Protokoll zum Mikroprogramm-Projekt. Andreas Amann, Alexander Zahn

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1 Protokoll zum Mikroprogramm-Projekt Andreas Amann, Alexander Zahn 16. Mai 2006

2 INHALTSVERZEICHNIS Inhaltsverzeichnis 1 Vorwort Ziel des Projektes Allgemeines Was ist ein Schrittmotor Wie funktioniert ein Schrittmotor Was ist ein Automat Schrittmotorsteuerung Eingabe Takt Mikroprogrammsteuerung Treiberstufe Testbetrieb 7 5 Quellen 8 Seite 1

3 2 ALLGEMEINES 1 Vorwort 1.1 Ziel des Projektes Wir wollen als konkretes Problem ein Schrittmotor aus einem 5,25 Zoll Diskettenlaufwerk nehmen und diesen ansteuern. Hierbei sagen wir, dass der Motor sich mit einem konkreten Takt (Sprich Schrittgeschwindigkeit) bewegt. Desweiteren wollen wir die Möglichkeit haben die Bewegungsrichtung zu variieren und den Motor bei Bedarf auch komplett zu stoppen. Zusammengefasst: Feste Schrittgeschwindigkeit Links / Rechts Anhalten der Bewegung trotz Signal Als Interface für unsere Projekt wollen wir entprellte Taster verwenden. 2 Allgemeines 2.1 Was ist ein Schrittmotor Ein Schrittmotor ist genauer gesagt ein Elektromotor, dieser besteht aus einem feststehenden Stator und einem darin sich drehenden Rotor.Das Drehmoment, welches den Rotor antreibt, entsteht durch unterschiedlich ausgerichtete Magnetfelder in Stator und Rotor. Der Rotor dreht sich immer so, daß sich der größtmögliche magnetische Fluß ausbildet. Im Gegensatz zu anderen Motoren befinden sich beim Schrittmotor nur im Stator Spulen. Die Drehbewegung entsteht also durch gezieltes Ein- und Ausschalten einzelner Wicklungen. So läßt sich auf einfachste Weise Drehsinn und Drehzahl des Motors steuern. Um die Position des Rotors zu bestimmen, genügt es ausgehend von einer Ausgangslage die Schritte mit bzw. gegen den Uhrzeigersinn zu zählen und mit dem Schrittwinkel zu multiplizieren. Die physikalische Schrittauflösung eines Motors hängt von der Anzahl der einzeln steuerbaren Phasen und von der Anzahl der Polpaare (=Anzahl der Nord- bzw. Südpol(-zähne) im Rotor) ab. Da eine Erhöhung der Phasenzahl auch den Schaltungs- und Verdrahtungsaufwand erhöht, legt man die Auflösung des Motors im wesentlichen über die Polpaarzahl fest. Bezüglich der Phasenzahl sind 2-Phasenmotore am gängigsten, weshalb sich alle folgenden Überlegungen zum Drehmoment und zur Ansteuerung hierauf beziehen. Erhältich sind außerdem 5-polige Motoren, die besonders für Microschritt geeignet sind, sowie 3-polige Modelle, die einen Kompromiß zwischen den beiden Varianten bzgl. Laufverhalten und Hardwareaufwand bilden. 3-polige Motoren erfreuen sich bei den größeren Bauformen offenbar zunehmender Beliebtheit. Für Seite 2

4 2 ALLGEMEINES die hier gezeigten Anwendungen sind bisher allerdings keine bezahlbaren integrierten Endstufen zu bekommen. Wir unterscheiden somit prinzipiell zwischen folgenden Typen von Schrittmotoren: Beim ersten Schrittmotor, dem Reluktanz-Schrittmotor, besteht der Rotor aus einem gezahnten Weicheisenkern. Der Reluktanzmotor erfreute sich wegen seines günstigen Preises lange großer Beliebtheit. Nachteilig ist hingegen das vergleichsweise geringe Drehmoment. Da der Weicheisenkern selbst keine magnetischen Pole ausbildet, hat der Reluktanzmotor kein Rastmoment. Beim Permanentmagnet-Schrittmotor besteht der Rotor aus einem zylindrischen Permanentmagneten mit radialer Magnetisierung. Daher kann man nur eine begrenzte Zahl von magnetischen Polen nebeneinander anordnen, was zu einem recht großen Schrittwinkel führt. Der Hybrid-Schrittmotor vereint die Vorzüge beider Bauformen. Sein Rotor besteht aus einem axialen Permanentmagneten, an dessen Enden gezahnte Kappen befestigt sind. Beide sind um eine halbe Zahnbreite gegeneinander versetzt, so das sich Nord- und Südpole abwechseln. Hybrid-S.M. sind heute am verbreitetsten und in den unterschiedlichsten Ausführungen zu bekommen. Scheibenmagnet-Schrittmotor, welcher sich vor allem durch hohe Drehzahlen und hohe Leistungsdichte auszeichnet und der Linearmotor. Auf beide will ich hier nicht weiter eingehen. Weiterhin kann man zwei Gruppen von Motoren bzw. Ansteuertechniken unterscheiden: Unipolare und bipolare Motoren. Unipolare Motoren verfügen über zwei Spulen mit Mittelabgriff. Sie haben fünf oder sechs Anschlüsse. Mit einem Multimeter läßt sich schnell feststellen, welche Anschlüsse die Mittelabgriffe und welche die Spulenenden sind. Die Ansteuerung erfolgt durch wechselweises Einschalten von jeweils einem Spulenende, Seite 3

