Stappenmotor Interface. Controller

Transcriptie

1 Besturing In deze moderne tijd zal de besturing geheel elektrisch worden uitgevoerd. De bedoeling is dat er voor ieder afgaand spoor een wisseladres gebruikt worden. Dit betekend dan een reeks van 24 aansluitende adressen binnen een programma. Aangezien ik met een op het Märklin-Motorola systeem gebaseerde baan werk is de keuze voor de besturing op dit systeem gevallen. De software zal zowel het oude alsmede het nieuwe formaat aan kunnen. Indien nodig zal ik ook kijken of het DCC systeem geïmplementeerd kan worden Blokschema De besturing bevat een aantal bouwgroepen die hieronder in het blokschema weergeven. De belangrijkste delen zijn Interface, Controller, Stappenmotor en Terugkoppeling. Dit laatste bestaat uit de terugkoppeling van de stappenmotor om de richting te bepalen en een lichtsluis om Stand0 te detecteren. Power Supply Address Decoder Selector Controller Stappenmotor Interface Stand 0 detectie M Encoder Hieronder gaan we de afzonderlijke onderdelen bespreken Voeding en Interface Om de decoder zo universeel toepasbaar te maken is de voeding los gekoppeld van de interface. Ook om de belasting van de booster niet te groot laten worden is hiervoor gekozen. Er wordt op de print wel de mogelijkheid geboden om, indien gewenst toch de voedingsspanning van de booster te betrekken. De interface bestaat uit een bruggelijkrichter bestaand uit een gelijkrichter in DIL behuizing gevolgd door een snelle optocoupler van het type 1N137. Deze zorgt dat het digitale signaal potentiaalvrij aan de microcontroller worden doorgegeven. Voor gebruik in een DCC systeem en op een programmeer rail in een MM systeem is een tweede optocoupler aangebracht welke een Acknowledge signaal stuurt naar de DCC controller. Ook wordt deze uitgang gebruikt voor het retourneren van de CV informatie in de programmeermode. Pagina 10 Spoor 1 Draaischijf Harry H. Arends

2 Nul Positie detector oud Om tijdens de initialisatie aan de software de uitgangspositie te kennen te geven is een voorziening aangebracht met op het draaibare gedeelte een IR licht diode en in de ketel een IR ontvanger. Tijdens een Power Up zal de draaischijf net zolang in beweging blijven totdat deze positie bereikt is. De beweging zal altijd tegen de klok in zijn ( CCW ) In bovenstaand schema wordt de spanning afkomstig van de rail op het draaibare gedeelte van de schijf simpel gelijkgericht om de data component te verwijderen en daarna via een constante stroombron aangeboden aan de Infrarood Led. Zou dit niet gebeuren wordt elke oneffenheid op de rails doorgegeven aan de ontvangen en indirect aan de Micro controller waardoor er fouten kunnen ontstaan. De werking is heel simpel, zolang er geen licht val op de fototransistor is de Rb5 uitgang hoog. Op het moment dat de brug van de draaischijf boven de fototransistor komt dan komt de basis van T2 aan massa te liggen waardoor deze in geleiding komt en de uitgang Rb5 wordt dan laag. De IR led kan een LD274 zijn terwijl voor de fototransistor een BPW40 gekozen mag worden. Pagina 11 Spoor 1 Draaischijf Harry H. Arends

