Viktor Kajml bachelor thesis

  • View
    281

  • Download
    2

Embed Size (px)

Transcript

  • 1. esk Vysok Uen Technick v Praze Fakulta ElektrotechnickBAKALSK PRCEViktor Kajml zen krokovch motor pro pohon mobilnho robotuKatedra kybernetiky Vedouc bakalsk prce: Ing. Jan ChudobaPraha, 2011

2. Abstrakt Tato bakalsk prce se zabv problmem nvrhu jednotky pro zen krokovch motor pro pouit v mobiln robotice. Clem je dosaen funknosti srovnateln s komern dostupnmi jednotkami typu Pilot MC3410. V rmci toho jsou popsna een dlch problm, jako nvrh hardware, software komunikanho protokolu a jejich implementace. Vsledkem prce je funkn prototyp jednotky a podklady pro jeho vrobu. Uvedeno je tak krtk srovnn s jednotkami typu Pilot MC3410 na zklad provedench experiment.Abstract The thesis deals with the problem of designing a stepper motor control unit for use in the area of mobile robotics. The objective is to achieve a level of functionality comparable to commercially available units like Pilot MC3410. The whole design process is decomposed into several partial problems, such as designing and implementing hardware, software and a suitable communication protocol.The result of this thesis is a design of a functional prototype and documents necessary for its manufacture. A short comparison with the Pilot MC3410 unit is also included. 3. Dkuji vedoucmu prce panu Ing. Janu Chudobovi a panu Ing. Ondeji Fierovi za pomoc pi vytven tto prce. 4. Obsah 1 vod 1.1 Teoretick vod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1.1 Pracovn reimy krokovch motor . . . . . . . . . . . . . . . 1.1.2 Diferenn zen mobilnho robotu . . . . . . . . . . . . . . .1 1 2 62 Nvrh dc jednotky 2.1 Nvrh hardware . . . . . . . . . . . . 2.1.1 Popis desky s MCU . . . . . . 2.1.2 Nvrh vkonov sti . . . . . 2.1.3 Nvrh logick sti . . . . . . 2.2 Program MCU . . . . . . . . . . . . 2.2.1 Popis hlavn smyky programu 2.3 Nvrh komunikanho protokolu . . . 2.3.1 Popis protokolu SLIP . . . . . 2.3.2 Struktura rmce . . . . . . . 2.4 Nvrh komunikan knihovny . . . . 2.4.1 Popis pouit knihovny . . . . 2.4.2 Pklad pouit knihovny . . .. . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . .8 9 9 10 11 12 14 16 16 16 18 18 183 Experimenty 3.1 Kalibrace jednotky . . . . . . . . . . 3.1.1 Men konstanty vzdlenosti 3.1.2 Men konstanty oten . . . 3.2 Men pesnosti zen na polohu . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .21 21 21 22 234 Zvr25Ploha A: Schmata desky s MCU27Ploha B: Schmata vkonov desky32Ploha C: Seznam funkc komunikan knihovny35Ploha D: Namen hodnoty41Ploha E: Obsah CD43I 5. Seznam tabulek 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6Technick parametry krokovho motoru SX23-1012D Dleit parametry tranzistoru IRFH793 . . . . . . . Pehled pouitch port . . . . . . . . . . . . . . . . Pehled strojovch jednotek . . . . . . . . . . . . . . Denovan sekvence znak protokolu SLIP . . . . . . Denovan typy udlost . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . .8 10 12 14 16 173.1 3.2Namen hodnoty konstanty vzdlenosti . . . . . . . . . . . . . . . . Vsledky men pesnosti zen na polohu . . . . . . . . . . . . . . .22 24a b c d e fPopis dleitch konektor na desce s MCU . . . Doporuen zapojen jumper na desce s MCU . . Doporuen zapojen jumper na vkonov desce Vsledky men konstanty oten . . . . . . . . Vsledky men konstanty vzdlenosti . . . . . . Adresov struktura na CD . . . . . . . . . . . .27 27 32 41 42 43II. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . . 6. Seznam obrzk 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6Monosti zapojen a zen krokovho motoru dc sekvence pro jednofzov reim . . . . dc sekvence pro dvoufzov reim . . . . dc sekvence pro reim polovinch krok dc sekvence pro reim mikrokrok . . . . Koncepce robotu s diferennm pohonem . .. . . . . .3 4 4 5 5 62.1 2.2 2.3Schma zapojen teplotnho senzoru LM335 . . . . . . . . . . . . . . Prbh rychlosti a drhy pi zen na polohu . . . . . . . . . . . . . Struktura rmce komunikanho protokolu . . . . . . . . . . . . . . .12 14 173.1 3.2Histogram namench hodnot konstanty vzdlenosti . . . . . . . . . Vsledky men pesnosti zen na polohu . . . . . . . . . . . . . . .22 23a b c d e fSchma zapojen procesouru ATmega168 . . . . . . . Schma zapojen stabiliztor napt na desce s MCU Schma zapojen USB rozhran na desce s MCU . . . Osazovac schma desky s MCU . . . . . . . . . . . . Schma zapojen vkonov desky . . . . . . . . . . . Osazovac schma vkonov desky . . . . . . . . . . .28 29 30 31 33 34III. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . . 