Diseno de la Tarjeta Controladora Micro-Step Unipolar "Mardus-Kreutz"

Tarjeta Controladora Micro-Step Unipolar Mardus-Kreutz

Hola a todos;

He aqui la foto de nuestra controladora, todavia todavia estamos en la fase de pruebas pero queria compartir nuestro progreso con ustedes.

El thread en ingles para este diseno es: http://www.cnczone.com/forums/showthread.php?t=25361

Al final de las pruebas pondremos a su disposicion el codigo de programacion del micro-controlador y los esquematicos actualizados asi como toda la informacion necesaria para que ustedes mismos puedan mandar a fabricar sus tarjetas.

El diseno de la tarjeta surgio de las preguntas de nuestro amigo Mardus (de Serbia) en el Foum en ingles, (para los que no entienden ingles, el "thread" comienza con la pregunta de Mardus del por que no habian controladoras Unipolares de Micro-step y las explicaciones de cual es el principio de funcionamiento), y continua con nuestro mutuo acuerdo de colaboracion en el diseno y construccion de una tarjeta controladora de calidad profesional con componentes discretos (es decir, sin usar circuitos integrados disenados especialmente con este proposito) y nuestra decision de compartir el diseno sin fines de lucro, (de ahi el nombre: Mardus-Kreutz).

Caracteristicas principales

Hasta 80 volt y 8 Amperes por fase
Modo Micro-Step: Full Step, Half-Step, 1/4, 1/5, 1/8, 1/10 y 1/16
Reduccion de corriente seleccionable despues de 3 segundos de inactividad
Interface aislada opticamente tipo STEP-Direction (activa "Low")
Transicion automatica a forma de onda Full-step (totalmente sincronizada) a 5 RPS (aprox 300 rpm) y viceversa durante deceleracion.
Empleo opcional del modo Micro-step de maximo torque (en estado experimental todavia)

se ve muy bien amigo, la pregunta es ¿en que te puedo ayudar?
el proyecto es muy interesante

En estos momentos estamos en la fase de pruebas, todavia hay que hacer algunos ajustes en los tiempos "Blanking time" y no tenemos mucho tiempo ni diferentes motores disponibles para las pruebas.

Todo aquel que tenga tiempo, al menos un motor unipolar (de 1 ampere o mas), un soldador, un osciloscopio y ganas de ayudar es bienvenido!! Lo que necesitamos son oscilogramas de las corrientes a distintas velocidades para poder hacer ajustes generales a los parametros programados. Tambien son necesarias pruebas de torque versus rpm.

Gracias por tu ofrecimiento.

El codigo fuente del "Translator" (escrito en BASIC para que sea facilmente entendible) esta listo para publicar. Las pruebas en el "Lab" han salido muy bien. Esta escrito para el microcontrolador Atmel AVR ATtiny2313. Ha sido probado exitosamente hasta 28Khz con la version "Demo" de Mach2.

Cualquier interesado en probarlo o revisarlo puede enviarme un PM solicitando el file en binario, hexadecimal o la version en BAS para el compilador BASCOM AVR. Yo use el sistema de desarrollo de Atmel (STK500) que es bien barato y funcional.

Kreutz

Tarjeta Controladora Micro-Step Unipolar Mardus-Kreutz

Aqui estan los Diagramas de la tarjeta y PCB de la parte de potencia para los que pudieran estar interesados.

Tarjeta Controladora Micro-Step Unipolar Mardus-Kreutz

Este es el codigo fuente para la Revision 01i del software para el microcontrolador Amel ATtiny2313. (Los comentarios del codigo estan en ingles.), por favor, lo unico que pedimos a cambio son sus opiniones y resultados de las pruebas que hagan. Si necesitan el file en bin, hex o BAS (para el compilador BASCOM AVR), manden un mensaje privado con su direccion de e-mail

Gracias.

Saludos kreutz, Tengo una duda que estoy seguro que me la puedes aclarar, la tarjeta Mardus-Kreutz que estas diseñando tal como otras tarjetas comerciales vienen con un micro-controlador, mi punto es: si estas conectando una tarjeta a un PC que la controla mediante un software específico, cual es la razón de adicionarle un micro a la tarjeta y no hacer todo el procesamiento y cálculos en la PC?

Uso del "Translator Rev01i" para manejar motores bipolares

El "translator" es el alma de la tarjeta controladora, su funcion es convertir los pulsos de Step y Direccion en la secuencia de comandos para controlar la parte de potencia (manejo de corrientes) para proporcionar las corrientes necesarias a los enrollados del motor en la secuencia correcta.

