16

II. REALIZAREA BLOCURILOR ELECTRONICE

II.1. Sistem de comanda a unui servo pentru actionare module

Pentru acţionarea modulelor sistemului robotic, una din solutiile fiabile o constituie

asa numitele servo-uri. In aceasta etapa, s-a proiectat, realizat practic si s-a testat o schema

originala având în structura un servomotor (servomecanism) Futaba S3151. Caracteristicile

mecanice, electrice şi cele geometrice ale acestui servo sunt prezentate în tabelul 1 si figura

II.1a.

Tabelul 1. Caracteristicile mecanice, electrice şi geometrice ale servomotorului.

Gabarit: ( mm )

Masa: ( g )

Cuplul la 4,8V

(Nmm)

Viteza: 0,16s/45° la

4,8V

Cuplul de mentinere

(Nmm) Tensiunea:

( V )

40,5x20x36,1 42 310 0,21 770 4,8 ÷ 6

a b Fig. II.1 Caracteristicile geometrice ale servo-ului

Ultimii ani au fost marcati de evoluţii reprezentative în ceea ce priveşte

dimensiunile, viteza de rotaţie şi cuplul motor al motoarelor de tip servo, a caror structură

de bază este dată în figura II.1b. Ultima îmbunătăţire o constituie dezvoltarea

servomotoarelor digitale ce au avantaje functionale semnificative faţă de servomotoarele

standard. În principiu, un servo digital este asemănător cu un servomotor standard, cu

excepţia unui microprocesor care analizează semnalele de intrare şi controlează motorul.

Una din diferenţe constă în modul de procesare a semnalelor de intrare şi transmiterea

puterii iniţiale de la servomotor, reducând timpul mort, crescând rezoluţia şi generând un

cuplu de menţinere superior. La motoarele servo convenţionale, în faza de repaus, nu se

alimentează servomotorul. În cazul servomotoarelor digitale, când este primit o comanda

de pornire a servo-motorului, sau când se aplică un cuplu la axul de ieşire, servo-ul

răspunde prin alimentarea cu tensiune a motorului. Această putere care este de fapt

tensiunea maxima, este pulsată sau transmisă on/off cu o rată fixă de 50 de cicluri pe

secunda, generând mici impulsuri de tensiune. Prin creşterea duratei fiecărui impuls se

17

creează un control al vitezei, până când se aplică motorului tensiunea maximă, accelerând

servo-braţul spre noua poziţie. Capătul de cursa a servo-ului este semnalat şi transmis

componentelor electronice ale servo-ului, şi astfel se reduc impulsurile de putere prin

scurtarea duratei lor până când nu mai exista tensiune şi servomotorul se opreşte.

Fig. II.2 Modul de comandă în impulsuri Fig. II.3 Caracteristica moment/impuls a servomotoarelor

În conformitate cu cele prezentate în figura II.2, un impuls de lăţime scurtă „On”,

urmat de o pauza scurtă, nu constituie pentru motor o comanda să se întoarcă, cu condiţia

să nu fie mai lunga pauza. Aceasta înseamnă un control al mişcării, care la întoarcere

trimite mici impulsuri iniţiale spre motor, este foarte ineficient, si de aceea este denumită

„banda moartă”.

Avantajele evidente ale servo-digitalelor sunt:

• În primul rând, datorita microprocesorului este posibil primirea de semnale de intrare

şi să aplice parametrii prezenţi la acest semnal, înainte de a-l trimite in impuls spre

servomotor. Aceasta înseamnă că durata impulsului, datorat însumării tensiunii trimise

să activeze motorul, poate fi ajustată prin programarea microprocesorului pentru a

potrivi funcţiile cerute şi mai mult pentru a optimiza performanţele servo-ului.

• În al doilea rând, un servomotor digital trimite impulsuri către motor la o frecvenţă

semnificativ mai mare. Aceasta înseamnă că, motorul în loc să primească 50 de

impulsuri /secunda va primii 300 impulsuri/secunda. Deşi durata pulsurilor se reduce

direct proporţional cu frecvenţa, pentru că tensiunea la motor se schimbă mult mai

frecvent, motorul are tendinţe mai mari de a se întoarce. Acest lucru înseamnă că

servomotoarele digitale vor răspunde mai rapid la comenzi.

18

În figura II.3 se poate observa comparativ variaţia momentului în timp pentru

servomotoarele standard şi servomotoarele digitale.

