Stepper Driver – STPD1 H-lab Stepper Driver User Manual Rev : 1.1 Date: 12/2011 Copyright © 2009 H-Laboratory www.hlab.com.vn Hardware Revision  STPD1 Rev 1.0 : phiên  STPD1 Rev 1.1 :  Bổ xung hai biến trở chỉnh tốc độ  Bổ sung hai led thị trạng thái  Thêm nút nhấn emergency stop  Bổ sung chip đệm I/O Document Revision  STPD1 Userguide Rev 1.0 : phiên Copyright © 2009 Hlab-Team Tài liệu thuộc quyền nhóm hlab (www.hlab.com.vn), chúng tơi hy vọng bạn sử dụng với mục đích hình thức bao gồm chép, in, copy, trích dẫn… cần phải ghi rõ xuất xứ nguồn gốc từ trang web Hãy truy xuất trang web chúng tơi thường xun để có cập nhật thiết bị, hay viết Hy vọng bạn phát triển công nghiệp điện tử Việt Nam Revision 1.1 - 12/2011 www.hlab.com.vn Mục lục Giới thiệu 1.1 Giới thiệu STPD1 .5 1.2 Kiến trúc điều khiển .5 1.3 Thông số: Giới thiệu động stepper 2.1 Các loại động stepper 2.2 Các kiểu nối dây động stepper 2.3 Nguyên lý hoạt động động stepper 10 2.3.1 Dạng sóng điều khiển động stepper 10 Mô tả phần cứng 17 3.1 STPD1 layout schematic 17 3.2 I/O Connector 19 Hướng dẫn sử dụng STPD1 20 4.1 Dạng xung đầu STPD1 : 20 4.2 Các kiểu đấu dây STPD1 : 21 Tài liệu tham khảo 23 Revision 1.1 - 12/2011 www.hlab.com.vn Revision 1.1 - 12/2011 www.hlab.com.vn Tài liệu mô tả thiết bị, thông tin cần thiết để bạn sử dụng trình tham khảo phát triển ứng dụng dựa sản phẩm Để cập nhật thay đổi nhất, vui lòng truy cập trang web www.hlab.com.vn chúng tơi Nếu có ý kiến đóng góp cần hỗ trợ, tư vấn thêm thông tin sản phẩm, vui lòng gởi mail đến địa email: support@hlab.com.vn Giới thiệu 1.1 Giới thiệu STPD1 Stepper Driver STPD1 module điều khiển động stepper, STPD1 tích hợp vi điều khiển dòng PIC16F microchip hiệu suất cao, cho phép thực thuật toán điều khiển bước Nhờ đó, người dùng giao tiếp với động stepper giống động DC thông thường với hai chân điều khiển DIR chọn hướng Pulse, lênh di chuyển STPD1 tự động phân tích tạo chuỗi xung liên tục để điều khiển động stepper, người dùng không cần quan tâm nhiều đến động bước STPD1 thiết kế để sử dụng với động bước dây kiểu unipolar (sẽ mô tả phần sau) Tuy nhiên, loại động bước tương đối phổ biến STPD1 sử dụng nhiều ứng dụng điều khiển máy công nghiệp, máy CNC, dây chuyền sản xuất, Robot … 1.2 Kiến trúc điều khiển Như nói phần giới thiệu, trái tim điều khiển động bước STPD1 vi điều khiển bit hiệu suất cao Microchip Chip vi xử lý thực thuật tốn điều khiển động bước Tín hiệu điều khiển sau khuếch đại qua khuếch đại công suất Revision 1.1 - 12/2011 www.hlab.com.vn Hình 1: Thiết kế STPD1 1.3 Thơng số: STDP1 có thơng số sau :  Độ phân giải nửa bước, hoạt động với động bước hoăc dây kiểu Unipolar  Tần số tạo xung lên tới 1Khz  Điện áp hoạt động điều khiển 5VDC  Điện áp hoạt động phần cơng suất tứ 9-24VDC, dòng tĩnh max 3A điều kiện tản nhiệt đầy đủ  Giao tiếp thơng qua hai tín hiệu DIR/PULSE tiêu chuẩn Tín hiệu pulse hoạt động theo cạnh lên (chế độ mặc định)  Cho phép giao tiếp thông qu RS232 I2C SPI (firmware 2.x trở lên)  Cho phép dừng nút nhấn Emergency Step module (firmware 1.2 trở lên)  Có led báo trạng thái hoạt động  Có biến trở cho phép chỉnh tốc độ động chế độ chạy theo mức (firmware 2.x trở lên)  Có thể update firmware thơng