Réalisation d`une carte de commande de moteur Pas à Pas
publicité
Réalisation d’une interface de puissance Electronique pour moteur Pas à Pas Révision 2 Sommaire 1. Introduction ........................................................................................................................ 3 1.1. Objectif ....................................................................................................................... 3 1.2. Petite précision ........................................................................................................... 4 1.3. Contributions et règles à suivre .................................................................................. 5 1.4. Contributions .............................................................................................................. 5 2. Cahier des Charge .............................................................................................................. 6 2.1. Objectif ....................................................................................................................... 6 2.2. Caractéristiques des Moteurs Pas à Pas ..................................................................... 6 2.3. Coût ............................................................................................................................ 6 3. Orientation du choix du matériel ........................................................................................ 7 3.1. Moteur ........................................................................................................................ 7 3.2. Composants pour le pont en H ................................................................................... 7 3.3. Le PIC ........................................................................................................................ 7 3.4. Le top du Top ............................................................................................................. 8 3.4.1. Moteur ................................................................................................................ 8 4. Outils de développement .................................................................................................... 8 1.1. Placement routage ...................................................................................................... 8 1.2. Programmation ........................................................................................................... 8 5. Etude................................................................................................................................... 9 5.1. Introduction ................................................................................................................ 9 5.2. Mach3 ......................................................................................................................... 9 5.3. Couple Moteur............................................................................................................ 9 5.4. Etage de Puissance ................................................................................................... 10 5.4.1. Limite à prendre en compte .............................................................................. 10 5.4.2. Contre réaction ................................................................................................. 10 5.4.3. Mesure de température du Moteur ................................................................... 11 5.4.4. Pont en H .......................................................................................................... 12 5.5. Etage de commande ................................................................................................. 13 5.5.1. Contre réaction PID .......................................................................................... 14 6. Schéma ............................................................................................................................. 15 7. Routage............................................................................................................................. 16 8. Questions/Réponses ......................................................................................................... 17 9. Infos utiles ........................................................................................................................ 