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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Computersteuerung von Messgerätemechanismen. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Messtechnik Ein Hardware-Software-Gerät zur Steuerung von Schrittmotoren, das dazu bestimmt ist, Messungen der Parameter von elektroakustischen Geräten mit Software-Tools des Messkomplexes bereitzustellen. Beim Messen der räumlichen Eigenschaften (Gebäudestrahlungsmuster) von akustoelektrischen und elektroakustischen Wandlern unter Verwendung des zuvor beschriebenen Echtzeit-Computermesskomplexes [1] ist es notwendig, den Winkel des akustischen Empfängers und Emitters ferngenau zu positionieren. Dieses Problem wird am effektivsten mit Hilfe von Schrittmotoren gelöst. Der Vorteil von Schrittmotoren besteht darin, dass Sie ein elektrisches Steuersignal in eine Winkelbewegung des Rotors umwandeln können, indem Sie ihn ohne Feedback-Geräte in einer bestimmten Position fixieren. Dieser Umstand vereinfacht die Konstruktion der jeweiligen Einheiten und des gesamten Messaufbaus erheblich. Die vorgeschlagene Hardware-Software-Vorrichtung ist für die interaktive, unabhängige und gleichzeitige Steuerung von zwei Schrittmotoren ausgelegt. Mit dem Gerät können Sie die Größe und Drehrichtung der Rotoren von Schrittmotoren in digitaler Form einstellen. Das Haupteinsatzgebiet ist die Steuerung mechanischer Einheiten von Messgeräten und Versuchsanlagen. Das Gerät besteht aus einer Hardwareschnittstelleneinheit und einem originalen Computersteuerprogramm. Die maximale Rotationsgeschwindigkeit der Motorrotoren beträgt 100 Schritte pro Sekunde. Die Hardware-Schnittstelleneinheit ist mit dem Computer über einen standardmäßigen parallelen (Drucker-)Schnittstellenanschluss verbunden. Das Steuerungsprogramm ist für das Betriebssystem Windows 95/98/Me/NT/2000/2003/XR ausgelegt und hat eine Größe von nur 320 KB. Zu beachten ist, dass zur Ausführung des Programms unter Windows NT/2000/2003/XP Administratorrechte erforderlich sind. Die Schnittstelleneinheit ist mit größtmöglicher Einfachheit auf den billigsten und gebräuchlichsten Haushaltskomponenten aufgebaut. Dadurch ist eine Wiederholung möglich. Um das Gerät zu vereinfachen, ist der gesamte Steueralgorithmus in Software implementiert. Lediglich die Funktionen der elektrischen Anpassung des Rechners und des Motors werden der Hardware zugeordnet.
Das Blockschaltbild der Hardware-Schnittstelle von Schrittmotoren mit einem Computer ist in Abb. dargestellt. 1. Der DD1-Chip übernimmt gleichzeitig die Funktionen eines Pufferspeichers und eines Vorverstärkers. Die vom Parallelport des Computers [2] gelieferten Informationen werden durch einen von der Software am CS1-Eingang (Pin 1) erzeugten negativen Impuls in das Speicherregister der DD1-Mikroschaltung geschrieben. Die endgültige Verstärkung des Signals zur Versorgung der Steuerwicklung des Schrittmotors erfolgt durch den Knoten an den Transistoren 1VT1 und 1VT2 (im Schaltplan ist nur einer der acht dargestellt, hervorgehoben durch eine strichpunktierte Linie; die restlichen sieben sind es). jeweils mit den Ausgängen Q2-Q8 des Registers DD1 verbunden). Ein solches Schaltschema ermöglicht die Anordnung aller leistungsstarken Transistoren auf einem gemeinsamen Kühlkörper, ohne dass eine zusätzliche elektrische Isolierung ihrer Gehäuse erforderlich ist, die normalerweise mit dem Transistorkollektor verbunden sind. Dadurch lässt sich der mechanische Aufbau der Schnittstelleneinheit deutlich vereinfachen. Ohne Zwangsbelüftung sollte die Kühlkörperfläche für jeden der acht Hochleistungs-Ausgangstransistoren etwa 50 cm2 betragen. Die Diode 1VD1 erfüllt die Funktionen der Dämpfung parasitärer Schwingungen, die beim Schalten von Strom in der Steuerwicklung eines Schrittmotors auftreten. Diese Schnittstelleneinheit ist für den Betrieb mit Vierphasen-Schrittmotoren DShI200-3(1) mit einem Nennschritt von 1,8 ± 0,05° ausgelegt (der Schritt wird ohne Verwendung eines Getriebes angegeben). Andere Motoren können verwendet werden; Um im Steuerungsprogramm mit Drehstrom zu arbeiten, ist ein entsprechender Schalter