Schéma a popis HW verze 2.0

 

Schéma HW verze 2.0 se značně liší od první verze 1.0. Přesto je část zpracování impulzů z čidel motorové jednotky Egis EPR-203 téměř shodná. Zde se liší jen čísla GPIO portů Raspberry Pi, kam jsou signály zavedeny. Všechno ostatní je už jinak. Schéma jsem předběžně prověřil při experimentálním zapojení samostatných částí. Vše fungovalo podle očekávání. Celkový prototyp jsem ale zatím nepostavil. K tomu se dostanu až po návrhu plošného spoje. Informaci o tom, že prototyp je hotový a plně funkční, se dozvíte na stránce o návrhu plošného spoje nebo v příspěvku na diskuzním fóru.

V průběhu návrhu plošného spoje v rámci jeho optimalizace může ještě dojít ke změně použití jednotlivých GPIO portů. V tuto chvíli to ale nepředpokládám a budu se snažit ve schématu žádné další změny neprovádět.

SchemaThumb

Obr.1 - Schéma navrhovaného zapojení HW 2.0

Podrobný rozpis použití jednotlivých pinů konektoru Raspberry Pi zde uvádět nebudu. To je zřejmé ze schématu. Pro celkovou představu jen přikládám obrázek s popisem tohoto konektoru.

GPIO40PinsThumb

Obr. 2 Popis konektoru GPIO Raspberry Pi

Protože schéma se poněkud rozrostlo a začalo být nepřehledné, rozdělil jsem ho do pěti samostatných funkčních bloků.

  1.  Blok vstupů z motorové jednotky Egis (Block of inputs from the Egis motor unit)
  2.  Blok výstupů do motorové jednotky Egis (Block of outputs to the Egis motor unit)
  3.  Blok vstupů/výstupů přídavného motoru 3 (Block of inputs / outputs of additional motor 3)
  4.  Blok servomotorů (Block of Servo Motors)
  5.  Blok speciálních sběrnic (Block of special buses)

1. Blok vstupů z motorové jednotky Egis má za úkol nejprve převést 24V logiku používanou čidly v Egisu na standardní logiku 5V TTL. K tomu je použita odporová síť 680 Ω, 560 Ω a 1k5. Tato úroveň je pomocí optočlenů převedena na logiku 3,3V používanou počítačem Rapsberry Pi. Zároveň optočleny galvanicky oddělují vstupy RPI od zbytku konstrukce. Odpory 1k5 nastavují zatížení vstupních pinů RPI na maximálně 1,5 mA. Čidla Origin jsou obyčejné mechanické spínače. Proto jsem na vstupy připojil kondenzátory 1 nF, které odfiltrují  rušivé vysokofrekvenční signály indukované do dlouhého přívodního kabelu. U mechanických spínačů je potřeba řešit zákmity. Já jsem k tomu využil softwarového nastavení vstupů RPI.

Originální ovládací jednotka Egis EPS-103 má na vstupech zapojenou ještě ochranu proti přepětí. Tu jsem ve své konstrukci nepoužil. Jednak si nejsem jistý, jakou konkrétní součástku vybrat, jednak si myslím, že oddělení pomocí optočlenů by mohlo být dostačující. Nevím, jaká čidla jsou použita u motorů Egis. Možná mě v diskuzi poučíte. Předpokládám nějakou elektronickou verzi, která má definované výstupní hodnoty. Proto jsem na vstup pozicionéru nepřidával filtrační kondenzátory 1 nF proti indukovanému vysokofrekvenčnímu rušení do přívodních drátů. Nechci zbytečně zkreslovat přenášený signál. 

2. Blok výstupů do motorové jednotky Egis je řešen pomocí můstkového spínače L6203. Jeho limity jsou 48V / 5A. To umožňuje s dostatečným chlazením spínat i mnohem silnější motory, než jsou v Egisu. Při zkouškách se prokázalo, že obvody se ani bez jakéhokoliv chladiče s motory Egis příliš nehřejí. Proto jsem chladící schopnosti použitého chladiče moc neřešil.