18 9.1. Control d’un moteur Pas à Pas Bipolaire ................................................................. 18 9.2. Liens ......................................................................................................................... 19 Historique : Date 10/11/2007 30/11/2007 Commentaires Création Mise à jour suite aux échanges forum jusqu’au 30/11/2007 1. Introduction 1.1. Objectif Le but de cette démarche est de réaliser une Interface - de semi control (Le control étant donné au logiciel Mach 3 ou autre) et - de Puissance, pour moteur Pas à Pas Dans l’objectif de transformer une fraiseuse en un modèle CNC pilotant 4 axes. Ces 4 axes seront respectivement les - Axe X - Axe Y - Axe Z - Axe sur table rotative La fraiseuse cible, est une fraiseuse Super X3. Néanmoins comme les caractéristiques de « l’interface de puissance » devront être assez « costaud », il ne devrait y avoir aucun problème pour que cette carte puisse répondre à d’autres types de fraiseuse Dans cette démarche, ce document servira de Cahier des Charges qui évoluera à travers nos différentes contributions. La version courante se trouvera au niveau du point d’entrée du sujet forum. 1.2. Petite précision Dans le cadre de la réalisation d’une interface de Puissance pour moteur Pas à Pas 4 axes. Le but premier de cette démarche est de partager un objectif personnel que je me suis fixé, et qui, de toutes les façons allait me demander une certaine rigueur pour arriver à mes fins. D’autres part, il y a tellement de points techniques que je ne maître pas, mais je suis prêt à ajouter la première pierre à cet édifice, et je me dis, que si chacun, avec ses spécialités, apporte sa petite contribution - électronique - électrotechnique - mécanique - de placement routage - de connaissance des composants - de Mach 3 - …. Nous ne devrions avoir aucun problème à arriver à cet objectif fixé. Cela prendra le temps nécessaires, et les étapes principales ne devront pas être négligées. Si vous souhaitez participer à cette aventure, vous êtes les biens venus, quelque soit votre niveau. Tout le monde doit pouvoir profiter de cette démarche….en premier moi-même D’autre part, par rapport à des démarches similaires disponibles sur le Net, ou l’on nous propose souvent de récupérer des cartes toutes faites, souvent à l’origine d’un seul auteur, je vous propose ici de se mettre à plusieurs pour réaliser cette même tache. 1.3. Contributions et règles à suivre Afin qu’une telle entreprise puisse avoir un minimum de succès, il faut un minimum de rigueur et de règles à suivre. Elles seront les suivantes o toute personne qui souhaite contribuer à ce projet, peut soit utiliser le forum « usinages.com », ou prendre la décision de modifier directement ce fichier. 1. Dans le premier cas, c’est moi même qui me chargera de mettre à jour ce présent document, en fonction de vos remarques 2. Dans l’autre cas, la personne procédera directement à sa modification en ayant pris la précaution d’avoir activé « le suivi des modifications » au niveau du document Word. Ce document devra m’être adressé à l’adresse email suivante : [email protected] Je me chargerai ensuite de mettre à jour le document de référence (point d’entrée sur le sujet du forum) o Tous les documents ayant attrait à cette contribution devront être soigneusement référencé soit 1. y être attaché (document Zip) 2. Ou spécifié à travers un lien URL (Internet) o Toutes les contributions seront biens venues du moment qu’elles sont constructives o Le logiciel de placement routage utilisé pour ma part est ISIS Proteus, mais tout autre logiciel fera l’affaire 1.4. Contributions Liste des personnes ayant contribués à ce projet o Christian (CKL) o Max-Mod o Sanson 2. Cahier des Charge 2.1. Objectif Réalisation d’une Interface - de Semi Control (Le control étant donné au logiciel Mach 3 ou autre) et de - Puissance, pour moteur Pas à Pas Cette carte sera constituée d’un étage de puissance et de commande 2.2. Caractéristiques des Moteurs Pas à Pas - Couple axe Z : - Couple axe X, Y : - Couple pour table rotative : ? Nm ? Nm, ? Nm, Courant par phase pouvant aller jusqu’à ~7 A On peut de toute façon augmenter/diminuer cette valeur en changeant les transistors MOS, au plaisir! (Chez ON des MOS à 47A 60V) La plage de tension des moteurs de 1V – 24 V ou plus. Ce qui importe est la tension Max supporté en PWM 2.3. Coût