5 2 ALLGEMEINES so daß immer nur die halbe Spule bestromt ist. Ein 2-phasiger, bipolarer Motor hat zwei Spulen, manchmal auch zwei Spulenpaare, die durch Umpolen angesteuert werden. Sind zwei Spulenpaare vorhanden (also acht Anschlüsse am Motor), können die Spulenpaare wahlweise parallel oder in Reihe geschaltet werden, woraus sich unterschiedliche (dynamische) Eigenschaften ergeben. Eine Parallelschaltung führt im allgemeinen zu mehr Drehmoment im oberen Drehzahlbereich, stellt aber auch höhere Anforderungen an den Stromregler. Bipolare Motoren mit 8 Anschlüssen können prinzipiell auch unipolar angesteuert werden, wobei man allerdings einen Teil der Motorperformance verschenkt. 2.2 Wie funktioniert ein Schrittmotor Schrittmotoren arbeiten völlig anders als Gleichstrommotoren. Das ist schon daran zu erkennen, dass diese keine zwei, sondern meist 4, 6 oder 8 Anschlüsse (bipolare oder unipolare Motoren) besitzen. Demzufolge ist es also nicht damit getan, irgendwo Spannung anzulegen, um den Motor zum Drehen zu bewegen. Aber keine Sorge, sehr kompliziert ist es dennoch nicht. Der bipolare Motor besitzt zwei Spulen, und da jede Spule nun mal zwei Enden hat, also 4 Anschlüsse. Der unipolare Motor ist ebenfalls so aufgebaut, jedoch wird hier noch jede Spule in der Mitte durch eine Anschlussleitung angezapft. Um den Motor nun in Bewegung zu bringen, muss an den Spulen eine Spannung angelegt werden. Legt man die Mittelanzapfung auf Masse, so hat man also noch 4 Anschlüsse. Legt man nun an zwei dieser Anschlüsse die Seite 4

6 3 SCHRITTMOTORSTEUERUNG Spannung an, bewegt sich der Motor - allerdings nur einen winzigen kaum sichtbaren Schritt. Wie groß ein Schritt ist, hängt vom jeweiligen Motor ab. Bei den meisten Motoren beträgt der Schrittwinkel 1,8 Grad. Das bedeutet, dass 200 Schritte notwendig sind, um die Achse einmal rund zu drehen. Nachdem der Motor nun einen Schritt gemacht hat, muss die Spannung an einer anderen Kombination von Anschlüssen eingeschaltet werden. Es gibt somit 4 Kombinationen, wobei immer zwei Anschlüsse an die Spannung und zwei andere auf 0 V gelegt werden. Dies ist die sogenannte unipolare Ansteuerung. Wechselt man ständig diese verschiedenen Anschlussbelegungen, so würde sich der Motor mit jeder Änderung einen Schritt drehen. 2.3 Was ist ein Automat Ein Automat ist in der Informatik eine gedachte Maschine (also ein abstraktes Modell einer Maschine), die sich gemäß bestimmter Regeln (nach einem Programm) verhält. Die Automaten sind meist ähnlich aufgebaut: Der Automat hat einen inneren Zustand und bekommt eine Eingabe, die (meistens) Zeichen für Zeichen gelesen wird. Eine Zustandsübergangstabelle definiert, abhängig vom aktuellen Zustand und dem gerade gelesenen Zeichen, den nächsten Zustand. Ein Mealy-Automat ist ein endlicher Automat, dessen Ausgabe (im Gegensatz zu einem Moore-Automat) von seinem Zustand und seiner Eingabe abhängt. Anschaulich bedeutet das, dass jeder Kante im Zustandsdiagramm ein Ausgabewert zugeordnet wird. Ein Moore-Automat ist ein endlicher Automat, dessen Ausgabefunktion im Gegensatz zum Mealy-Automaten ausschließlich von seinem Zustand abhängt. 3 Schrittmotorsteuerung 3.1 Eingabe Durch Taster, D-Flipflops und Pulldown-Widerstände realisieren wir die Eingaben. Diese sind durch die Flipflops natürlich entprellt. 3.2 Takt Mittels eines RC-Schwindkreises erzeugen wir einen Takt. Durch eine SchmittTrigger Schaltung erzeugen wir aus den RC-Schwingungen einen saubern Seite 5

