Контроль датчиков и приводов

Система предназначена для приема и обработки информации с измерительных датчиков и управления биполярными шаговыми двигателями мощностью до 500 Вт с дроблением шага 1/1, 1/2,1/4,1/16.

Конфигурирование и управление системой осуществляется с PC через Ethernet или RS485 интерфейсы.

Система позволяет принимать и обрабатывать сигналы с абсолютных или инкрементных энкодеров, а также концевых датчиков.

Система состоит из платы Control Board и плат Motor Board, по одной на двигатель и поставляется в корпусе из алюминиевого сплава с фланцевым креплением размерами 170х120х55 мм.

 

Плата Control Board

Плата предназначена для сбора данных с сенсоров и связи с PC.

Плата построена с применением 32-разрадного ARM микроконтроллера с тактовой частотой 160 МГц и имеет 6 гальванически изолированных портов RS485 и 100Мбит Ethernet интерфейс.

 

 

Рис.1

 

 

 

Плата Motor Board

Плата предназначена для управления одним шаговым двигателем (ШД) с контролем перемещения по абсолютному энкодеру.

 

Рис.2

 

Устройство реализовано в виде платы на которой размещено и силовая и цифровая схемы, напряжение питания платы  +48В и ток при максимальной мощности подключенного двигателя до 10А.

 

Плата содержит следующие компоненты:

1. DC-DC преобразователь преобразует входное напряжение +48В в +12В для питания энкодера и низковольтной части схемы. Имеется защита от переполюсовки.
2. Силовой каскад на 8-ми MOSFET транзисторах с максимальным током 100А, для управления биполярным шаговым двигателем.
3. Дампер, необходимый для защиты драйверов ШД и источников питания от обратной ЭДС создаваемой ШД при резких торможениях/ускорениях.
4. Микросхему-драйвер, управляющую MOSFET транзисторами, реализующую алгоритм дробления шагов  1/1, ½, ¼, 1/16.
5. 32-разрядный ARM микроконтроллер, реализующий алгоритм управления траекторией движения двигателя, разгоном и торможением двигателя, обработкой данных от энкодера, обработка данных пришедших от пользовательской программы.
6. Три гальванически развязанных драйвера RS485. Вместо одного из них может устанавливаться гальванически развязанный драйвер CAN2.0. Входы и выходы всех драйверов защищены TVS диодами.

Функциональные возможности платы управления биполярным шаговым двигателем:

1. Ввод и сохранение параметров разгона, торможения для каждой дробности шага, адреса платы и идентификатора.
2. Программное управление движением двигателя. Разгон и торможение по заранее заданной характеристике. Движение на заданное количество шагов.
3. Движение по энкодеру. Задается точка и плата рассчитывает траекторию движения подъезжает к этой точке, причем микроконтроллер сам принимает решение как ехать с постоянной скоростью или с разгоном и торможением.
4. Отслеживание присутствия энкодера на связи и немедленная остановка, когда потеряна связь с энкодером.
5. Ввод и сохранения во flash память микроконтроллера крайних точек движения  по энкодеру (псевдоконцевики).
6. Вывод параметров траектории движения по энкодеру или без него в реальном времени.
7. Запуск и отслеживания работы нескольких плат в реальном времени.

 

Программное обеспечение для управления шаговыми двигателями

 

Форма имеет две закладки “Настройка движения” и “Управление движением”.

 

Закладка “Настройки движения”.

 

Рис.3

1. На закладке “Настройки движения” отображается информация:

• версия внутреннего Firmware микроконтроллера
• идентификатор платы  указывает на функциональное назначение платы
• адрес устройства – это адрес платы, в данной реализации. Существует 3 адреса:
  1-й адрес – адрес платы, отвечающей за перемещение каретки с датчиками поперек стола,
  2-й адрес - это адрес “Ведущей платы”. Плата управляет движением первого продольного двигателя, принимает команды “старт движения”, “стоп движения”, а также выдает сигналы STEP, DIR для платы с адресом №3 которая управляет движением второго продольного двигателя.
• набор параметров “Параметры для работы с энкодером”, устанавливают величину “нуль метки” и “максимальное значение”, в мм по энкодеру . Т.к. абсолютное значение энкодера идет на убывание от “нуль метки” к “максимальному значению” поэтому значение  “нуль метки” больше, чем значение “максимальное значение”. Значения записываются в мм. Эти два значения также являются концевиками контролирующими, чтобы портал не выехал за пределы рабочей зоны
• Параметр “Ввод отступа от начала сканирования, мм” указывает с какого расстояния от “нуль метки” начинать проверку(расчет) “неплоскостности” стола. 
• Самая большая группа параметров “Параметры движения” – это параметры задающие свойства движения. Микросхема драйвер шагового двигателя поддерживает четыре дробности шага 1/1, ½, ¼, 1/16. Чтобы уменьшить влияние резонансных частот на процесс разгона и торможения для каждой дробности шага индивидуально настраиваются  параметры. Ниже перечислены параметры и их описание.

