Elektroda.pl
Elektroda.pl
X

Search our partners

Find the latest content on electronic components. Datasheets.com
Elektroda.pl
NOVATEK-ELECTRO POLSKA SP. Z O.O.NOVATEK-ELECTRO POLSKA SP. Z O.O.
Please add exception to AdBlock for elektroda.pl.
If you watch the ads, you support portal and users.

Sterownik silnika krokowego

sokmarcin 20 Oct 2010 20:28 28864 27
  • Sterownik silnika krokowego

    Witam,

    Chciałbym przedstawić projekt sterownika silników krokowych. Może zacznę od tego, że historia projektu sięga ok. dwóch lat wstecz. Postanowiłem stworzyć ploter cnc - ale ze względu na koszty gotowych sterowników zdecydowałem się na własny projekt. Wydawało mi się wtedy, że to żaden problem :) i pewnie nie byłoby tak źle gdyby nie dosyć ambitne założenia:

    silnik bipolarny dwufazowy
    maksymalny prąd fazy: 12A
    napięcie pracy ok. 120V
    mikrokrok min. 16
    optoizolowane wejścia
    odporny na zwarcia itd.
    szybki i prosty montaż w obudowie

    Podczas projektu spotkałem się z problemami których rozwiązanie wymagało dużo czasu, funduszy i wielogodzinnych rozmyślań.
    Najważniejszą sprawą okazał się projekt PCB. Przy prądach dochodzących do 10A pojawiały się ciekawe efekty których wyjaśnienie nie było takie oczywiste. Generalnie w trakcie pracy powstało ok. 12 wersji PCB, początkowo jednowarstwowe, później już tylko dwuwarstwowe. Wiem, że o tym się wszędzie pisze i mówi, a teorię da się ująć w kilku zdaniach, ale w praktyce jest to bardziej skomplikowane. Każdy układ jest inny i wymaga oddzielnego podejścia. No i przede wszystkim potrzeba doświadczenia. W trakcie prac początkowe założenia nieco ograniczyłem, głównie dotyczące prądu fazy oraz napięcia zasilania. Ostatecznie udało mi się rozwiązać wszystkie problemy i powstał ładnie działający sterownik.

    Trochę o konstrukcji:

    Jako układ sterujący użyłem TMC249. Jako, że układ posiada tylko interfejs SPI, konieczny był procesor konwertujący klasyczne sygnały STEP/DIR na ramki wysyłane po SPI - tu sprawdził się prosty Atmega88 taktowany wewnętrznym oscylatorem 8 MHz. Tranzystory stopni końcowych - IRF640 - wysterowane są poprzez drivery IR2110. Może to nie najnowsza konstrukcja, jednak są względne tanie i łatwo dostępne. Częstotliwość czopowania ok. 36kHz - grzeje się trochę bardziej niż przy 20 - 25kHz, ale praca jest zdecydowanie przyjemniejsza, a przy postoju silnik nie piszczy. Zasilanie logiki zapewnia mała przetwornica, dzięki czemu możliwe było uzyskanie szerokiego zakresu wartości napięć zasilających 16-98V przy zachowaniu względnie wysokiej sprawności ok 85%.

    Odnośnie części mechanicznej - jak widać na zdjęciach sterownik przymocowany jest do radiatora o wymiarach 100x100mm, do tego też radiatora przymocowane są również tranzystory mostków które znajdują się po drugiej stronie (bottom) płytki. Sterownik powstał w dwóch wersjach - z chłodzeniem pasywnym i aktywnym. Przy najwyższych nastawach prądu fazowego potrzebny jest chociaż niewielki ruch powietrza - żeby nie trzeba było o tym pamiętać po zmontowaniu, każdy ze sterowników wyposażony został w mały wentylator o wymiarach 30x30mm. Jednak wystarczy ograniczyć prąd do ok 4-5A żeby sterownik mógł pracować będąc jedynie chłodzonym przez radiator. Wszystkie elementy można skręcić jeden do drugiego i przymocować do listwy DIN za pomocą uchwytu widocznego na zdjęciach. Moduł w postaci trzech sterowników, zasilacza oraz adaptera LPT po złożeniu jest sztywny i dobrze trzyma się listwy.