7 3 SCHRITTMOTORSTEUERUNG TTL-Konformen Takt, mit sehr steilen Flanken. Der Schmitt-Trigger geht ab circa Volt in den High Zustand. Bei circa Volt schaltet dieser dann in den Low Zustand. Die Berechnung erfolgt über τ = RC. wir wollten als groben Richtwert eine Zeitkonstante von 0.5 haben. Somit verwendeten wir einen 4,7kΩ Widerstand und einen 100µF Kondensator. 3.3 Mikroprogrammsteuerung Durch ein EPROM 2732 und diversen D-FlipFlops (74HCT547) realisieren wir das Mikroprogrammsteuerwerk. OE RL S S J Hex Mittels dem Signal OE sagen wir aus, ob den Motor weiterschalten, oder ob der Motor die derzeitige Position halten soll. Ist das Signal mit 1 Beschalten, so ist der Folgezustand gleich dem Aktuellen, der Motor hält seine Position. Durch das RL-Signal geben wir die Laufrichtung an. Ist RL = 0 so läuft der Motor vorwärts. S wiederspiegelt den derzeitigen aktuellen inneren Zustand Seite 6

8 4 TESTBETRIEB S gibt den Folgezustand an, die beiden höheren Bits der Tetraden sind unbenutzt. Diese sind aber nötig um auf die 4 Bit für die Hexadezimalumrechnung zu kommen. J gibt die Ausgangsbelegung an. Hiermit werden die einzelnen Spulen für den Schrittmotor angesteuert. 3.4 Treiberstufe Da die TTL-Ausgänge der entsprechenden Bausteine nicht zur Ansteuerung von Lasten geeignet sind, ist eine Treiberstufe unabdingbar. Prinzipiell ist es möglich sich solch einen Treiber selber zu bauen. Doch leider ist der Aufwand der zu betreiben ist unverhältnissmässig hoch. Man benötigt Transistor / FET-Bausteine, um die geforderte Leistung liefern zu können. Desweiteren bnötigen wir Freilaufdioden um die Transistoren/FET zu schützen (denn durch die Rotation eines Magnetfeldes werden extrem hohe Spannungen in den Spulen des Motors induziert) und desweiteren macht auch eine Stromabsenkung Sinn, dadurch kann man die unnötige Erhitzung des Motors im Stillstand verhindern. Um diesen Aufwand zu minimieren greifen wir zu dem Baustein L293D. Dieser hat all die oben genannten Eigenschaften, und ist zusätzlich noch sehr kompakt. Dieser Baustein liefert für unseren Zweck völlig ausreichende 600mA. 4 Testbetrieb Stromaufnahme ca 200mA Seite 7

9 5 QUELLEN Spannung (Logik / Treiber) ca. 5V Saubere Verdrahtung der Testschaltung ist unabdingabr, da sonst ein unerwünschtes Signalverhalten auftreten kann. Redundante Verdrahtung der Versorgungsspannung und Masse um ein Spannungseinbruch, aufgrund des hohen Leistungsbedarfs des Schrittmotors, zu verhindern. Am Besten wäre ein invertierter OE-Taster, so dass der Motor nur bei Tastendruck läuft. τ = RC, R=4,7k C= 0,22 µ Takt ist zu schnell. τ = RC, R=4,7k C= 4,7 µ, Motor läuft sauber. τ = RC, R=4,7k C= 2* 4,7 µ seriell, Motor läuft noch, aber etwas unrund. 5 Quellen (Stand ) (Stand ) (Stand ) Seite 8