7. Seznam vpis 2.1 2.2Hlavn smyka programu MCU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ukzka pouit komunikan knihovny . . . . . . . . . . . . . . . . . .IV15 20 8. Kapitola 1 vod Clem tto prce je vytvoit jednotku pro zen dvou krokovch motor. Jednotka by mla bt schopna komunikace s nadazenm zazenm a disponovat jistou mrou autonomie nutnou k zajitn poadovan funknosti. Nvrh by ml zrove zachovat nsledujc vhodn vlastnosti pvodn pouvanch jednotek Pilot MC3410: men a vytn teploty vkonovch prvk men a vytn hodnot proudu prochzejcho vinutmi motor men a vytn odometrickch dat vysok spolehlivost monost budoucho rozen funknosti jednotky o ovldn stejnosmrnch motor Podrobn popis jednotky Pilot MC3410 a jejho pouit je mono nalzt v [8] a [9].1.1Teoretick vodKrokov motor je typ elektrickho motoru, kter je ovldn elektrickmi impulzy a ot se nespojit, po krocch. Princip fungovn krokovho motoru lze nejlpe demonstrovat na jednoduchm pkladu krokovho motoru s permanentnm magnetem a krokem o velikosti 90 stup provozovanm v unipolrnm jednofzovm reimu. Rotor je tvoen permanentnm magnetem a stator tymi elektromagnety tak jak je zobrazeno na obrzku 1.1. Pokud aktivujeme jeden z elektromagnet tm, e na nj pivedeme kladn napt, dojde k tomu, e se k nmu, psobenm vzniklho elektromagnetickho pole, nato rotor svm severnm plem. Oten motoru je tedy mon doshnout postupnm aktivovnm elektromagnet ve sprvnm poad. Plynulost chodu motoru bude zviset na schopnosti dodret intervaly mezi pepnutm elektromagnet. Rychlost chodu bude zviset na frekvenci pepnn. Pro sprvn zen krokovho motoru je tedy nutn generovat pesn denovanou sekvenci dicch signl. Uveden pklad pedstavuje pouze nejjednodu zpsob zen krokovho 1 9. motoru, existuje jet mnoho dalch. V praxi nejvce vyuvan zpsoby zen a jim odpovdajc dic sekvence jsou uvedeny dle. Podrobn vklad fyziklnho principu prce krokovho motoru je mon najt v [1]. Fyzickm provedenm se od sebe motory li hlavn provedenm rotoru a velikost kroku. Podle proveden rotoru se motory dl do t skupin: 1. s permanentnm magnetem 2. s promnnou reluktanc 3. hybridn U prvn skupiny zpsob proveden rotoru vyplv u z nzvu. Tvo jej jednoduch permanentn magnet. U motor s promnnou reluktanc je rotor vyroben z feromagnetickho materilu a m tvar pipomnajc ozuben kolo, kde poet zub odpovd velikosti kroku. Hybridn motory pedstavuj kombinaci dvou ve popsanch een. Rotor je tvoen axiln uloenm permanentnm magnetem a dvma soustkami z feromagnetickho materilu, kter jsou proveden jako rotor motoru s promnnou reluktanc a pivaen na oba ply magnetu.1.1.1Pracovn reimy krokovch motorKrokov motory lze provozovat v rznch pracovnch reimech, danch jejich zapojenm a dic sekvenc. Monosti zapojen krokovch motor Vtina krokovch motor m tyi vinut. Podle zpsobu jejich zapojen je mon motor dit bu v unipolrnm, nebo bipolrnm reimu tak, jak je naznaeno v obr. 1.1. Kdy v unipolrnm zapojen prochz proud nkterou cvkou, tak k n protilehl cvka je bez proudu. V bipolrnm zapojen dvma protilehlmi cvkami prochz vdy opan proud. Bipolrn zapojen tak oproti unipolrnmu nabz vy vkon, nebo je najednou pod proudem vdy dvojnsobn poet cvek. Vhodami zapojen unipolrnho je zase men spoteba a jednodu realizace dicho obvodu. dic sekvence pro ovldn krokovch motor Nsledujc reimy prce motoru je mon provozovat jak pi unipolrnm, tak i bipolrnm zapojen. V ilustrativnch obrzcch jsou erven oznaena vinut, kter jsou protkna proudem v obou reimech a mode ty, kter jsou protkna proudem pouze v bipolrnm reimu. Jednofzov reim (wave drive) V tomto reimu je protkna proudem vdy pouze jedna cvka v unipolrnm, nebo dv v bipolrnm zapojen. Neumouje tak doshnout plnho jmenovitho vkonu motoru a proto se, s vjimkou aplikac, kde je dleit etit energi, moc nepouv. dc sekvence pro tento reim jsou znzornny na obr. 1.2. 2 10. Obrzek 1.1: Monosti zapojen a zen krokovho motoru3 11. Obrzek 1.2: dc sekvence pro jednofzov reimObrzek 1.3: dc sekvence pro dvoufzov reim Dvoufzov reim (full-step drive) V tomto reimu je, jak je patrn z obr. 1.3, v jeden okamik protkn proudem vdy dvojnsobn poet cvek ne v jednofzovm reimu, tj. dv pro unipolrn zapojen a tyi pro bipolrn. Tak je zajitno dosaen plnho vkonu motoru. Jedn se asi o nejbnj reim provozu krokovch motor. Reim polovinch krok (half-step drive) Tento reim pedstavuje kombinaci ve popsanch reim. Sekvence dicch signl, vyobrazen na obr. 1.4, je vytvoena vzjemnm proloenm sekvenc odpovdajcch jednofzovmu a dvoufzovmu reimu. Ve vsledku tedy na jeden krok pipad sekvence dvojnsobn dlky, co znamen dvojnsobn zven hlovho rozlien motoru.4 12. Obrzek 1.4: dc sekvence pro reim polovinch krokObrzek 1.5: dc sekvence pro reim mikrokrok Reim mikrokrok (microstepping) V tomto reimu se pro zen msto pravohlch impulz pouv spojit signl, kter se svm tvarem podob harmonick funkci. Teoreticky je tak mon doclit zcela spojitho zen motoru a nekonen