    Sterownik silnika krokowego Sterownik silnika krokowego Sterownik silnika krokowego Sterownik silnika krokowego Sterownik silnika krokowego Sterownik silnika krokowego

    Podsumowanie
    Jestem zadowolony z tego, że udało mi się zakończyć ten projekt. Jak to bywa w takich sytuacjach poniesione przeze mnie koszty wykonania przewyższyły wartość gotowych sterowników ;) Jednak dużo się przy tym nauczyłem a sterownik dobrze się spisuje (na razie u kolegi, ja niestety na swoją soją maszynę nie mam czasu...).
    W załączniku zamieszczam schemat sterownika.

    Wspomnę również, że sterownik można zakupić :) osoby zainteresowane zapraszam na PW

    Typ silnika: bipolarny dwufazowy
    Napięcie zasilania: 16V - 98VDC
    Podział kroków: 1, 1/2, 1/4, 1/8, 1/16, 1/3, 1/5, 1/10
    Prąd fazy silnika 8,2A, 7,8A, 7,2A, 6,8A, 6,2A ,5,8A, 5,2A, 4,2A, 4,1A, 3,9A, 3,6A, 3,4A, 3,1A, 2,9A, 2,1A
    Maksymalna częstotliwość sygnału STEP oraz DIR– 100 kHz - pozwala na osiągnięcie prędkości obrotowej na poziomie 7200 obrotów na minutę
    Zabezpieczenie nadnapięciowe i zwarciowe. Zabezpieczenie przed odwrotną polaryzacją napięcia zasilania.
    Optoizolowane wejścia sterowania STEP/DIR/ENABLE z filtrem cyfrowym
    Redukcja prądu cewki na postoju (powyżej 500 ms). opcja wybieralna za pomocą przełącznika DIPswitch

    Cool! Ranking DIY
    Can you write similar article? Send message to me and you will get SD card 64GB.
    About Author
    sokmarcin
    Level 20  
    Offline 
    www.onedrive.pl - sterowniki silników krokowych
    sokmarcin wrote 460 posts with rating 230, helped 7 times. Live in city Kraków/Częstochowa. Been with us since 2004 year.
  • NOVATEK-ELECTRO POLSKA SP. Z O.O.NOVATEK-ELECTRO POLSKA SP. Z O.O.
  • #3
    9osiol9
    Level 12  
    Jaki koszt wykonania jednego sterownika ?
  • #4
    FastProject
    Level 28  
    Płytki wyglądają bardzo profesjonalnie. Widać wyraźne przejścia przelotek na masę, a tam gdzie trzeba odpowiednie grube ścieżki. Moje pytanie, dlaczego wybrałeś układy IR2110, czy nie miałeś z nimi problemu?
  • NOVATEK-ELECTRO POLSKA SP. Z O.O.NOVATEK-ELECTRO POLSKA SP. Z O.O.
  • #5
    adamusx
    Level 27  
    Witam.
    Świetna konstrukcja. Zaprojektowanie i wykonanie dobrze działającego sterownika krokowego dla większych prądów to naprawdę spore wyzwanie:)

    Jaką użyłeś przetwornice do zasilania?
  • #6
    sokmarcin
    Level 20  
    Witam, dziękuje za słowa pochwały ;)

    eurotips -> wolałbym uniknąć sytuacji kiedy układ po zmontowaniu nie działa i nie wiadomo dlaczego - sprzedając gotowe sterowniki nie ma takiego problemu. Jednak jakby ktoś bardzo chciał to czemu nie.

    9osiol9 -> koszt mocno zależy od ilości sztuk w serii -> dla jednej to myślę, że ok 300 zł. Zaczyna się opłacać dopiero powyżej 10 sztuk.