Nous essayerons dans la mesure du possible d’avoir en ligne de mire cette objectif, étant donné qu’il ne sert à rien de développer une carte dont le coût final dépassera une carte professionnelle style http://www.geckodrive.com/ 3. Orientation du choix du matériel 3.1. Moteur On choisira un moteur bipolaire (2 phases) en prenant garde à l’inductance. Celle-ci devra être la plus faible possible à cause de la constante de temps = L/r 3.2. Composants pour le pont en H Driver genre NCP5181 (ou autre) MOS ou IGBT tenant une tension en rapport avec nos PAP, Le contrôle du courant du courant dans le moteur se fera par rapport à la - mesure de courant (CAN de la DDP au borne d’une résistance) - mesure température du moteur (pont de Wien) Tout cela à travers une régulation PID contrôlant ensuite l’alimentation à travers rapport cyclique PWM. 3.3. Le PIC Yes on par sur du PIC Le 30f2020 a 8PWM et est en DIP 28 http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/70178C.pdf 3.4. Le top du Top 3.4.1. Moteur A la limite, si nous pouvions réaliser l'étage de puissance, avec sa limitation d'intensité, nous pourrons, également, commander une alimentation en air forcé (air comprimé) ce qui limitera d'autant l'échauffement du moteur.... C'est simple à faire et efficace ! (Un perçage dans une flaque du moteur, taraudage/collage d'un embout cannelé et branchement d'une durite d'amener d'air. (10 bars max, diamètre selon taille du moteur => 3,2 mm est déjà une bonne valeur, ... mais on peut monter à 6,3 mm !) Pour la tension de maintient de couple la tension devras être de 50% moins élevée sous peine de voir le moteur partir en fumée, C'est là qu'un refroidissement, par air forcé pourra être intéressent ! (Moteur bloqué, il y a beaucoup moins d'échanges thermiques extérieur/intérieur, les turbulences engendrées par un tel refroidissement, même sous faible débit, améliore grandement les choses.) 4. Outils de développement 1.1. Placement routage Pour ma part j’aime bien Proteus Isis Ares de Labcenter 1.2. Programmation Environnement MPLAB de Microchip avec compilateur C30 5. Etude 5.1. Introduction Cette interface sera constituée de l’étage de contrôle proprement dite, et de l’étage de puissance. o L’étage de contrôle sera réalisé à partir d’un dsPic o L’étage de puissance à partir de composants discrets : Pont H 5.2. Mach3 Quelques mots sur le contrôle de Mach3 A préciser 5.3. Couple Moteur Pour calculer le couple des moteurs (et la vitesse), il faut se mettre dans le cas le plus défavorable (pour chaque conditions) que vous allez rencontrer: - matière à usiner - diamètre de fraise (Avec les paramètres de coupe du à la géométrie de celle-ci: Nb. de dent, 1 taille, 2 taille...) Ca va nous donnez la vitesse d'avance et l'effort de coupe, après il suffit de cheminer jusqu'au moteur en prenant les bonnes hypothèses, avec un petit coefficient. Voila après on pourra remonter la chaîne jusqu'a l'électronique, enfin déjà quantifier le besoin pour savoir ou on va, la méthode est la même pour toute machine. En donner une approximation 5.4. Etage de Puissance 5.4.1. Limite à prendre en compte Il y a trois limites à un circuit bobiné : - - La saturation du circuit magnétique (les tôles), qui intervient lorsque le courant dans le bobinage (l'excitation magnétique) est plus important que prévu par la conception. La densité de courant dans le cuivre, qui échauffe les conducteurs. La limite de densité est fixée par la résistance de l'émail à la chaleur. Une densité couramment admise est 3A/mm². La densité limite pour un bobinage en classe F/H est d'environ 6.5A. Si le bobinage n'est pas alimenté en continu (facteur de marche), on peut l'augmenter. L'important est de respecter la classe de température des isolants à tout moment du cycle de marche. Une surintensité si forte et si brève que le fil s'échauffe localement au point de faire fusible. On se fiche alors de l'isolant. L'intensité max nominale d'un moteur est une caractéristique importante, mais la possibilité de survolter le moteur en est une également qu'il ne faut surtout pas sous-estimé : les gros gains de couple (ce qui nous intéresse) en sont la clé. Pour exemple un moteur pas a pas de 5V 4 ampère pourras recevoir jusque 90 a 100V tout en restant à 4 ampère, bien sure la tension n'est pas constante vu que c'est du PWM! Pour le maintien du moteur, la tension devra être de 50% moins élevée sous peine de voir