vorgesehen. Das wechselseitige Ein- und Ausschalten der Motorwicklungen, die für deren Rotation notwendig sind, erfolgt per Software. Die Wicklungsschaltbilder werden bei der Programmerstellung anhand des Motortyps und der Anforderungen an die Betriebsart ausgewählt. Spannungsimpulse werden abwechselnd entweder an einzelne Statorwicklungen oder an ihre benachbarten Paare mit einem Versatz von eins während jedes Schritts angelegt. Diese Modi werden im Programmeinstellungsfenster ausgewählt und mit „1-1-1-1“ bzw. „2-2-2-2“ bezeichnet. Im zweiten Fall erhöhen sich Drehmoment und Haltemomente des Motors (zumindest bei DShI200), aber die Leistungsaufnahme des Geräts und die Erwärmung der Elektromotoren erhöhen sich entsprechend. Das Hauptmenü des Programms wird durch Drücken der rechten Maustaste auf den Titel des Programmfensters aufgerufen. Das Programmeinstellungsfenster wird über den Menüpunkt „Motoreinstellungen“ geöffnet. Im Motorsteuerungsprogramm gibt es zwei umschaltbare Motorstoppmodi. Bei der ersten Variante werden die Motorwicklungen nach einem einstellbaren Zeitintervall (0...99 s) nach dem Stoppen spannungsfrei geschaltet. Dies erleichtert das thermische Regime des Elektromotors und der Schnittstelleneinheit erheblich, kann jedoch anschließend zu einer spontanen Bewegung des mit dem Rotor verbundenen Mechanismus führen. Im zweiten Modus wird nach dem Stoppen die Spannung von der Motorwicklung nicht entfernt - dies ist der sogenannte Fixierungsmodus. Dieser Modus kann zu einer übermäßigen Erwärmung des Elektromotors führen, sorgt jedoch nach dem Stoppen für einen zuverlässigen Stillstand des Rotors und der zugehörigen mechanischen Vorrichtung. Der erforderliche Motorstoppmodus wird basierend auf den Bedingungen der Aufgabe ausgewählt. Wird beispielsweise ein Schneckengetriebe zur Rotationsübertragung verwendet, ist die Unbeweglichkeit der Vorrichtung im Ruhezustand in der Regel auch ohne elektromagnetische Fixierung des Schrittmotorrotors gewährleistet. Diese Modi werden im Programmeinstellungsfenster mit der Schaltfläche Auto Release ausgewählt. Das Programm sieht die Einführung von Skalierungsfaktoren (Rate im Einstellungsfenster) und des anfänglichen Offsets separat für jeden der Elektromotoren vor. Auf diese Weise können Sie die tatsächlichen Werte der einstellbaren Parameter von Geräten, die mechanisch mit Schrittmotoren verbunden sind, auf dem Computerbildschirm einstellen und anzeigen. Zum Beispiel direkt den Drehwinkel in Grad oder die Bewegung in Millimeter. Um die erforderliche Anfangsverschiebung einzustellen, bewegen Sie die mechanische Vorrichtung mit einem Schrittmotor oder auf andere Weise (z. B. manuell) in die erforderliche Position. Dann müssen Sie den Kalibrierungsmodus aufrufen, indem Sie die entsprechende Taste (Ausrufezeichen in einem Dreieck) auf dem Bedienfeld drücken. Die Farbe der digitalen Bewegungsanzeige wird rot. Danach sollten Sie den wahren Wert des entsprechenden Parameters auf der Weganzeige einstellen und erneut die Schaltfläche "Kalibrierung" drücken und dann das Fenster schließen. Die Skalierungsfaktoren werden basierend auf der Konstruktion (unter Berücksichtigung des möglichen Vorhandenseins eines Getriebes) des gewarteten Geräts und der Nennschrittweite des Elektromotors bestimmt. Das Einstellungsfenster bietet die Möglichkeit, den Namen und die Größe der Parameter bestimmter Geräte zu bearbeiten, die von Schrittmotoren gesteuert werden, die im Programm angezeigt werden. Es gibt zwei unabhängige Befehlsströme im Motorsteuerprogramm: den Steuerbefehlseingangsstrom und den Datenausgangsstrom zur Hardware-Schnittstelleneinheit. Im Eingangsstrom wird die Position der Motorrotoren eingestellt und in Einheiten angezeigt, die auf die realen Werte der Parameter mechanisch verbundener Geräte reduziert sind. Im Ausgangsstrom wird die wahre (aktuelle) Position der Motorrotoren kontinuierlich mit dem erforderlichen Wert verglichen und eine Aktion wird an der Schnittstelleneinheit ausgegeben, um eine mögliche Fehlanpassung zu parieren. Dieser Aufbau des Steuerprogramms ermöglicht es Ihnen, einen neuen Wert für den Drehwinkel der Motorrotoren