En nuestro caso el "translator" es el que proporciona la funcionalidad "Microstep", que es el proposito del diseno original.


He de destacar que el "translator" con el codigo fuente actual trabaja igualmente bien para motores bipolares, solo hay que cambiar la parte de potencia. El diseno se hizo con el proposito de que sea modular. Solo hay que disenar una tarjeta de potencia para motores bipolares y ese es el proximo paso.

No hemos querido utilizar la via "facil" de usar circuitos integrados de potencia ya hechos con este proposito porque de esa forma no se aprende a disenar, solo se aprende a ensamblar y leer hojas de datos de los fabricantes. Ademas, esos componentes no se encuentran facilmente ( o baratos) en muchos paises.

Sabemos que muchos de ustedes no pretenden "aprender a disenar" circuitos electronicos, pero queremos atraer a este foro a aquellos que si lo desean para que sirvan de apoyo y ayuda para todos ustedes. Por eso tambien disenaremos algunas interfaces usando circuitos de potencia bipolares como el L298 (hasta 2 amperes) y el L6203 (hasta 4 amperes), porque seran mas sencillas y faciles de ensamblar por ustedes mismos, pero pedimos su colaboracion en esta tarea porque ni Mardus ni Yo tenemos mucho tiempo disponible.

Giacco;

Creo que conteste tu pregunta en el post anterior, pero aqui va una explicacion mas detallada.

El programa del PC convierte la secuencia de comandos en codigo G en una secuencia de pulsos (Step y Direccion) adecuados para manejar cada eje, de forma que tu maquina se mueva sincronizadamente a las posiciones adecuadas.

La funcion de la tarjeta controladora es aceptar esa secuencia de pulsos (Step y Direccion) y convertirlas en la secuencia correcta de corrientes por los enrollados de tus motores. El microcontrolador es el encargado de hacer esto en esta ultima, aunque en muchos casos se utilizan circuitos integrados disenados con ese proposito exclusivamentre o FPGAs (que son arreglos de compuertas logicas programables), estos ultimos proporcionan mayor funcionalidad que los microcontroladores pero son un poco mas complejos de programar.

El PC es completamente capaz de manejar las etapas de potencia directamente pero serian necesarios mas puertos de entrada-salida, porque, por ejemplo, con el puerto paralelo no podrian manejarse mas de dos etapas de potencia a la vez o, si multiplexamos las salidas, haria mas compleja la parte de potencia, siendo necesario un circuito de "Translation" de nuevo. Tambien es necesario conocer que el sistema operativo Windows no es muy "amigable" con mantener la sincronizacion en tiempo de las senales de salida por los puertos fisicos puesto que no fue disenado para "control", el uso de sistemas operativos como DOS o Linux permite mayor control y precision en los tiempos de excitacion de los pines de salida y por lo tanto mayor velocidad para los motores.

Giacco;

Existe otra razon y es "compatibilidad"; Las companias que disenan los programas de control accesibles (economicamente) practicamente han adoptado como interface universal el puerto paralelo del PC y por consiguiente el modo Step-direction que permite un uso mas eficiente del mismo para manejar multiples ejes y recibir senales de "status".

Otras companias que venden paquetes "integrados" (software y hardware) comercialmente, tienen interfaces privadas y pueden utilizar el puerto serie, TCP-IP, puerto USB, interfaces SCSI o tarjetas PCI o ISA adicionales que sirven con el proposito de "translation".

kreutz.... estoy sonado.... en el Uruguay no se consigue el microcontrolador ni la placa de desarrollo ni tampoco los transistores de potencia....

Lamentablemente me quedo con las ganas...

Eduardo

Eduardo;

Yo mande a hacer 3 placas de circuito impreso para las pruebas, Mardus tiene otras tres. Yo no tengo equipo de CNC (ni espacio para poner uno, ni ganas de aguantar las quejas de mi esposa por el reguero...), asi que por ser el primero que lo solicita, tan pronto como yo termine de hacer las pruebas te puedo mandar las tarjetas mias, solo una va a estar ensamblada, te puedo mandar tambien los componentes que no consigas, para que tu ensambles las otras dos, puesto que los tengo aqui tambien.

No me comprometo a hacer lo mismo para todos porque no tengo mucho tiempo libre y no me gusta quedar mal, pero tratare de ayudar en lo que pueda.

Mandame un e-mail con tu direccion cuando tengas un tiempo.

Veo que alguien hoy se gano la loteria.

Bueno ha decir verdad, todos ganamos con la información de kreutz.

