi.

Također ova karakteristika je bitna kada se konverter synchro signala u digitalne signale nalazi daleko od izvora synchro signala (motora).

Synchro Analogni Uređaj za Mjerenje Kuta zakretaSynchro uređaj se može spojiti na RDC pomoću Skotova (Scott's) transformatora. Skotov transformator pretvara synchro signale u rezolverske signale pomoću električne sheme na slici:

Ako na ulaze S1,S2,S3 dovedemo signale u synchro formatu na izlazu Skotovog transformatora pojavljuju se sinusni i kosinusni signali:

(6) 𝑠𝑖𝑛 ≈ 𝑆3 − 𝑆1

(7) 𝑐𝑜𝑠 ≈ 𝑆2 −𝑆1−𝑆3

2

2

3

U gornjem pojednostavljenom krugu krugu nedostaje poželjna galvanska izolacija signala. Također se moraju koristiti otpornici visoke preciznosti (0.01%) te moraju imati otprilike isti temperaturni koeficijent da bi se dobilo 2 lučne minute preciznosti.

Synchro Analogni Uređaj za Mjerenje Kuta zakretaNaponi na statoru synchro uređaja su nešto drukčiji nego kod rezolvera i mogu se izraziti pomoću jednadžbi:

(8) 𝑢𝑠31 𝑡 = 𝐴𝑠sin ω𝑡 sin(𝜃)

(9) 𝑢𝑠23 𝑡 = 𝐴𝑠sin ω𝑡 𝑠𝑖𝑛(𝜃 + 120𝑜)

(10) 𝑢12 𝑡 = 𝐴𝑠sin ω𝑡 𝑠𝑖𝑛(𝜃 − 120𝑜)

Signali (8)-(10) se dovode na Skotov

transformator te se preko RDC-a pretvaraju

u digitalne signale.

Optički Enkoderi

Najednostavniji optički enkoder je prikazan na slici. Na osovini motora nalazi se disk sa utorima koji prekida svjetlosnu zraku.

Preko fotodiode dovodi se signal na pojačalo te je frekvencija izlaznog signala proporcionalna brzini vrtnje 𝜔 osovine motora.

Enkoder na slici je ujedno i inkrementalni enkoder.

Optički EnkoderiOptički enkoderi su digitalni uređaji i zbog svog dizajna imuni su na elektromagnetske smetnje (EMI) te na šum. Zbog toga se za regulaciju elektromotora kao senzor najčešće koriste optički enkoder.

Optički enkoderi dolaze u dva osnovna oblika:

• inkrementalni enkoderi - kod ove vrste enkodera generira se fiksni (unaprijed definirani) broj pulseva po rotaciji motora. Da bi se izračunao kut zakreta motora potrebno je brojati pulseve enkodera.

• absolutni enkoderi - ova vrsta optičkog enkodera daje digitalnu informaciju o apsolutnom kutu zakreta motora (nije potrebno brojati pulseve). Absolutni enkoderi se dalje dijele na single turn i multiturn enkodere.

Optički Enkoderi-usporedba inkementalnih i absolutnih enkodera

Inkrementalni EnkoderiInkrementalni enkoderi mjere promjene u kretanju osovine motora - odatle naziv, ukupnom kutu zakreta motora se dodaje (inkrementira) pomak.

Inkrementalni enkoderi proizvode jedan puls po unaprijed definiranom kutnom zakretu.

Najčešća izvedba inkrementalnog enkoderaje u obliku diska sa prorezima.

Inkrementalni EnkoderiInkrementalni enkoderi se obična sastoje od dva kanala, tj. kanala A i kanala B. Razlog je da možemo detektirati promjenu smijera vrtnje. Kanal A daje pulseve u smijeru kazaljke na satu

dok kanal B daje pulseve suprotno od smijera kazaljke na satu

Enkoderi ovog tipa se nazivaju još i kvadraturni (eng. quadrature) enkoderi.

Inkrementalni EnkoderiAko inkrementalni enkoder ima dva kanala, problem je kako detektirati promjenu smijera vrtnje?

Signali kvadraturnog enkodera se razlikuju u fazi za 90𝑜. Ako se motor vrti u smijeru kazaljke na satu onda prvo dolazi signal A pa onda signal B. (dakle A prethodi B)

Ako dođe do promjene smijera vrtnje puls na A se produžuje a puls na B se skraćuje i to se može detektirati putem elektroničkih sklopova. Nakon ovog događaja kanal B prethodi kanalu A

Inkrementalni EnkoderiInkrementalni enkoderi imaju rezoluciju koja pomoću CPR (counts per rotation), to je broj impulsa koji daje enkoder za jednu punu rotaciju od 360𝑜.

Do sada smo promatrali inkrementalni enkoder kao uređaj sa rezolucijom 1x. To znači da bi brojač impulsa registrirao zakret na svaki uzlazni brid kanala A.

Inkrementalni enkoder možemo interpretirati i kao uređaj sa rezolucijom 2x. Tada bi brojilo trebalo reagirati na uzlazni brid oba kanala A i B.

Možemo rezoluciju još povećati ako povećamo brojilo i na ulazni i na silazni brid oba kanala A i B. Tada je rezolucija 4x

Rezolucija i Točnost inkrementalnog enkoderaRezoluciju definira broj segmenata za mjerenje kuta (broj proreza) po punom kutu od 360𝑜, tj. po broju pulseva za zakret od 360𝑜. Najprecizniji inkrementalni enkoderi imaju rezoluciju i do 10000 pulseva na 360𝑜 (PPR-Pulse Per Revolution).