einzustellen, unabhängig davon, ob der zuvor eingegebene Wert erreicht wurde oder nicht. Im letzteren Fall dreht sich der Motorrotor weiter (möglicherweise mit Richtungswechsel), um die neu eingestellte Position zu erreichen. Zur Eingabe und Anzeige numerischer benannter Werte im Programm wird das originale Bedien- und Anzeigeelement „Digital Panel“ verwendet. Numerische Werte werden nach und nach mit der Maus eingegeben. Setzen Sie den Cursor auf die gewünschte Anzeigeziffer und stellen Sie den gewünschten Wert durch Drücken der linken oder rechten Maustaste ein. Die linke Taste verringert und die rechte Taste erhöht die Zahl. Die Versetzung in den höchsten Rang erfolgt automatisch. Wenn Sie mit der Maus über die Dimensionssymbole fahren, können Sie durch Drücken der linken oder rechten Maustaste den Wert auf dem Indikator jeweils um das Zehnfache verringern oder erhöhen. Das Vorzeichen der Zahl (sofern auf dem Indikator angezeigt) wird durch Drücken der Maustasten auf die gleiche Weise geändert. Wenn die Taste länger als 0,5 s gedrückt gehalten wird, wird der Vorgang automatisch wiederholt. Wenn Sie den Cursor bei gedrückter Maustaste von der Anzeige wegbewegen, wird die automatische Wiederholung unabhängig vom weiteren Zustand der Maus fortgesetzt. Um die automatische Wiederholung zu stoppen, bewegen Sie den Cursor erneut über die Anzeige und klicken Sie auf eine beliebige Maustaste. Wenn Sie eine Maus mit Rad verwenden, können Sie diese verwenden. Wenn Sie das Rad von sich weg drehen, erhöht sich der Wert der Anzeigeziffer und umgekehrt – wenn Sie es in Ihre Richtung drehen. Der automatische Wiederholungsmodus in den niedrigstwertigen Ziffern ermöglicht es Ihnen, die kontinuierliche Drehung von Schrittmotoren auf eine Geschwindigkeit einzustellen, die unter der Nenngeschwindigkeit liegt. Für das Funktionieren des Geräts als Teil der Softwaresysteme ist eine externe (von anderen Programmen) Steuerung des Betriebs der Motoren vorgesehen. Steuerbefehle werden übertragen, indem spezielle Nachrichten des Windows-Betriebssystems mit Parametern von Client-Programmen an das Serverprogramm gesendet werden, das den Betrieb der Engines direkt steuert. In den Pausen zwischen den Arbeitssitzungen speichert das Programm automatisch alle eingestellten Parameter und den aktuellen Stand auf der Festplatte des Computers zur weiteren Verwendung. Die Hardware-Schnittstelleneinheit muss aus einer Gleichspannungsquelle gespeist werden, deren Leistung ausreicht, um die verwendeten Schrittmotoren zu betreiben (mindestens 70 W für zwei DShI200-3-Motoren). Es ist nicht zulässig, die im Steuercomputer eingebaute Stromversorgung zu verwenden, um Fehlfunktionen des letzteren zu vermeiden. Chip DD1 muss von einer stabilisierten Quelle gespeist werden, vorzugsweise unabhängig von der Stromversorgung leistungsstarker Ausgangsschalter. Die Verbindung der Hardwareeinheit mit dem parallelen (Drucker-)Port des Computers erfolgt über ein bis zu 3 m langes ungeschirmtes Flachbandkabel mit abwechselnden Signal- und Masseleitern. Für längere Kabel wird empfohlen, ein Bündel separater abgeschirmter Drähte zu verwenden. Wenn Ihr Computer über keinen freien parallelen Anschluss verfügt, müssen Sie eine zusätzliche Karte installieren. Derzeit werden Platinen kommerziell hergestellt, die in der Regel zwei parallele Ports enthalten. Sie sind sowohl für Computer mit PCI-Bus als auch für ältere Computer mit ISA-Bus geeignet. Diese Karten verfügen normalerweise über Schalter zur Auswahl der Basisadressen der Ports. Beispielsweise kann auf der vom Autor verwendeten TS-020-EP-Karte (für den ISA-Bus) jeder der beiden parallelen Ports darauf auf die folgenden Basisadressen eingestellt werden: ZVSN, 378H, 278H, 27CH, 26CH oder 268H. Das Steuerprogramm sieht vor, jede der oben genannten Adressen als aktiv zu setzen. Für die Funktion des Steuerungsprogramms ist keine Unterstützung zusätzlicher Ports durch das BIOS oder das Betriebssystem erforderlich. Sie müssen lediglich die Adresse zusätzlicher Ports konfigurieren, damit es nicht zu Konflikten mit allen bereits im System vorhandenen Ports (nicht nur mit parallelen) kommt.