    Daro_Elektronik -> IR2110 bo: są łatwo dostępne, względnie niedrogo (w odniesieniu do innych sterowników IRF) i tu w zasadzie kończą się wszystkie "za" ;) Przede wszystkim brakuje kontroli czasu martwego - w tej chwili to już nie problem, jednak podczas uruchamiania nie raz przywarłem mostek do masy.

    adamusx - > Przetwornica to mały scalak LM5009 + dławik i kilka elementów dodatkowych (R,C)
  • #7
    arrevalk
    Level 25  
    Ten radiator to w jakiej firmie można zakupić? Czy może na zamówienie był robiony?
    I jeszcze jedna uwaga co do chłodzenia. Radiatory będą skuteczniej spełniały swoje zadanie, jeżeli nie będą zakłócały naturalnego przebiegu powietrza (cieplejsze powietrze unosi się). Czyli jeżeli sterowniki montowane były by na poziomej szynie, to żebra radiatora powinny być ustawione pionowo.
  • #8
    mxseba
    Level 12  
    Sterowniki widzę profesjonal, jak na silnik krokowe 7200 obr/min to niezłą prędkosć uzyskałeś. Mógłbyś napisać jak to wygląda w praktyce na maszynie, jakie prędkości dojazdów można uzyskać. Przydał by się jakiś film z pracy maszyny na tych sterach.
  • #9
    hexen2k
    Level 16  
    Gdzie można dostać takie uchwyty na szynę DIN ?

    Co do projektu to widać ogrom pracy i serca włożone w projekt.
    Gratuluje
  • #10
    majster256
    Level 21  
    bardzo dobrze wykonany projekt :) to chyba najschludniejsze DIY jakie widziałem, niby bez obudowy, tylko z nakładką a jest lepiej niż projekty upchnięte w obudowę :)

    mam tylko pytanie co do elektroniki, widzę ze używasz NE555 do pomocy pompie pojemnościowej, zrobiłeś tak dla pewności czy ten układ nie radził sobie sam z pompowaniem tego kondensatorka?

    Pozdrawiam
  • #11
    Franek k
    Level 15  
    Bardzo ładne wykonanie. Gratuluję :)

    Mam pytanie odnośnie tych białych "nakładek", kolega robił je sam czy gdzieś zamawiał?? Jeżeli sam to czy mógłby kolega uchylić rąbka tajemnicy jaki sposób je wykonał?? Pierwszy raz spotykam się z takim czymś i mi się to spodobało :)

    Pozdrawiam
  • #12
    sokmarcin
    Level 20  
    arrevalk -> radiator kupiłem przycięty, czerniony, wymagał jedynie wywiercenia (a właściwie wyfrezowania otworów). Odnośnie przepływu - jest tak jak piszesz :), chyba, że ktoś będzie chciał zamontować na listwie przykręconej pionowo - wtedy należało by przekręcić uchwyt n bok.

    mxseba -> na razie z filmikami będzie problem, kolega maszynę jeszcze dopracowuje,a ja swoją nie wiem kiedy skończę. Jednak w najbliższym czasie będę chciał przeprowadzić jakieś testy już na maszynie. Jak coś się pojawi to wrzucę w tym temacie.

    hexen2k -> takie uchwyty są na Farnell. Firma WAGO, model 209.

    majster256 -> z pompowaniem kondensatora nie byłoby problemu, gdyby silnik cały czas się kręcił. W przypadku kiedy silnik może się zatrzymać w danej pozycji przez dłuższą ilość czasu - ładunku zgromadzonego nie wystarczy do wysterowania bramki. Stąd potrzeba pompy ładunku. Przy mocniejszych stopniach mocy stosuje się już przetwornice napięci na każdą gałąź mostka.

    Franek k -> "nakładki" to białe plexi 1,5mm wycięte na laserze - nic specjalnego ;)
  • #13
    Franek k
    Level 15  
    sokmarcin wrote:
    "nakładki" to białe plexi 1,5mm wycięte na laserze - nic specjalnego ;)


    Chciałbym się jeszcze dowiedzieć czy kolega wypalał (bo rozumiem, że napisy są wypalane) laserem napisy w jakiejś firmie (ewentualnie pracy) czy w domu?? Jeżeli metodą domową to za pomocą czego?? Jak by kolega mógł przytoczyć więcej informacji na ten temat to byłbym bardzo wdzięczny :)

    Pozdrawiam.
  • #14
    nico41
    Level 13  
    Muszę przyznać ze tak profesjonalnej konstrukcji dawno nie widziałem na tym forum. I jeszcze pytanie czy można liczyć na udostępnienie softu?
  • #15
    sokmarcin
    Level 20  
    Franek k -> napisy z laserem mają tyle wspólnego, że powstały poprzez wydrukowanie na na drukarce laserowej ;) - na folii samoprzylepnej. Po nabraniu pewnej wprawy można przykleić tak, że nie widać, że coś jest przyklejone.