Astfel pentru comanda servomotoarelor S3151 s-a dezvoltat o schemă electronică

alcătuită dintr-un microcontroler Atmega8535 şi circuitul de comunicare pe serial cu PC-ul

Max232. În figura II.4 este prezentată schema electronică de acţionare a patru

servomotoare.

+5V

+5V

+5V

+5V

+5V

+5V

+5V

+5V

+5V

+5V

+5V

+5V

RxD

OC2

OC1B

LED

Reset

OC2

OC1A

LED

Rx

TxD

Reset

OC1A

TxD

OC0

RxD

OC1B

Rx

Reset

OC0

U3L7805/TO220

1

2

3VIN

GN

D

VOUT

R31k

J1

STK200

13579

2468

10

+++++

+++++

C21u

C61u

C11u

U2

MAX232

138

1110

134526

129147

16

15

R1INR2INT1INT2IN

C+C1-C2+C2-V+V-

R1OUTR2OUTT1OUTT2OUT

VCC

GND

J3

M1123

D2

LEDC7100n

+ C8100u

R21k

D1

LED

J5

M3123

C333p

+ C92200u

R122k

J2

RS232123

J6

M4123

U1

ATmega8535

9

1312

10

2928272625242322

14151617181920 21

12345678

4039383736353433

11 303132RESET

XTAL2XTAL1

VCC

PC7/TSOC2PC6/TOSC1

PC5PC4PC3PC2

PC1/SDAPC0/SCL

PD0/RXDPD1/TXDPD2/INT0PD3/INT1PD4/OC1BPD5/OC1APD6/ICP1 PD7/OC2

PB0/T0PB1/T1PB2/AIN0PB3/AIN1PB4/SSPB5/MOSIPB6/MISOPB7/SCK

PA0/AD0PA1/AD1PA2/AD2PA3/AD3PA4/AD4PA5/AD5PA6/AD6PA7/AD7

GND AVCCGND

AREF

C10100n

J8

AL12

Y14MHz

C51u

D31N4001

C433p

J4

M2123

J7

Reset12

Tx

Fig. II.4. Schema electronică de acţionare a servomotoarelor

Microcontrolerul Atmega8535

În aplicaţia de faţă s-a folosit un microcontroler produs de tip AVR de firma Atmel

şi anume Atmega8535. Microcontrolerele AVR de 8biţi produse de Amtel au o structură

internă asemănătoare cu cea a celorlalte tipuri de microcontrolere. Spre deosebire de

microcntrolere cu structuă clasică aceste tipuri de microcontrolere au 32 de registre cu

funcţie de acumulator iar majoritatea instrucţiunilor se execută într-o singură perioadă de

ceas. Principalele caracteristici sunt următoarele:

- 130 instrucţiuni sunt implementate

- memorie program 8k, flash

- 10000 de programări a memoriei flash

19

- biţi de securizare la scriere şi la citire

- memorie EEPROM – 512 octeţi se poate scrie/şterge de 100.000

- are 32 pini programabili intrare/ieşire (I/O)

- sistem de întreruperi externe date de timer/numărător

- UART – universal asincron receiver transmiter

- interfaţă SPI (master/slave serial interface)

- două numărătoare de 8 biţi cu prescaler şi mod de comparare separat

- un numărător de 16 biţi cu prescaler şi mod de comparare separat

- 8 canale CAD convertor analog digital de 10 biţi.

- 3 canale PWM

Pentru a putea programa un micontroler avem nevoie de sursă de alimentare,

oscilator, modul de comunicaţie cu calculatorul, circuit de reset.

La sursa de alimentare după cum se observă în figura II.5 este nevoie de un

stabilizator de 5V, LM7805, un condensator electrolitic cu capacitate ridicată, 1000uF ÷

4700uF, pentru a netezii riplurile provenite de la redresare, două condensatoare de menţine

a tensiunii stabilizate (filtrare) în cazul unor perturbaţii apărute de la reţea. Aceste

perturbaţii pot produce resetarea microcontrolerului. La ieşirea din modulul de alimentare

este ataşat un LED pentru a semnaliza prezenţa sau lipsa tensiunii. De obicei culoarea

LED-ului este verde.

Microcontrolerele pentru a funcţiona au nevoie de oscilatoare externe sau interne.