qua cổng ICSP Revision 1.1 - 12/2011 www.hlab.com.vn Hình : STPD1 động bước Revision 1.1 - 12/2011 www.hlab.com.vn Giới thiệu động stepper Động bước hay gọi động step loại động tạo chuyển động quay có dòng điện chạy qua motor Kích thước động bước lớn hay nhỏ tùy vào công suất chúng Khác với động DC thông thường, động step chãy theo bước tên gọi chúng Tuy nhiên, ta bắt chúng chạy liên tục động DC cách áp dụng dạng sóng điều khiễn thích hợp lên động bước Phần sau mô tả số loại động bước thông dụng 2.1 Các loại động stepper Hình : Động bước kiểu Bipolar (trái) Unipolar (bên phải) Động bước có hai loại phổ biến Bipolar Unipolar Hai loại tương đối giống ngoại trừ việc động bước kiểu Unipolar có thêm hai dây cuộn dây Như ta thấy động Unipolar biến thành động Bipolar cách bỏ hai dây cuộn dây Hình : Một số loại động bước Revision 1.1 - 12/2011 www.hlab.com.vn 2.2 Các kiểu nối dây động stepper Hình : Một số kiểu nối dây động bước Hình : Ví dụ điển hình dây nối động bước Hình : Các kiểu nối dây động bước Revision 1.1 - 12/2011 www.hlab.com.vn Chú ý STPD1 hỗ trợ động bước nối dây kiểu unipolar hình b,d động step loại dây Bời động Bipolar cần điều khiển hai cực để tạo dòng điện động cơ, cần cầu H đầy đủ để điều khiển mổi cuộn dây động bước Trong động bước kiểu unipolar với dây cuộn dây cho phép điều khiển dễ với nửa cầu H, nhiên dòng điện chạy mổi nửa cuộn dây động cơ, cơng suất yếu so với loại bipolar 2.3 Nguyên lý hoạt động động stepper Hình sau mơ tả hoạt động động bước đơn giản Trong hình 3a), dòng điện đưa vào cực /C chạy C, tạo lực từ giữ động vị trí hình 3a) Sau đó, tắt dòng điện chuyển sang cặp /A A, động bị xoay vị trí lực từ thay đổi hướng Sau đến cặp B /B Như vậy, cách tạo dòng điện chạy qua cuộn dây, ta làm xoay roto theo chiều mong muốn, lần quay bước khoảng cách hai cuộn dây sát Như ta đặt cuộn dây sát ta có độ phân giải cao, động thực tế đạt tới độ phân giải góc 1.80 Hình : Ngun lý hoạt động động bước 2.3.1 Dạng sóng điều khiển động stepper  Điều khiển full-step (wave drive – phase on): Trong chế độ Wave drive, thời điểm có cuộn dây cấp dòng Cách điều khiển đơn giản, công suất thấp, đạt 25% động bước kiểu unipolar, 50% kiểu bipolar Do lực xoắn xinh dạng điều khiển tương đối yếu Revision 1.1 - 12/2011 10 www.hlab.com.vn Hình : Điều khiển kiểu wave-drive Dạng sóng điều khiển xuất theo dạng sau : Revision 1.1 - 12/2011 11 www.hlab.com.vn Hình 10 : Dạng sóng điều khiển kiểu wave-drive  Điều khiển full-step (two phase drive - phase on): Trong chế độ này, hai cuộn dây cấp lượng đồng thời, cho công suất cao dạng Revision 1.1 - 12/2011 12 www.hlab.com.vn Hình 11 : Điều khiển kiểu full-Step phase Drive Dạng sóng điều khiển gần giống : Revision 1.1 - 12/2011 13 www.hlab.com.vn \\ Hình 12 : Dạng sóng điều khiển kiểu full-Step phase Drive  Điều khiển half-step (1 or phase on): Loại điều khiển kết hợp hai dạng lại kết động di chuyển góc có độ phân giải gấp lần kiểu Loại điều khiển tương đối phức tạp chút, Module STPD1 sử dụng kiểu điều khiển Revision 1.1 - 12/2011 14 www.hlab.com.vn Hình 13 : Điều khiển kiểu half-Step Dạng sóng điều khiển thực hình sau, bao gồm phase điều khiển Revision 1.1 - 12/2011 15 www.hlab.com.vn Hình 14 : Dạng