 

1. Ток разгона и торможения, А - ток который устанавливает и поддерживает драйвер внутри обмотки двигателя на время разгона двигателя до максимальной  скорости или на время торможение до конечной скорости торможения.
2. Ток крейсерский, А - ток который устанавливает и поддерживает драйвер на время равномерного движения двигателя по прямолинейному участку.
3. Коэф. наклона разгона – коэффициент определяющий угол наклона сигмоиды (функции которая реализует скорость изменения частоты вращения шагового двигателя). Коэффициент измеряется в тех же единицах, что и скорость вращения двигателя. Чем больше значение, тем более плавно будет изменяться скорость вращения двигателя.
4. Аппроксимирующий отрезок разгона, шаг/сек.
   Минимальный шаг изменения скорости. Такими элементарными отрезками  выстраивается разгонная характеристика.
5. Начальная скорость, шаг/сек.
   Частота импульсов подаваемая на шаговый двигатель при его старте.
6. Конечная скорость, шаг/сек. Скорость вращения двигателя после окончания его разгона и перехода на отрезок движения с постоянной скоростью.
7. Ток защиты, А.
   Схема постоянно отслеживает ток потребляемый драйвером управляющим шаговым двигателем, если ток превышает это значение, то шаговый двигатель отключается.
8. Время повышения тока, сек.
   Время отсчитывается от момента старта, значение тока берется из ячейки “Ток разгона и торможения, А”. Перед началом торможения значение тока берется из ячейки  “Ток разгона и торможения, А”, время   отсчитывается с момента торможения.
9. Коэф. наклона торможения – коэффициент определяющий угол наклона сигмоиды (функции которая реализует скорость изменения частоты вращения шагового двигателя). Коэффициент измеряется в тех же единицах, что и скорость вращения двигателя. Чем больше значение, тем более плавно будет изменяться скорость вращения двигателя.
10. Аппроксимирующий отрезок торможения, шаг. Минимальный шаг изменения скорости. Такими элементарными отрезками  выстраивается разгонная характеристика. Такими элементарными отрезками  выстраивается разгонная характеристика.
11. Конечная скорость, шаг/сек.
    Скорость вращения двигателя после окончания его торможения и перехода в режим остановки или с удержанием или без него.
12. Количество шагов разгона, шаг.
    Количество шагов, которое требуется для того, чтобы разогнать шаговый двигатель с начальной скорости до максимальной без пропусков шагов.
13. Количество шагов торможения, шаг.
    Количество шагов, которое требуется для того, чтобы затормозить шаговый двигатель с максимальной скорости до конечной без пропусков шагов.
14. Общее количество шагов, шаг.
    Количество которое требуется, чтобы двигатель разогнать до максимальной скорости и затем затормозить без пропусков шагов.

 

 

Закладка “Управление движением”. На этой закладке три группы элементов отображения и управления.

 

 

 

Рис.4

 

 

1. Первая группа “Состояние драйвера ШД”

Эта группа отображает информацию о состоянии двигателя: стоит или двигается в каком направлении и с какой дробностью шага. Какой ток потребляет двигатель при работе. Если двигатель стоит с удержанием, то показывает “Вкл. драйвера” Включен, если без удержания, то показывает “Вкл. драйвера” Выключен. Показывает произошло ли срабатывание концевиков.

 

2. Вторая группа “Движение”.

Эта группа управляет движением двигателя.

 

3. Подгруппа “Направление” устанавливает направление движения двигателя.

 

4. Подгруппа “Концевики” устанавливает событие срабатывание концевиков по перепаду сигнала с “0” в “1” или c “1” в “0”.

 

5. Подгруппа “Остановка” устанавливает состояние драйвера после остановки двигателя. Если установлен checkbox “С удержанием”, то после остановки двигателя ток в обмотки двигателя подается. Двигатель зафиксирован подаваемым током.  Если установлен checkbox “Без удержанием”, то после остановки двигателя обмотки двигателя обесточиваются.

 

6. Подгруппа “Дробность шага” устанавливает дробление шага.
7. Подгруппа “Кол-во шагов” в этой подгруппе есть два режима, переключение производиться нажатием checkbox на против соответствующего окна, движение по двигателю с подсчетом шагов (в окне задается количество шагов) или движение по энкодеру (в окне задается точка в мм расположенная между двумя концевиками) и первом и во втором случае перед стартом микроконтроллер рассчитывает траекторию и принимает решение. Если рассчитанное количество шагов больше, чем минимальное количество требуемое для разгона и торможения, то двигатель будет двигаться с разгоном до максимальной заданной скорости и торможение. При количестве шагов меньшем, чем минимальное количество требуемое для разгона и торможения шаговый двигатель будет двигаться с начальной скоростью всю траекторию.

 

8. Третья группа это два слайдера “Движение мотора по энкодеру” и “Движение мотора по шагам”. Активность соответствующего слайдера определяется checkbox установленным в окне “Кол-во шагов”.

На слайдере “Движение мотора по энкодеру” показаны “Нуль метка” = 0мм и “Конечная метка” в мм в зависимости от длины траектории  двигателя (настраивается в закладке “Настройка движения” -> “Параметры для работы с энкодером”). Перемещающийся движок с изменяющимся над ним цифрами указываем положение двигателя относительно “Нуль метки” и “Конечной метки”. Вверху слева и вверху кнопки, соответственно “Уст “0”” и “Уст “MAX””, они используются для установки начального и максимального положения концевиков,   соответственно “Нуль метки”  и “Уст “MAX””. Слайдер “Движение мотора по шагам” Перемещающийся движок с изменяющимся над ним цифрами указываем количество шагов которое прошел двигатель с начала старта. Справа от слайдера при запуске движение двигателя появляется число указывающее количество шагов которое должен пройти двигатель.