Das Gesamtdesign der Vorrichtung kann beliebig sein. Der Autor hat einen Prototyp auf einer Leiterplatte aus Glasfaserfolie mit einer Dicke von 2 mm hergestellt. Eine Zeichnung einer Leiterplatte und die Lage der Teile darauf sind in Abb. 2 dargestellt. XNUMX ein b. Gedruckte Leiter sollten so breit wie möglich sein. Die einfachsten Kühlkörper für Ausgangstransistoren können in Form von zwei Duraluminiumplatten mit einer Größe von 130 x 50 x 3 mm hergestellt werden; Sie werden mit Duraluminium-Ecken durch speziell vorgesehene Löcher auf der Leiterplatte befestigt. Das resultierende Design für die Kühlkörper wird im Gerätegehäuse fixiert. Auf Abb. 3 zeigt ein Foto einer der Varianten dieses Geräts, das vom Autor gemacht wurde. Auf dem gerippten Kühlkörper (rechts) sind neben Transistoren auch leistungsstarke Dioden des Netzgleichrichters befestigt (durch isolierende Glimmer-Abstandshalter). Links sind die Glättungskondensatoren des Netzteils.
Die Ein- und Ausgangsanschlüsse können entweder auf Kühlkörpern oder am Gerätegehäuse befestigt werden. Der RPMM1-50SH1-V-Anschluss wurde als Eingang verwendet (zum Anschließen an einen Computer). Zwei Ausgangsanschlüsse (einer für jeden Motor) - RG1N-1-5, bei denen jeweils zwei benachbarte Ausgänge parallel geschaltet sind, um die Strombelastung zu reduzieren. Im Allgemeinen kann es andere Steckverbinder mit ausreichend starken Kontakten geben. Die Anschlusskontakte werden mit einem herkömmlichen flexiblen Draht mit den entsprechenden Leitern der Leiterplatte verbunden. Bei Ausgangskreisen muss der Querschnitt der Adern mindestens 1 mm2 betragen. Die Transistoren KT815 und KT818 können mit beliebigen Buchstabenindizes verwendet werden, oder es können andere leistungsstarke Transistoren der entsprechenden Struktur verwendet werden. Dioden der Serie KD213 können durch KD212 oder andere leistungsstarke Impulsdioden ersetzt werden. Art und Leistung der verwendeten Widerstände spielen keine Rolle. Anstelle des Registers K589IR12 kann auch das KR580IR82 mit der Korrektur der Leiterplatte verwendet werden. Die Pin-Nummerierung für diese Option ist in Abb. 1 in Klammern. Es ist zu beachten, dass die Aufzeichnung der von der parallelen Schnittstelle des Computers an das Speicherregister KR580IR82 gelieferten Daten entsprechend der positiven Flanke des Impulses am STB-Eingang (Pin 11) erfolgen muss. Um die Polarität des Strobe-Impulses zu ändern, stellt das Programm einen entsprechenden Schalter zur Verfügung (Menüpunkt Slope Positive). Das beschriebene Gerät bedarf keiner Justierung. Es muss lediglich darauf geachtet werden, dass die Wicklungen der Schrittmotoren in der richtigen Reihenfolge an die Ausgänge der leistungsstarken Schalter angeschlossen werden. Wenn dies nicht gewährleistet ist, wird der Rotor des Motors höchstwahrscheinlich nur auf der Stelle vibrieren oder sich ruckartig drehen, anstatt sich zu drehen. Programme für das Gerät können heruntergeladen werden daher. Literatur
Autor: O. Shmelev, Moskau; Veröffentlichung: radioradar.net
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