Saludos. :cheers:

Kreutz, agradezco tu ofrecimiento pero yo no estoy en condiciones de hacer las mediciones que tu necesitas para determinar las prestaciones de las placas. Yo no poseo osciloscopio en este momento. Mas adelante si ya que estoy comprando (para mi trabajo)un analizador de calidad de energía que en cierta forma actua como un osciloscopioya que ve los ruidos e incluso la forma de onda de la corriente en milisegundos.

Eduardo

Eduardo;

Cuando te de las tarjetas ya no necesitare hacer mas mediciones, solo hara falta que las utilices (si tienes motores unipolares). No necesito dinero tampoco.

Cita:

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no se consigue el microcontrolador ni la placa de desarrollo ni tampoco los transistores de potencia

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Me doy cuenta de que esta es una situacion generalizada, en realidad los que vivimos en paises con acceso a todo, lo tomamos como algo natural y no nos damos cuenta de cuan afortunados somos por ello.

Es nuestro deber ayudar en lo que podamos a aquellos que no estan en la misma situacion y desean salir adelante por su propio esfuerzo. Por eso pongo muchos de mis disenos gratis en la internet, desafortunadamente sin acceso a los componentes no les servira de mucho...

Yo pido a todos aquellos que si tienen acceso a los mismos y puedan ayudar a los demas, que lo hagan, yo lo hare tambien en la medida de mis posibilidades y tiempo.

Hay mucho talento y conocimiento aqui que puede ser aprovechado para el bien comun y seria una pena que no aprovecharamos las ganas de ayudar y ensenar de la gran mayoria, para ayudar a todo aquel que lo necesite.

Los componentes electronicos no son muy caros, muchas veces es el envio el que encarece los mismos. Si se reune un grupo con interes en construir los mismos equipos, es posible que alguien sirva como punto de compra y distribucion y se abarataria la compra pues el volumen es mayor y compartirian un solo envio hasta el punto de distribucion. Yo no me ofrezco para ser ese punto porque, como les dije, no tengo mucho tiempo, pero si puedo recomendar donde comprar las cosas y conseguirles los precios, al menos en la parte electronica, porque yo regularmente no compro componentes mecanicos.

Quizas algunas partes mecanicas puedan ser fabricadas economicamente por alguno de ustedes (que tenga los medios adecuados o acceso a ellos) y ayudarse entre si a construir sus propios equipos.

Kreutz,

En estos momentos tengo tiempo y las herramientas necesarias para empezar a hacer mediciones a tu diseno.
Yo trabajo com ingeniero electronico de diseno en circuitos integrados (> 30 years) y me estoy metiendo como "hobby" en el area de CNC. Tambien poseo 4 motores unipolares que adquiri de HobbyCNC hace poco. Presentemente tengo un Mill CNC que tiene su propio controlador, pero estoy haciendo un router CNC "jgro" y en este voy a utilizar los motores que adquiri tan igual que un controlador de HobbyCNC.
Por el momento estoy de vacaciones 'forzadas' pero empiezo a trabajar el proximo mes.

Te mando un email con is datos por si acaso quiesieras aceptar mi oferta.

groov

Por supuesto que acepto, ya te conteste a tu e-mail.

Tarjeta Controladora Micro-Step Unipolar Mardus-Kreutz Rev2.1b

Mardus encontro que los pines 3 y 4 del chip HCPL2631 estaban invertidos en el esquematico. Fue corregido en esta revision. Tambien hubo cambios en los valores de dos resistores (R41 y R42), son ahora 100 ohm.

Aqui tenemos una placa de potencia en el proceso de soldar los componentes.

El firmware esta ya en la Revision Rev01K, encontramos problemas con el compilador BASCOM y hubo que escribir algunos registros del CPU directamente para resolverlos. Publicarremos el codigo actualizado.

kreutz, en el siguiente sitio http://www.lancos.com/prog.html conseguí el diseño de un programador del AVR ATtiny, pero mencionan que soportan los modelos "AVR ATtiny microcontroller ATtiny12, ATtiny15" este programador servirá para el ATtiny2313 de tu controladora?

Giacco;

Ese programador no lo he probado, Mardus hizo un programador que funciona bien y le voy a pedir que me de la informacion.

Codigo Fuente de la revision Rev01K del Translator y Lista de Materiales para la tarjeta Unipolar Microstep.

Giacco;

Aqui esta el diagrama del programador que uso Mardus, con el se puede programar directamente desde BASCOM AVR. Yo le anadiria un capacitor de 22 pf a tierra a cada patita del Xtal.