Oscilatoarele electronice reprezintă o clasă de circuite electronice neliniare care generează

semnale electrice (curent / tensiune) cu o lege de variaţie în timp aproape sinusoidală,

utilizând în acest scop, parţial, puterile de curent continuu livrate de sursele de alimentare.

Microcontrolerul folosit are propiul său oscilator intern care funcţionează la frecvenţa

f=1MHz. Pentru a creşte această frecvenţă se utilizează oscilator cu cuarţ, oscilator RC,

+5V

+

C161000u

U1LM7805C

1

2

3VIN

GN

D

VOUT

C18100n

+

C17100u

R4470

LED

D2AL1

12

7V - 20V

Fig. II.5 Modulul de alimentare a unui microcontroler

20

oscilator ceramic rezonator sau surse generatoare de semnal oscilant. În figura II.6 sunt

prezentate schemele recomandate de producător a fi folosite, unde a) şi b) sunt modurile de

conectare a oscilatoarelor, iar c) modul de conectare a semnalului de ceas extern. În

aplicaţia de faţă s-a folosit un oscilator cu cuarţ de 8MHz.

Microntrolerele AVR au trei surse pentru genrarea resetului şi anume: power-on

reset ( la căderea tensiunii), semnal extern aplicat la intrarea externă de reset şi ieşirea

numărătorului watchdog. Circuitul pentru semnalul extern de reset este redat în figura II.7.

Pentru programarea microcontrolerului s-a folosit un programator STK200 care este

descris în figura II.8. Acesta are avantajul că protejează portul paralel al PC-ului în

eventualitatea unui scurt-circuit apărut pe placa cu microcontroler. Protecţia este realizată

Fig. II.8 Programatorul STK200

a) b) c)

Fig. II.6. Moduri de conectare a oscilatorului la microcontroler

+5V

Reset

C5100n

SW1Buton

R122k

Fig. II.7 Circuitul de reset pentru microcontrolerul ATmega 8535

21

prin circuitul integrat 74LS245 care este un bus driver.

Comunicarea dintre placa cu microcontroler şi calculator s-a realizat prin

comunicaţie serială. Comunicaţiile seriale nu sunt nici mai rapide nici mai ieftine decât

cele paralele, dar permit transferul de informaţie între echipamente aflate la distanţe foarte

mari. Comunicaţia serială utilizează un număr redus de fire. În comunicaţia serială, datele

transmise trebuie serializate la transmisie şi deserializate la recepţie. Pentru aceasta, la

transmisie se utilizează un registru paralel-serie iar la recepţie un registru serie-paralel.

Pentru a permite compatibilitatea echipamentelor realizate de diferiţi producători, s-a

adoptat standardul numit RS232 realizat de EIA (Electronics Industries Association) în

1960, modificat apoi în mai multe rânduri. Deoarece standardul a fost adoptat înainte de

apariţia familiei logice TTL, standardul nu este compatibil cu nivelele TTL. Nivelul logic 1

este reprezentat de o tensiune electrică cuprinsă între -3V şi -25V iar nivelul logic 0 este

reprezentat de o tensiune electrică cuprinsă între +3V şi +25V, zona situată între -3V şi

3V fiind nedefinită. Pentru conversia de nivele TTL/RS232 se utilizează circuite

specializate.

De exemplu se poate utiliza circuitul MAX232 al firmei Maxim. Acest circuit

converteşte nivelele TTL în nivele RS232 şi invers (figura II.9). Un avantaj al acestui

circuit este faptul că utilizează o singură tensiune de 5 V. Conţine două canale deci se

poate utiliza pentru două interfeţe seriale RS232. Circuitul are nevoie de patru

condensatoare C1 ÷ C7 având valoarea cuprinsă între 1÷22 μF (de obicei 1 μF).

Din punct de vedere al conexiunilor se utilizează două tipuri de conectoare: cel de

25 de pini şi cel de 9 pini. În figura II.10 se poate vedea conectarea cu 9 pini, iar în tabelul

2 se descrie semnalele interfeţei RS232.