3 Nul Positie detector Om tijdens de initialisatie van de draaischijf de z.g. nul-positie te detecteren wordt gebruik gemaakt van een HALL-sensor. Dit type sensoren werken op het principe van een magnetisch veld. Komt een magneet in de buurt van deze sensor wordt de uitgang van het onderdeel geschakelt. Het toegepaste type is de TLE4905. Microcontroller Het hart van deze decoder wordt gevormd door een PIC microcontroller van de firma Microchip. In vroegere ontwerpen werd een controller van het type 16F84 toegepast. Deze controller heeft 13 I/O aansluitingen, RAM, EPROM en zelfs een stukje EEPROM. Deze procesoren werken met een z.g. RISC instructie set. Het voordeel hiervan is dat een programmeur slechts 35 instructies hoeft te onthouden. Een nadeel kan zijn dat indien er complexe berekeningen nodig zijn deze met omwegen beschreven moeten worden. In het onderstaande schema deze controller inclusief een gelijkrichter en twee optocouplers, een om het signaal van de treinbaan galvanisch te scheiden en een optocoupler om in de DCC mode het ACK signaal aan het systeem door te geven. In de Märklin toepassing dient JP1 verwijdert te worden. Aan de rechterkant bevindt zich een connector waar de signalen naar de stappenmotor of controller beschikbaar zijn. Tevens op deze connector de aansluiting voor de HALL-sensor en de sturing om de spanning op de draaischijf rails om te schakelen en een signaal dat aangeeft dat de controller gereed met het uitvoeren van een ontvangen commando. SV1 Functie 1 Nul positie detector Volt 3 Draaischijf in positie 4 5 Rail polariteit 6 CW/CCW 7 Halve/Hele stap 8 Enable sturing 9 Stap pulse 10 GND Pagina 12 Spoor 1 Draaischijf Harry H. Arends

4 Bij het ontwerpen van het programma in de PIC ben ik uitgegaan van de timing gebruikt door de MC3479 zoals op de vorige pagina te vinden is. Om ook de aansturing van andere controllers ook mogelijk te maken moeten bij enkele de signalen geïnverteerd worden. Hiervoor is onderstaande schakeling bruikbaar. In de volgende tabel vindt u alle instellingen van deze schakeling bij gebruik van de diverse controllers. JP1 *MC3479 L6208 L297&L298 MSD On 3-4 On On On On On On ** 9-10 On On On On On On On On Functie Cw/CCw Half/Full step Enable Pulse of Clock Aangezien bij de L6208 slechts een lijn geïnverteerd dient te worden zou men bij gebruik van deze schakeling er aan kunnen den de wikkelingen van de stappenmotor verkeerd-om aan te sluiten. Een andere mogelijkheid is het gebruik van een simpele transistor. * Bij gebruik van de MC3479 hoeft deze schakeling niet toegepast te worden ** Bij de MSD wordt de steprate m.b.v. schakelaars op de print ingesteld. Deze Driver is verkrijgbaar op Pagina 13 Spoor 1 Draaischijf Harry H. Arends

5 Stappenmotor 1 Om de constructie van de decoder en het te schrijven programma zo eenvoudig mogelijk te houden maken we gebruik van een complete bouwsteen en wel de MC3479. Dit IC bevat een complete logica om een bipolaire stappenmotor aan te kunnen sturen. Dit was ook mogelijk geweest meet een PIC maar dan moet er nogal wat code geschreven worden om de motor aan te sturen. Nu hebben we slechts vier signalen nodig om de motor in beweging te zetten, de richting, halve of hele stappen, het clock signaal en Set. Zoals hierboven te zien is bestaat de mogelijkheid om de motor een volledig en een halve stap uit te laten voeren. Normaal zijn er vier toestanden maar in halve stap 8 toestanden met 0,9º per puls i.p.v. 1,8º. Het bovenstaande diagram geld voor alle voorbeeld schema s. Pagina 14 Spoor 1 Draaischijf Harry H. Arends