Las pruebas de Mardus usando Motores van muy bien, proximamente enviara un video con audio para que tambien sepamos como suena el motor.

Me pregunto si hay suficiente interes en estas tarjetas como para disenar una interface con el PC incorporando los opto-aisladores (opto-couplers) y los micro-controladores para 3 o 4 ejes. Solo dejando la parte de potencia para que cada uno la anada independientemente (esa es la esencia del diseno modular) segun si su motor es unipolar o bipolar. Tambien se podria anadir a la interface las entradas aisladas para los interruptores de posicion (home), emergencia y salidas para reles.

Giacco;

He aqui otra posibilidad para programar los AVR, es en esencia el mismo programador que Atmel uso en el STK200 y 300.

El nuevo esquematico del Translator (Rev2.1d) incluye el conector para programar el microcontrolador sin sacarlo de la tarjeta, por lo que no sera necesario montarlo en un zocalo, de esta forma los que construyan esta tarjeta solo tendran que acoplar su programador ISP a la tarjeta, programar y usar las nuevas versiones del software.

Kreutz,

Por este lado hay interes en lo que describes en el articulo #27 pero para 4 ejes asi tambien como la inclusion del circuito para programar el controlador AVR.

groov

Cita:

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Iniciado por kreutz

Me pregunto si hay suficiente interes en estas tarjetas como para disenar una interface con el PC

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Por lo menos a mi me interesa, y quisiera ayudar en algo pero está no es mi área, e trabajado con CNC (ponchadoras) pero en diseño (sheet-metal). Ahora en esta parte de interfases, controladoras todavía estoy “agarrando mínimo”, aprendiendo de ustedes, de sus diseños.

kreutz, me parece excelente lo de los opto-aisladores, realmente yo estaba "intentando" a partir del diseño de Eduardo (edecalho) que es bastante completo, colocarles estos tanto a las salidas de señales, como a los “Home Switch” (El 6N136) las tarjetas cnc4pc vienen con el HCPL2531, pero para quien no es electrónico esto que parece simple se complica a abbastanza.

Cita:

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Iniciado por kreutz

... disenar una interface con el PC...

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Tengo otras ideas con respecto a esta interfase, (si acaso es posible, son ideas), por lo menos: la alimentación de los integrados se pueden hacer mediante un cable a un puerto USB que envía 5V, de esta forma se elimina un transformador adicional.

Y aquí va otra (que de repente es muy descabellada) Qué posibilidad hay de hacer una interfase inalámbrica (RF, iR, no se) desde una interfase hasta la parte de potencia, que permita, sin tanto cable intercomunicar la PC con la máquina CNC, y de esta forma además tenemos un aislamiento completo sin los opto-couplers.

Cita:

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Solo dejando la parte de potencia para que cada uno la anada independientemente (esa es la esencia del diseno modular) segun si su motor es unipolar o bipolar.

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Queremos disenar y poner a su disposicion distintas alternativas de placas de potencia segun las corrientes que requieran sus motores y el tipo de motor para que incluso puedan usar motores de tipo y potencia diferentes mezclados en la misma maquina. Comenzamos por la controladora unipolar porque ese fue el reto que se planteo Mardus en el thread original.

Quiero anadir tantas funciones que se encuentren en sistemas profesionales como sea posible, como por ejemplo Fast-decay y Mixed-decay automatico en las controladoras bipolares, ademas de la conmutacion gradual y sincronizada a Full-step automatica ( a cierta velocidad) que ya posee este translator.

La idea es usar una sola interface con el PC para todo tipo de placa de potencia, al sacar el translator de la placa de potencia e integrarlo en la interface con el PC se abarata esta ultima porque no hay que repetir esta parte del circuito para cada placa y permite abaratar la primera porque pueden compartirse el regulador de 5 volt y el oscilador de cuarzo entre todos los ejes.

Cita:

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Tengo otras ideas con respecto a esta interfase, (si acaso es posible, son ideas), por lo menos: la alimentación de los integrados se pueden hacer mediante un cable a un puerto USB que envía 5V, de esta forma se elimina un transformador adicional.

Y aquí va otra (que de repente es muy descabellada) Qué posibilidad hay de hacer una interfase inalámbrica (RF, iR, no se) desde una interfase hasta la parte de potencia, que permita, sin tanto cable intercomunicar la PC con la máquina CNC, y de esta forma además tenemos un aislamiento completo sin los opto-couplers.