Fig. II.9. Circuitul de adaptare MAX232

22

Comanda

Comanda motoarelor sa realizat prin folosirea canalelor PWM (Pulse-Width

Modulation) ale microcontrolerului ATmega8535. Comanda cu PWM înseamnă comanda

prin lăţimea impulsurilor. Este una dintre cele mai moderne metode de reglare a vitezei

motoarelor de curent continuu. Comanda PWM se poate realiza în circuit deschis sau în

circuit închis. În cazul amplificatoarelor PWM impulsurile aplicate indusului reprezintă

trepte de amplitudine U şi perioadă T constantă, dar lăţime variabilă (t1,t2,t3....). Lăţimea

impulsurilor este proporţională cu tensiunea de intrare U, iar tensiunea medie de ieşire Uout

este proporţională cu durata impulsului. Astfel se obţine un amplificator cu dependenţă

liniară între Uout şi U. De asemenea din studiile de până acum s-a observat apariţia unui

histerezis între creştere perioadei t1 şi descreşterea ei. Acest mod de aplicare a impulsurilor

este arătat în figura II.11.a. Schema electrică pentru acţionarea unui motor de curent

continuu este redată în figura II.11.b.

Realizarea Pentru proiectarea schemei electronice s-a utilizat mediul de proiectare OrCAD 9.

Pachetul de programe ORCAD 9 este destinat proiectării asistate de calculator a schemelor

Tabelul 2 Interfata RS232 conector DB-9 1 Data carrier detect (DCD) 2 Received data (RxD) 3 Transmitted data (TxD) 4 Data terminal ready (DTR) 5 Signal ground (GND) 6 Data set ready (DSR) 7 Request to send (RTS) 8 Clear to send (CTS) 9 Ring indicator

a) b)

Fig. II.10. Modul de conectare pentru interfata RS232

+5V

+5V

+12V

C833p

C733p

U5

AT90S2313

145

20

1213141516171819

236789

11

RESETXTAL2XTAL1

VCC

PB0/AIN0PB1/AIN1

PB2PB3/OC1

PB4PB5/MOSIPB6/MISOPB7/SCK

PD0/RXDPD1/TXDPD2/INTOPD3/INT1PD4/TOPD5/T1PD6/ICP

R1922k

C91n

4MHz

D12LED

R20470

R181k

D111N4148

-

+

Motor DC

Q13BD135

SW8

J3

STK200

13579

246810

+++++

+++++

U

Uout

a) b) Fig. II.11. a) Forma de undă a tensiunii aplicate indusului;

b) Schema electrică de comandă în impulsuri PWM a unui motor de c.c.

23

şi plachetelor electronice. Este compus din două parţi: OrCAD CAPTURE, destinat

desenării, editării, procesării şi simulării schemelor electrice, şi OrCAD LAYOUT,

destinat proiectării plachetelor cu cablaje imprimate. Astfel s-a realizat schema electrică

din figura II.11 şi cablajul electronic din figura II.12. După realizarea cablajului în OrCAD

LAYOUT s-a rulat postprocesorul pentru prelucrarea cablajului pe o maşină CNC. Datele

s-au salvat într-un fişierul pentru standardul Gerber RS-274D. Maşina de frezat CNC

utilizată este CPM2018 de la Isel cu un spaţiu de lucru de 200x180x75mm. În fig.II.13 se

prezintă maşina de frezat şi câteva aplicaţii ce se pot realiza cu ea. Astfel odată fişierul

gerber obţinut s-a lansat programul de prelucrare Galaad 3. Importând fişierul s-au ales

parametrii de prelucrare, vitezele de aşchiere şi scula de lucru, o freză cu Φ0,8mm. În

figura II.14.a se poate observa simularea prelucrării cu traseele ce vor fi efectuate de scula

aşchietoare, iar în figura II.14.b,c. cablajul simulat şi cel realizat.

Fig. 14. Simularea realizării cablajului electronic

Fig.II.12 Cablajul electronic

Fig. II.13. Maşină de frezat CNC Isel CPM2018; Aplicaţii.

24

În figurile II.15 şi II.16 sunt prezentate fotografii ale sistemului de comanda realizat.

Fig. 15

Fig. 16

Concluzii

In vederea actionarii modulelor din structura sistemului robotic, a fost ales un

motor de tip servo digital. Pentru comanda lui a fost realizat un circuit electronic avand in

structura microcontrolerul ATMega 8535, principiul de comanda fiind cel al impulsurilor

modulate in latime. Placa are dimensiuni reduse, adaptate aplicatiei si permite dezvoltari si

imbunatatiri ulterioare. Testarea acesteia a dovedit o buna functionare.