6 Stappenmotor 2 Tijdens het testen van de software kwam ik achter de beperking van de MC3479. Deze component kan slechts 350mA leveren en dat is te weinig om een stappenmotor voor een Spoor 1 draaischijf te gebruiken. De gebruikte motor heeft een maximale spoelstroom van 1,2 Amp. Bij zoeken op het Internet wordt de SAA1027 genoemd als mogelijkheid. Echter bij navraag blijkt dat dit IC niet meer in productie is en als obsolete wordt bestempeld. Om toch een sturing te kunnen bouwen welke op het huidige systeem aan te kunnen sluiten is de keuze gevallen op de L6208 van STMicroelectronics. Dit IC lijkt qua functionaliteit op de MC3479 maar heeft een aantal mogelijkheden meer. Deze hebben we echter niet nodig voor onze toepassing. Dit onderdeel maakt gebruik van DMOS transitoren in 24 pens PowerDIP behuizing. De chip bevat alle logica om een 2 fase stappenmotor aan te sturen d.m.v. een volledige H brug. Tevens beschermd de chip zichzelf tegen een te hoge stroom en te hoge temperatuur. De werkspanning loopt van 8-52 volt. Een klein aantal extra onderdel zijn er maar nodig om een werkend geheel te krijgen zoals in onderstaand schema. Stappenmotor 3 Bij het zoeken van de onderdelen voor de L6208 besturing bleek ook dit IC niet meer of zeer moeilijk leverbaar te zijn. Daarom heb ik het zoeken naar een behuizing maar laten varen en terug gegaan naar een combinatie van de L297 en L298. De L297 is een Stappenmotor Controller voorzien van alle logica om de motor in zowel halve als ook volle stappen links en rechtsom te laten bewegen. Om een motor daadwerkelijk aan te kunnen sturen is een H-Bridge nodig. Dit wordt bereikt met de L298. Dit is een dubbele Full-Bridge Driver voor motorstromen tot maximaal 4 Ampère en ingebouwde over temperatuur bescherming. Pagina 15 Spoor 1 Draaischijf Harry H. Arends

7 Encoder Het is belangrijk te weten waar een draaischijf zich bevindt en welke kant deze opdraait. Stel je wilt van positie 5 naar 7. Dit is twee plaatsen verder met de tegen de klok in (CCW). Het is dus niet de bedoeling om de schijf helemaal rond te laten gaan (CW) maar snel naar de juiste positie. Om dit te bepalen dienen we dus te weten of de schijf draait en tevens in welke richting. Hiervoor gebruiken we een Encoder. Deze komen in diverse uitvoeringen, van potentiometer vervanging tot gemonteerd achter op een stappenmotor. Hiernaast een afbeelding van een uitvoering welke b.v. een potentiometer in een applicatie kan vervangen. Werking Er bestaand twee uitvoering van Encoders; Mechanisch en optisch. In eerste instantie beschrijven we de werking van een mechanische Encoder. Beide genereren een Quadrature of een vier fase signaal. Dit betekend dat de schakelaar slecht vier toestanden kent. De wijze waarop dit gebeurd is standaard. In het schema hiernaast zien we een encoder met drie aansluitingen. De Encoder bevat twee schakelaar met een gemeenschappelijke aansluiting [C] en twee geschakelde uitgangen [A] en [B]. Er worde twee weerstanden aan de uitgangen gemonteerd om deze tussen, in dit schema, +5V en de massa te laten schakelen. +5 volt is in dit geval een logische 1 en 0 volt een logisch 0. De code die dit type Encoders genereert is een twee bit Gray code. Bij deze code verandert per gebeurtenis slechts een bit. In onderstaande tabel is dit te zien. Met de klok mee (CW) Tegen de klok in (CCW) Op deze wijze is eenvoudig de richting van beweging te bepalen. Wordt vanuit de 00 situatie het B bit logisch 1 dan is de beweging met de klok mee. Wordt echter het A bit logisch 1 dan bewegen we ons tegen de wijzers van de klok in. Afhankelijk van de specificaties kan het voorkomen dat de toestand van 00 naar 11 verandert. Dit kan voorkomen in gevallen dat de as sneller draait dan de Encoder deze kan volgen. Volgens de meeste datasheets mag dit maximaal 120 omwentelingen per minuut zijn. In de afbeelding hiernaast is te zien hoe e.e.a. in de tijd plaatsvindt. De puls breedte is afhankelijk van de omwentelingen per minut. Nu is dat in ons geval ook niet van belang omdat wij uitsluitend willen weten of er een verandering plaatsvindt en in welke volgorde. De Encoder kan op een aantal manieren uitgelezen worden. De eenvoudigste wijze is binnen een bepaalde tijd kijken of de waarde van de ingang is gewijzigd en dan bepalen welke actie er ondernomen moet worden. Dit is echter niet betrouwbaar om de processor in de tussentijd ook nog andere dingen te doen heeft. Daarom wordt in dit geval een subroutine geschreven, ENCODER.INC, die in het hoofd via een interrupt wordt aangeroepen op het moment dat er een wijziging op de Encoder ingang voorkomt. Pagina 16 Spoor 1 Draaischijf Harry H. Arends