    nico41 -> publicznie raczej nie, jednak jeżeli byłbyś zainteresowany samodzielną konstrukcją takiego sterownika to chętnie pomogę.
  • #16
    SylwekK
    Level 31  
    sokmarcin wrote:
    pozwala na osiągnięcie prędkości obrotowej na poziomie 7200 obrotów na minutę


    Czy to aby nie przejęzycznie ?? Kombinuję trochę z silnikami krokowymi ale takiej prędkości to w życiu nie uzyskałem. Być może to zasługa wysokonapięciowego zasilania i impulsów prądowych ale i tak jeśli to prawda co piszesz to jestem pod wrażeniem.
  • #17
    sokmarcin
    Level 20  
    hmm... postaram się jutro wieczorem lub w sobotę jakiś filmik z testów wrzucić
  • #18
    ezbig
    Level 19  
    Bardzo ładnie ci to wyszło, moja ocena to 10/10

    Mój projekt leży w szufladzie (8A, 80V, 1/128). Płytki zrobione, wsad przygotowany i przetestowany, części kupione, ale w międzyczasie kupiłem tanio gotowe sterowniki i stwierdziłem, że zabiorę się za swoje jak skończę maszynę.

    Chciałem zapytać dlaczego zdecydowałeś się na układ TMC249? Jego koszt to równowartość pozostałych elementów, a można wszystko oprogramować na jednym mikrokontrolerze.

    Do moderatora joy_pl: O co chodzi? To już wymienić doświadczeń z autorem tu nie można?
  • #19
    sokmarcin
    Level 20  
    Witam,

    wrzucam obiecany filmik. Na razie próba wygląda jak wygląda, nie miałem możliwości połączyć się pod komputer (chwilowo nie mam LPT) i dlatego silnik jest sterowany z generatora (takiego domowej roboty na 555).
    Maksymalne obroty jakie uzyskałem to ok. 6500 obr/min, chociaż tego nie mam na filmiku ;) wierzyć nie musicie, w niedługim czasie postaram się o jakieś konkretniejsze próby.


    ezbig -> koszt TMC to ok. 30 zł. Reszta elementów razem z PCB to ok 200 zł (tak bez oszukiwania, liczymy każdą śrubę, podkładkę, nypla itd. - uwierz nazbiera się) Jak dla mnie nie ma sensu zastępować układu TMC mikro kontrolerem, koszty niewiele mniejsze, a ile problemów z oprogramowaniem.
    Jeżeli kupiłeś gotowe sterowniki to powinieneś się cieszyć oszczędziłeś sobie sporo nieprzyjemności i dodatkowych kosztów.
  • #20
    lotnick
    Level 15  
    Bardzo ładnie. Gratuluję.
    Co do prędkości to sugerowałbym jeszcze sprawdzić moment silnika przy takich obrotach. Obawiam się, że silnik jest bezużyteczny już przy obrotach rzędu 1000/min. Moment spadnie kilkukrotnie.
  • #21
    katoda
    Level 20  
    Profesjonalne wykonanie :) Nie podoba mnie się jedynie finalny sposób montażu modułów. Wszystkie skręcone w jedną całość co powoduje brak dostępu do przełączników zmiany konfiguracji, kiepską widoczność kontrolek i przede wszystkim konieczność rozkręcania całości w celu wymiany jednego modułu. Wiem że są to drobiazgi ale każdy serwisant wie jak potrafią uprzykrzyć życie ;) Dał bym z innego boku solidniejsze, szersze mocowanie na szynę tak aby każdy moduł sam porządnie się trzymał szyny. Pokrywką z plexi zakrył całość razem ze złączami i kondensatorami co zabezpieczy przed przypadkowym zwarciem pomiędzy radiatorem jednego modułu a elementami drugiego. Zamienił leżący przełącznik na pionowy aby wygodnie można było go przełączać . Plexi można by nawet zagiąć na ten bok z ledami i przełącznikiem :) Sterownik był by troszkę grubszy ale na pewno nie będzie to jego wadą. Przy tych parametrach nie musi być taki kompaktowy ;)
  • #22
    sokmarcin
    Level 20  
    lotnick -> moment powyżej pewnych obrotów - tak jak piszesz - znacznie spada, jednak to nie uniemożliwia pracy silnika nawet na maszynie (pod warunkiem, że moment oporów maszyny będzie mniejszy od momentu silnika) Postaram się umieścić w niedługim czasie filmiki z pracy sterowników na maszynie...

