Pilotare un motore passo-passo, in questo caso il modello della Sanyo le cui caratteristiche principali sono quelle di figura1.

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1 10. Pilotaggio unipolare di un motore passo-passo Scopo della prova Pilotare un motore passo-passo, in questo caso il modello della Sanyo le cui caratteristiche principali sono quelle di figura1. Fig.1 Caratteristiche del motore passo-passo (Sanyo). La prova di laboratorio può essere suddivisa in tre parti: La prima parte consiste nel comando manuale del motore passo-passo facendogli eseguire dei passi operando con quattro switch che forniscono la sequenza di passo. Quest operazione consente la di verificare il corretto funzionamento dell interfaccia del motore e della sua rotazione (Fig. 2). La presenza delle resistenze di collettore limita fortemente la velocità di rotazione e la copia utile del motore. La seconda parte (Fig. 3) esegue il pilotaggio del motore mediante il microcontrollore PIC 16F84, (le cui caratteristiche e modo funzionamento sono consultabili e/o scaricabili dal sito ne presuppone la conoscenza di programmazione. La terza parte (Fig. 5) esegue il pilotaggio del motore mediante un driver di potenza che permette di sfruttare a pieno le potenzialità del motore di coppia e velocità (la coppia del motore aumenta all aumentare dell intensità di corrente assorbita mentre la velocità di rotazione aumenta con l aumentare della tensione d alimentazione, Fig. 2) senza l utilizzo di transistor e resistenze limitatrici di corrente. In alternativa è possibile pilotare il motore mediante una scheda programmabile contenente il driver di potenza (soluzione meno economica, Fig. 8). 1

2 Fig. 2 - Caratteristica coppia-velocità del motore per le diverse tensioni d alimentazione. Materiali e strumentazione Prima parte: alimentatore stabilizzato duale motore passo-passo (Sanyo) 4 transistor 2N2218 (High Speed Switch; V CESAT = 0,3 V ; h FEMIN 40; I CMAX = 800 ma; V CE0MAX = 30 V) o equivalenti (caratteristiche complete scaricabili dal sito: 4 resistori da 1,6 kω 4 resistori da 840 Ω 4 resistori da 1 kω 4 interruttori Seconda parte: alimentatore stabilizzato duale motore passo-passo (Sanyo) microcontrollore PIC 16F84 e relativo programmatore quarzo da 1 MHz 2 condensatori da 22 pf condensatore da 100 nf 4 transistor 2N resistori da 1,6 kω 4 resistori da 840 Ω 8 resistori da 1 kω 5 interruttori pulsante Terza parte: alimentatore stabilizzato duale motore passo-passo (Sanyo) driver di potenza o scheda programmabile provvista di driver di potenza microcontrollore PIC 16F84 e relativo programmatore (solo con l utilizzo di un driver di potenza) quarzo da 1 MHz 2 condensatori da 22 pf condensatore da 100 nf 8 resistori da 1 kω 5 interruttori pulsante 2

3 Schema elettrico della prima parte Lo schema elettrico è quello di figura 3 dove con U4, U3, U2 e U1 si indicano i quattro avvolgimenti del motore, con 1 è indicata la presenza di tensione ai capi dell avvolgimento e con 0 l assenza. Si ha un passo in avanti tutte le volte che si passa da una configurazione, impostata ai quattro switch, alla successiva e un passo all indietro quando si passa da una configurazione alla precedente (percorrenza della tabella dal basso verso l alto: pilotaggio di tipo two phase-on in cui la corrente è applicata contemporaneamente a due fasi del motore). La sequenza di passo è periodica in modulo quattro, cioè arrivati alla quarta configurazione si passa alla prima per avere di nuovo un passo in avanti e dalla prima alla quarta per avere ancora un passo all indietro. Il circuito d interfaccia del motore comprende quattro transistor NPN 2N2218 funzionanti ON-OFF (saturo-interdetto). Ogni transistor fornisce una corrente di collettore I C di 200 ma, quando è applicata alla sua base una tensione V BESAT (interruttore aperto = 1), e una I C 0 con V BE = 0 (interruttore chiuso = 0). Il funzionamento dell interfaccia è riassunto dalla tabella di figura 4. Fig. 3 Schema elettrico e sequenza di passo del motore comandato da quattro interruttori. Stato degli ingressi SW3 SW2 SW1 SW0 Stato dei transistor T4 T3 T2 T1 Stato degli avvolgimenti del motore U4 U3 U2 U1 ON OFF OFF ON OFF ON OFF ON OFF ON ON OFF ON OFF ON OFF Con SW = 1 interruttore aperto e SW = 0 interruttore chiuso; U = 1 presenza di tensione ai capi dell avvolgimento (transistor saturo) e U = 0 assenza di tensione (transistor interdetto). Fig. 4 Tabella riassuntiva del funzionamento dell interfaccia. 3