sóng điều khiển kiểu half-Step Revision 1.1 - 12/2011 16 www.hlab.com.vn Mô tả phần cứng 3.1 STPD1 layout schematic Hình 15 : Layout mạch STPD1 Revision 1.1 - 12/2011 17 www.hlab.com.vn Hình 16 : Khối Vi Xử Lý PVCC P0 P1 P2 P3 Power PHASE0 PHASE1 PHASE2 PHASE3 PGND Hình 17 : Khối công suất Revision 1.1 - 12/2011 18 www.hlab.com.vn 3.2 I/O Connector STPD1 có connector I/O CN2, CN3 Trong CN3 connector điều khiển chính, CN2 port điều kiển mở rộng, cho phép hoạt động chế độ phức tạp giao tiếp RS232, SPI, I2C, cấu hình điều khiển, chọn mode hoạt động… Ở chế độ mặc định, 1uan tâm đến Port CN3 mà Port CN3 Pin CN3.3 CN3.2 CN3.1 CN3.0 Pic16F’s pin description IO1 Pulse (CMD) IO0 Dir VCC 5VDC GND 0VDC Port CN2 Pin CN2.0 CN2.1 CN2.2 CN2.3 CN2.4 CN2.5 CN2.6 CN2.7 CN2.8 CN2.9 Revision 1.1 - 12/2011 Pic18F’s pin description RC0 RC1 RC2 RC3 RC4 RC5 RC6 RC7 5VDC GND 19 www.hlab.com.vn Hướng dẫn sử dụng STPD1 Hình 18 : Sử dụng STPD1 STPD1 có hai chế độ hoạt động : Test mode Normal Mode Mode hoạt động chọn trạng thái chân RC0: RC0= lúc bật nguồn STPD1 vào test mode Ngược lại Normal mode.Trạng thái RC0 xem xét lúc bật nguồn Vì tahy đổi mode hoạt động,ta phải reset STPD1 Ở chế độ Test mode, Nhấn button để test động Step, thay đổi mức logic DIR để đảo chiều động Ở chế độ thông thường, STPD1 điều khiển thông qua connector CN3 gồm tín hiệu : nguồn , mass, pulse (hay cmd) dir Hình thể cách điều khiển STPD1 Mỗi ta muốn động step chạy bước, ta kích cạnh lên vào chân Pulse (CMD) , tức CN3.3 (ký hiệu IO1 mạch) Lúc động bước chạy bước theo chiều tín hiệu DIR thời điểm cạnh lên tín hiệu Pulse Nguồn cơng suất cấp cho STPD1 dao động từ 9-24VDC, tùy thuộc loại động step sử dụng 4.1 Dạng xung đầu STPD1 : Để kết nối với động step vị trí, tham khảo dạng xung đầu STPD1 sau đây, kết nối dây phù hợp với kiểu phần sau : Revision 1.1 - 12/2011 20 www.hlab.com.vn Hình 19 : Dạng sóng đầu STPD1 4.2 Các kiểu đấu dây STPD1 :  Động step kiểu dây : Hình 20 : Kết nối động bước dây  Động step kiểu dây : Revision 1.1 - 12/2011 21 www.hlab.com.vn Hình 21 : Kết nối động bước dây  Động step kiểu dây : Hình 22 : Kết nối động bước dây  Nối dây cho động step điển hình : Revision 1.1 - 12/2011 22 www.hlab.com.vn Tài liệu tham khảo Driving stepper motors using NXP I2C-bus GPIO expanders,NXP A Unipolar Stepper Motor Drive Using the Z8 Encore!® MCU, Zilog Quick Start for Beginners to Drive a Stepper Motor, Matthew Grant AVR446: Linear speed control of stepper motor, Atmel Co.Ltd Stepper Motor Control with dsPIC® DSCs, Sorin Manea, Microchip Technology Inc Revision 1.1 - 12/2011 23 www.hlab.com.vn Revision 1.1 - 12/2011 24 www.hlab.com.vn ... MCU, Zilog Quick Start for Beginners to Drive a Stepper Motor, Matthew Grant AVR446: Linear speed control of stepper motor, Atmel Co.Ltd Stepper Motor Control with dsPIC® DSCs, Sorin Manea, Microchip... www .hlab. com.vn chúng tơi Nếu có ý kiến đóng góp cần hỗ trợ, tư vấn thêm thông tin sản phẩm, vui lòng gởi mail đến địa email: support @hlab. com.vn Giới thiệu 1.1 Giới thiệu STPD1 Stepper Driver. .. 2.1 Các loại động stepper 2.2 Các kiểu nối dây động stepper 2.3 Nguyên lý hoạt động động stepper 10 2.3.1 Dạng sóng điều khiển động stepper 10 Mô tả