    katoda -> dzięki za propozycje, ogólnie to mam już koncepcję zmiany części mechanicznej, jednak to wszystko nie jest takie proste, niestety wiążą się z tym koszty które dosyć sporo podwyższają cenę sterownika. Ostateczny wygląd będzie zapewne kompromisem pomiędzy ceną a funkcjonalnością.
  • #23
    lotnick
    Level 15  
    Quote:
    lotnick -> moment powyżej pewnych obrotów - tak jak piszesz - znacznie spada, jednak to nie uniemożliwia pracy silnika nawet na maszynie (pod warunkiem, że moment oporów maszyny będzie mniejszy od momentu silnika)


    Aby układ miał sensowną dynamikę to musi mieć odpowiedni moment. Chyba się zgodzisz? Nie wiem po co takie gigantyczne obroty, przecież to nie wrzeciono.
    Aby rozbujać się do kilku tysięcy to też trzeba czasu, przecież sam silnik też ma inercję.
    Z niecierpliwością czekam na informacje o realnych osiągach.
    Pozdrawiam
  • #24
    sokmarcin
    Level 20  
    lotnick -> zgadzam się z Tobą, jednak swoje też widziałem i wiem ;) Myślę też, że teraz nie ma sensu prowadzić dyskusji, poczekajmy...

    Tymczasem chciałem jeszcze wrzucić oscylogramy prądu fazowego dla kilku nastaw.

    Sterownik silnika krokowego Sterownik silnika krokowego Sterownik silnika krokowego Sterownik silnika krokowego Sterownik silnika krokowego Sterownik silnika krokowego Sterownik silnika krokowego
  • #25
    Przem188
    EDA specialist
    Projekt płytki wykonany w Cadstarze, jak poznaje. Zgadza się? A mogę liczyć na udostępnienie?
  • #26
    sokmarcin
    Level 20  
    A po czym kolega wnosi? ...pewnie głównie po schemacie. Niestety pewnych szczegółów w Cadstarze nie byłem wstanie zrobić i ostatecznie przeszedłem z projektem na inny program co też powinieneś zobaczyć. (no chyba że nowy cadstar też ma takie możliwości).
    Odnośnie projektu - to chcesz złożyć sterownik czy tak tylko pooglądać? ;)
  • #27
    robert557
    Level 13  
    sokmarcin wrote:

    Odnośnie projektu - to chcesz złożyć sterownik czy tak tylko pooglądać? ;)


    Witam
    Myślę że nie jeden kolega by chciał zbudować swoją elektronikę do maszynki na tym sterowniku możliwości o wiele większe niż układy prezentowane dotychczas na forum ja sam bym bez zastanowienia zamienił swoje sterowniki zrobione na TA
    Czy kolega myślał o szerszym upowszechnieniu projektu odsprzedaży PCB i wsadu do procka?
  • #28
    sokmarcin
    Level 20  
    Witam, w związku z dużą ilością pytań napisze jak to wygląda:

    Zrobienie nawet trzech sztuk cenowo nie wychodzi najlepiej. Zainteresowanym kolegom proponuje zerknąć na schemat i zobaczyć ceny i dostępność elementów. Niektóre dostępne tylko na Farnellu.

    Dodatkowo dochodzi również problem uruchomienia sterownika - nie chciałbym żeby poszła negatywna opinia o sterowniku tylko dlatego, że ktoś nie poradził sobie z uruchomianiem.

    A tak dostajecie gotowy, zmontowany i przetestowany sterownik z gwarancją po cenie nie wiele większej niż przy samodzielnym montażu.

    Jednak jakby ktoś bardzo chciał złożyć sam to mogę zaoferować PCB wraz zaprogramowanym procesorem.