4 Schema elettrico della seconda parte Fig. 5 - Schema elettrico e possibile sequenza di passo del motore comandato dal microcontrollore. Stato delle uscite del microcontrollore RB3 RB2 RB1 RB0 Stato dei transistor T4 T3 T2 T1 ON OFF OFF ON OFF ON OFF ON OFF ON ON OFF ON OFF ON OFF Stato degli avvolgimenti del motore U4 U3 U2 U1 Con RB = 1 uscita al livello alto (+5V) e RB = 0 uscita al livello basso (0 V); U = 1 presenza di tensione ai capi dell avvolgimento (transistor saturo) e U = 0 assenza di tensione (transistor interdetto). Fig. 6 - Tabella riassuntiva del funzionamento dell interfaccia. 4

5 Schema elettrico della terza parte Fig. 7 - Pilotaggio del motore con microcontrollore e driver di potenza. Fig. 8 - Pilotaggio del motore mediante una scheda programmabile provvista di driver di potenza. Dimensionamento delle resistenze Il valore delle resistenze di collettore che limitano la corrente in ogni avvolgimento del motore a 200 ma (valore inferiore di quello massimo possibile di 1 A) è dato da: R C ( I V 2 CSAT CC R V I C CSAT CESAT 4 10 R 2 avvolgimento 57 2,3 W) 12 0,3 3,15 56 ( valorecommercial e) - 2,5 W 0,2 5

6 La tensione U ai capi di ogni avvolgimento in conduzione è pari a: U R C I 3,15 0,2 0,63 V Questo piccolo valore di tensione limita fortemente la velocità di rotazione del motore. La corrente di base necessaria alla saturazione I BSAT di ogni transistor vale: 3 I CSAT I BSAT 5 ma h 40 FEMIN Il valore della resistenza di base R B, supponendo la V BESAT di 0,8 V, è uguale a: R B VDD VBESAT 5 0, I 5 10 CSAT Le resistenze R di pull-up di 1 kω hanno la doppia funzione di mantenere al livello logico alto (+V DD ) gli ingressi del microcontrollore se gli interruttori sono aperti, e di evitare cortocircuiti verso massa quando vengono chiusi. Esecuzione della prima parte L esecuzione della prima parte esegue la rotazione del motore facendogli compiere dei passi mediante quattro switch che forniscono la sequenza di passo. Quest operazione consente di verificare il corretto funzionamento dell interfaccia del motore e della sua rotazione (Fig. 3). Omettendo le resistenze di collettore, la corrente che attraversa i transistor e gli avvolgimenti è di: I CSAT V CC VCESAT R avvolgimento 12 0,3 3,7 A 3,15 Questo valore, essendo molto più grande di quello sopportabile dagli avvolgimenti del motore e dai transistor, porterebbe alla loro bruciatura. Esecuzione della seconda parte Lo svolgimento della seconda parte presuppone la conoscenza del microcontrollore PIC 16F84A. Il programma, una volta editato viene assemblato, è caricato in formato binario nella memoria flash interna del microcontrollore mediante il programmatore in cui è stato caricato preventivamente il formato.hex prodotto dall assemblatore. Il software proposto effettua la rotazione in avanti del motore di un giro (200 passi) con una velocità di circa un passo al secondo. Il programma testa la linea RA1 della Porta A (bit 1) programmata come ingresso e se la trova al livello logico 0 (0 V, interruttore chiuso) avvia il motore facendogli compiere un giro per poi fermarlo. Chiudendo in qualsiasi momento uno dei quattro interruttori collegati alle linee RB4-RB7 (Fig. 5) il motore viene arrestato. Per far ripartire il programma dall inizio occorre resettare il sistema mediante l apposito pulsante P, questo perché la subroutine dell interrupt è in loop mediante una istruzione di salto incondizionato. 6