le moteur partir en fumée 5.4.2. Contre réaction Pour contrôler le courant, le PIC lit la valeur du courant (récupérée via entrée analogique sur une résistance de faible valeur pour mesurer l'intensité) et en fonction de l'écart entre l'intensité moyenne et celle qu'il faudrait, il effectue une boucle PID pour augmenter ou réduire la largeur d'impulsion PWM, (donc le courant et le couple) et garder le courant moyen constant. Tout cela est sous contrôle aussi de la température du moteur La résistance de mesure de courant, son dimensionnement est plus délicat: trop petite, il faut un AOP pour avoir une mesure précise de I, (OK pour cette solution) Car trop grande elle dissipe beaucoup de chaleur, ça implique un surcoût perte de puissance, chaleur à évacuer en plus etc. etc. 5.4.3. Mesure de température du Moteur Ce ne serait pas inutile de prendre une mesure de la température du moteur. Sur les gros steppers utilisés en industrie on retrouve souvent un capteur de température sur le moteur, justement pour adapter l'intensité envoyée au moteur ! Principe (Les valeurs des résistances ne sont pas encore bonnes) 5.4.4. Pont en H Schéma du Pont en H pour moteur à 2 phases Quant à l'étage de puissance, il fonctionnera pour éviter de réaliser un driver avec protection contre la cross conduction avec un PIC qui va gérer la protection contre la cross conduction Si on change de MOS on a simplement à ajuster le temps mort entre l'extinction d'un MOS et l'allumage de l'autre en SW. Il faut 8 sorties PWM pour un PaP 2 phases Un driver genre NCP5181 (ou autre) drive les MOS ou IGBT jusqu'à 600V Remarque : Un MOS (et IGBT) met plus de temps à s'ouvris qu'à se fermer, et donc que si tu ouvres un coté du 1/2 pont et que tu fermes l'autre en même temps, BOOOM! Car il y aura un court instant (mais suffisant) où les deux cotés du 1/2 pont vont conduire, ça va créer un court circuit entre la masse et l'alimentation du pont. C'est la raison pour laquelle utiliser 8 sorties résout le problème. En contrôlant uniquement avec 4 PWM, on peut s’en sortir (voir schéma plus bas), mais alors on perd un avantage important: le courant "régénérant". Tu charges une bobine en commutant T3 et T4 par exemple, jusqu'à arriver à l'intensité souhaitée. Maintenant tu ouvres T3 et T4: l'intensité emmagasinée dans la bobine va tomber à 0 très vite. Le problème c'est que l'intensité voulue sera difficilement atteignable, et pas du tout constante => perte de couple et de vitesse max alors que si on garde T4 commuté par exemple, l'énergie emmagasinée dans la bobine va se décharger à travers T4, D2 et la résistance du bobinage => couple et préservation de l'énergie de l'inductance 5.5. Etage de commande La réalisation de carte se fait toujours autour d’un composant principal autour duquel se compose le reste du circuit. Pour permettre une flexibilité absolue, nous allons partir sur un composant PIC dsPIC avec 8 PWM moteur afin de contrôler indépendamment les 8 transistors du pont H Aperçu rapide 5.5.1. Contre réaction PID Le PID c'est pour faire un asservissement sur l'intensité qui traverse les bobines (que l'on lit grâce à des résistances en série avec les enroulements-> ADC), s’il est trop fort (supérieur à la consigne) la boucle PID va le diminuer, et vice versa. Pour le microstep, les formes des courants traversants les bobines prend une forme sinusoïdale (d'où la table sinus, pour éviter au PID de recalculer un sin à chaque cycle, la valeur pour chaque µstep étant bien évidemment connue) c'est donc notre consigne de courant pour chaque pas et chaque bobine. 6. Schéma 7. Routage 8. Questions/Réponses La plus part des réponses ont été données au niveau du Forum. Je ne reprends pas les questions, cela ferait double emploi, et celles retenues, ont été dispatchées dans le texte ci-dessus Sinon ceux qui restent encore en suspens se trouvent ci-dessous 9. Infos utiles 9.1. Control d’un moteur Pas à Pas Bipolaire Le schéma de principe de control d’un moteur Pas à Pas bipolaire Source : http://stielec.ac-aix-marseille.fr/cours/abati/elecpas.htm 9.2. Liens PWM. - http://tplaime.epfl.ch/page61630-fr.html Stepping Motors Fundamentals - http://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/00907a.pdf - http://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/00822a.pdf Autres - http://stielec.ac-aix-marseille.fr/electrotech/cours.htm - http://www.allegromicro.com/en/index.asp