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La primera no es conveniente porque arruinaria totalmente el aislamiento entre el PC y el equipo. (los 5 voltios del USB, sin embargo, si se pueden usar en la parte no aislada de la interface)

En cuanto a la segunda idea, el unico problema es la compatibilidad con el software que se usa actualmente, es por eso que Gecko busco la colaboracion de Artsoft para integrar su nueva serie de controladoras con el Mach3. Si se disena un codificador-decodificador que convierta las senales del puerto paralelo en RF, IR o TCP/IP y viceversa en tiempo real esa idea seria muy factible.

Translator Schematic Rev2.1d

Aqui esta el nuevo diagrama esquematico del "translator", incluye la interface de programacion en circuito (ISP). Este circuito es totalmete compatible con el firmware Rev01K.

Cita:

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Me pregunto si hay suficiente interes en estas tarjetas como para disenar una interface con el PC

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Al menos dos personas han expresado su interes, esta semana voy a comenzar este diseno. Pienso que no es conveniente incluir los reles en la interface debido a que cada cual podra usar el rele que encuentre conveniente, pero si incluiremos los drivers de los reles, asi es que debemos decidir al menos el voltaje maximo del enrollado del rele y propongo que sea de 24 volt DC.

Ademas pienso incluir el monitoreo de la senal de "ChargePump", entradas para home para 4 canales y switch de parada de emergencia.

Si desean alguna funcion auxiliar esta es la hora de pedir.

Kreutz: Tengo varias preguntas para hacer que a muchos nos puede servir para ampliar los conocimientos.
En muchos casos las controladoras tienen salidas que en realidad en algunas placas de control de motores no estan o no se usan...
Empecemos Que funciones culplen las siguientes salidas/entradas
Enable
clock
Sync

En segundo lugar... si usamos paso completo por ejemplo ponemos 100/mm ahora si cambiamos a 1/2 paso debemos poner 200/mm en el programa CNC.

Gracias
Eduardo

Cita:

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Iniciado por edecalho

Kreutz: Tengo varias preguntas para hacer que a muchos nos puede servir para ampliar los conocimientos.
En muchos casos las controladoras tienen salidas que en realidad en algunas placas de control de motores no estan o no se usan...
Empecemos Que funciones culplen las siguientes salidas/entradas
Enable
clock
Sync

En segundo lugar... si usamos paso completo por ejemplo ponemos 100/mm ahora si cambiamos a 1/2 paso debemos poner 200/mm en el programa CNC.

Gracias
Eduardo

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Enable: se usa para activar la etapa de potencia. En algunos sistemas el software activa o desactiva las etapas de potencia si se encuentra alguna situacion predeterninada o se activan los interruptortes de emergencia. La etapa de potencia es desactivada de inmediato por medio de esta entrada aun cuando la secuencia de pasos este todavia presente a la entrada. Otras veces es el hardware quien controla esta entrada cuando se detectan fallas en el sistema, o puede usarse una combinacion de software y hardware.

Clock: Algunos circuitos integrados de potencia son en realidad arreglos programables FPGA o ASIC, su funcionamiento interno puede ser completamente digital o hibrido y este clock es la entrada principal de sincronizacion para las compuertas digitales (generalmete del orden de los Mhz).

En otros casos se puede referir a la entrada de pulsos (Step)


Sync: Muchas controladoras dan la posibilidad de sincronizar los osciladores de Chopper para evitar frequencias de batimiento entre choppers sobre todo cuando los motores estan en reposo (pues producen armonicos audibles). Se elige un oscilador como Master y este actua como oscilador maestro para todas las fases.

La proxima pregunta te la respondistes tu mismo: Si, es necesario cambiar esos parametros en el programa CNC.

Nueva version del codigo fuente del "Translator" Rev01L

Gracias a la colaboracion de Wojtek encontramos un "bug" en el codigo. Fue corregido en esta version. Se hicieron otros cambios en esta version como anadir "dead time" de 300 nSec en la secuencia de conmutacion.

Buenas noticias de parte de Mardus.

Esta nueva version del firmware, segun el, es la mejor de todas. Ahora comenzara con las pruebas usando dos ejes manejados por nuestras controladoras. Estoy esperando por un "video clip" que prometio.

Muy bueno el proyecto, yo estube experimentando con los servos motores y me quedaron algunos attiny2313, tengo ganas de armar esta controladora pero lo unico que me frena es el UCC27424, la verdad no lo consigo, odio cuando me pasa eso, aca en santa fe - argentina es muy dificil de conseguir material de electronica, por favor kreutz o alguine que sepa como reemplazar ese integrado les agradeceria mucho...