7 Una possibile sequenza di passo del motore è quella di figura 5: rotazione in avanti RB3 RB2 RB1 RB0 rotazione all indietro corrispondente nella notazione esadecimale a : 09H-05H-06H-0AH per il movimento in avanti e 0AH-06H-05H-09H per il movimento all indietro. Nella tabella di figura 9 sono riportati le modalità di funzionamento del sistema in corrispondenza dello stato di SW1 e dei cambiamenti di stato di RB4-RB7. Aperto Chiuso Stato di SW1 Cambiamento di stato di RB4-RB7? Ingresso RA1 SÌ NO +5 V 0 V Modalità di funzionamento del motore passo-passo motore OFF (fermo) il motore effettua solo 1 giro in avanti, poi si arresta arresto del motore nessuna azione Fig. 9 - Modalità di funzionamento. Il flow-chart e la lista di un possibile programma (non ottimizzato), cui è stato dato il nome Passo.asm, in grado di far compiere al motore la rotazione voluta sono quelli sotto riportati : Fig Flow-chart. 7

8 List p=16f84a ; Comando di un motore passo-passo (Passo.asm). PORTA EQU 05H TRISA EQU 85H PORTB EQU 06H TRISB EQU 86H STATUS EQU 03H RP0 EQU 05H INTCON EQU 0BH STEP EQU 0DH CONTA1 EQU 0EH CONTA2 EQU 0FH CONTA3 EQU 10H ORG 0000H GOTO Start ORG 0100H Start BSF STATUS,RP0 ; Seleziona il banco 1. MOVLW 1FH ; Porta A come ingresso. MOVWF TRISA MOVLW 0F0H MOVWF TRISB ; Porta B come uscita. BCF STATUS,RP0 ; Seleziona il banco 0. Ripeti MOVLW 88H ; Abilita le interruzioni MOVWF INTCON ; sulle linee RB4-RB7. MOVF PORTA,F ; Leggi la Porta A. BTFSS PORTA,1 ; Se RA1 è 1 (SW1 aperto) salta ; la prossima istruzione. GOTO Giro ; Salta a Giro (SW1 chiuso). MOVLW 00H ; Arresta il motore. MOVWF PORTB GOTO Ripeti ; Esegui un'altra lettura. Giro MOVLW 32H ; Carica il contatore di passi ; 32H=50 decimale (50x4=200 passi) ; corrispondenti ad un giro. MOVWF STEP Passo MOVLW 09H MOVWF PORTB ; Esegui un passo. CALL Ritardo ; Chiama il ritardo. MOVLW 05H MOVWF PORTB ; Esegui un passo. CALL Ritardo ; Chiama il ritardo. MOVLW 06H ; Esegui un passo. MOVWF PORTB CALL Ritardo ; Chiama il ritardo. MOVLW 0AH MOVWF PORTB ; Esegui un passo. CALL Ritardo ; Chiama il ritardo. DECFSZ STEP ; Salta la prossima istruzione ; se il contenuto di STEP è zero. GOTO Passo ; Continua il decremento. GOTO Stop ; Salta a Stop. ; Subroutine di ritardo Ritardo MOVLW 40H ; Carica il ritardo. MOVWF CONTA1 8

9 Rit1 MOVWF CONTA2 Rit2 MOVWF CONTA3 Rit3 DECFSZ CONTA3,1 GOTO Rit3 DECFSZ CONTA2,1 GOTO Rit2 DECFSZ CONTA1,1 GOTO Rit1 RETURN ; Rientra nel programma principale. ; Subroutine dell'interruzione. ORG 0004H Stop MOVLW 00H ; Arresta il motore. MOVWF PORTB GOTO Stop ; Ripeti l'operazione. END Esecuzione della terza parte Questa fase prevede l utilizzo di un driver di potenza, compatibile, suggerito dal produttore del motore in riferimento al tipo di motore utilizzato, contenente l hardware d interfaccia. Di solito il driver di potenza ha un ingresso di passo e uno di direzione (Fig. 7); l elettronica interna del driver provvede a fornire la sequenza di passo necessaria per la rotazione del motore. Sebbene l utilizzo del driver sia una soluzione costosa, essa è quella attualmente più utilizzata perché permette di ottenere elevate prestazioni associate ad una alta affidabilità di funzionamento. Oltre ai driver di potenza sono spesso utilizzate delle schede programmabili, provviste di driver di potenza, che gestiscono completamente la rotazione di un motore passo-passo con altissima precisione e affidabilità (Fig. 8). Osservazioni 9