Točnost je različita od rezolucije. Savršena točnost bi bila kada bi svi prorezi (sve podjele kuta) bili jednako razmaknuti što tehnološki nije moguće.

Inkrementalni EnkoderiPoznati proizviđači inkrementalni enkodera:

• Honeywell (sensing.honeywell.com)

• Omron (http://www.ia.omron.com)

• Red Lion Controls

• CTS Electrocomponents

• Copal Electronics Inc.

• Broadcom Limited

• Bourns Inc.

• SICK Sensor Intelligence (www.sick.com)

Pinovi Inkrementalnog EnkoderaInkrementalni enkoderi dolaze sa 4-5 izlaza:

• A - kanal "A"

• B - kanal "B"

• 5V - napajanje enkodera

• G - ground

• I - opcionalno indeksiranje, kod nekih inkrementalnih enkodera daje se puls kod svake pune revolucije osovine motora

Inkrementalni EnkoderiOmronov optički enkoder serije 600 je inkrementalni optički enkoder koji daje 128 impulsa po revoluciji motora na svakom od kanala A i B.

Napaja se naponom Vcc=5V te mu je potrebna struja napajanja 30mA.Brzina vrtnje: 300 RPM (max)Vijek trajanja: 10 million shaft rotations (min)

Način Spajanja Inkrementalnog Enkodera Na Brojilo

Enkoder se spaja na brojilo putem oklopljenog twisted pair kabela. Oklop treba uzemljiti na strani brojila a nikako na obje strane (motora i brojila)

Kabel kojim se spaja enkoder mora biti twisted pair zbog toga da se ponište inducirani naponi u žicama što je bitno u industrijskom okruženju.

Signal sa enkodera se može pretvoriti u diferencijalni te se preko pojačala spojiti na brojilo da se umanji mogućnost smetnji.

Absolutni EnkoderAbsolutni enkoderi kodiraju kut zakreta motora pomoću digitalnih znamenki. Svakom kutu u rasponu od 0𝑜-360𝑜 dodijeljen je odgovarajući binarni broj.

Absolutni enkoder se sastoji od diska sa određenim brojem traka.

Svaka od traka ima dvostruko više zareza od prethodne.

Broj traka je jednak broju bita rezolucije apsolutnog enkodera.

Svaka od traka predstavlja potenciju broja 2!

Posjeduje memorijsko svojstvo. Čak i kad ostane bez napajanja pamti poziciju.

Absolutni EnkoderPostoje dva različita načina kodiranja diska:

• Binarno kodirani disk

• Disk kodiran uz pomoć Grayevog koda

Binarno kodirani disk Disk sa Grayevim kodom

Absolutni EnkoderGrayevo kodiranje diska apsolutnog enkodera osigurava da se samo jedan bit može promijeniti između dva susjedna položaja osovine motora.

Kod Grayevog kodiranja nije moguće dvosmisleno interpretiranje položaja motora.

Grayev kod putem tablice treba prevesti u kut zakreta osovine motora.

Absolutni EnkoderOMRON E6C3-A

•Rezolucija 1024 (10 bita)

•Napajanje 12-24 VDC

•Max. brzina: 1100 RPM

Upravljanje Unipolarnim Stepper MotoromUnipolarni step motor se sastoji od niza namota rotora i statora. Međutim, 4-fazni step motor ima samo četiri faze (A,B,C,D). To je zbog toga što su sve faze sa istom oznakom međusobno spojene. Slijed faza je naizmjeničan, ponavljaju se grupe ABCD.

Kada damo napon na fazu A tada se step motor namjesti na položaj A.

Faze A,B,C,D su označene bojama:• smeđa - A• crvena - B• žuta - C• plava - DTakođer imamo i bijelu i crnu (COM) te se obično spajaju na +12V.

Unipolarni step motor sa 4 faze

Upravljanje Unipolarnim Stepper Motorom

Za spajanje unipolarnog stepper motora na digitalne izlaze može se koristiti ULN2003A integrirani krug koji se sastoji od 7 darlington sklopova sa zaštitnom diodom za ukapčanje induktivnih sklopova.

Upravljanje Unipolarnim Stepper Motorom

Svaki od izlaza ULN2003A može dati oko 500mA struje.

Ako je potrebno više ampera struje može se povezati nekoliko integriranih krugova ULN2003A

Pošto se prilikom gašenja namota step motora inducira napon, zaštitna dioda će provesti induciranu struju te tako zaštititi sklop.

ULN2003A

Darlington sklop sa zaštitnom diodom za ukapčanje induktiviteta

Upravljanje Unipolarnim Stepper Motorom

Za veće amperaže možemo upravljati step motorom pomoću MOSFET tranzistora u sklopu sa zenner diodom za limitiranje maksimalnog napona.

Ako na ulaz MOSFET-a dovedemo logičku "1" tada je je jedan kraj namota uzemljen a drugi kraj je na +12V.

Upravljanje Unipolarnim Stepper MotoromMotorom možemo upravljati na više načina:

• Full Step

• Full Step sa pojačanim zakretnim momentom

• Half Step

• Microstep

Upravljanje Unipolarnim Stepper Motorom

Normalna full step sekvenca

Alternativna full step sekvenca sa pojačanimzakretnim momentom