Obvod L6203 je v doporučeném katalogovém zapojení. Vstupy IN1 a IN2 používají logiku TTL. Pro změnu směru otáčení motoru na nich musí být vzájemně opačné signály. To zajistí invertor v obvodu 74LS04. Řídící signál z RPI je galvanicky oddělený optočlenem. Odpor 410 Ω nastaví proud LED budičem optočlenu na 5 mA. Vstup Enable je využitý k vlastnímu řízení rychlosti otáčení motoru. Používá také logiku TTL. Při log. 0 je silové napětí na výstupu nulové. V log. 1 je výstupní napětí trvale zapnuté. Přivedením impulzů PWM na tento vstup se tedy signál objeví v silovém výstupu obvodu a řídí otáčky stejnosměrného motoru. Bohužel závislost rychlosti otáčení motoru na šířce impulů PWM není lineární. Tento fakt bude potřeba řešit softwarově v ovládacím programu.

3. Blok vstupů / výstupů přídavného motoru 3 je ve výstupní části shodný s řízením motorů Egis. Obvod L6203 umožňuje připojit k napětí 24 V motor až o výkonu 120W. V takovém případě ale musíme použít dostatečně silný napájecí zdroj. Je potřeba počítat s tím, že všechny tři motory mohou běžet současně. Také by bylo potřeba přehodnotit účinnost chladícího bloku. Já předpokládám použití motoru PG320-24-264-BE, který má výkon do 4W. Pro něj žádné dodatečné úpravy nejsou potřeba. Signál z RPI je opět od obvodu L6203 oddělený optočleny.

Vstupy z čidel motoru 3 připojují LED budiče optočlenu na zem. Tím se uzavře okruh přes odpor 750 Ω na +5V, kterým protéká proud 5 mA. To znamená, že lze použít jakékoliv mechanické spínače nebo téměř jakékoliv elektrické spínací prvky. U mechanických spínačů je potřeba řešit zákmity. To lze i softwarově v nastavení RPI. Uvedený motor obsahuje magnetický enkodér se dvěma Hall senzory. Na jejich výstupu je tranzistor s otevřeným kolektorem s možností napájení v rozsahu 3,5 až 20 V. Protože na použitých 24V nedosáhnou, zvolil jsem napájení napětím 5V. Tento signál je opět převeden na logiku 3,3V použitou v RPI zmíněným optočlenem. Zároveň je tak i RPI galvanicky oddělená od zbytku zařízení.

4. Blok servomotorů nepotřebuje ke své funkci žádnou výkonovou část. Motory jsou napájeny přímo ze zdroje 5V. Proto je potřeba si dát pozor na výkon tohoto zdroje. Musí utáhnout víc, než jen počítač RPI. Tohle by mohl být důvod k tomu, aby byl pro RPI použitý samostatný zdroj 5V/3A a druhý samostatný zdroj použít k napájení zbytku pozicionéru a případných servomotorů. Uzemění těchto dvou zdrojů by nebyly propojené a tím by došlo k úplnému galvanickému odpojení RPI.

Řídící impulzy servomotorů mají úroveň TTL. Opět je tu použit optočlen ke galvanickému oddělení a převodu úrovní signálu z 3,3V na 5V. Odpor 100 Ω má jen ochrannou funkci. V případě poškození obvodů nedojde k přímému zkratu zdroje +5V. Odpor 3k3 udržuje na datovém kabelu log. 0 v době, kdy výstup optočlenu není v sepnutém stavu. Časovou konstantu RC členu 3k3 / 1 nF jsem neřešil. Možná se k ní vyjádříte v diskuzi. Kondenzátor 1nF má za úkol odfiltrovat rušivé vysokofrekvenční signály indukované do dlouhého kabelu mezi pozicionérem a servomotorem. Nejspíš by bylo vhodné dát stejný kondenzátor i přímo na vývody servomotoru. Ale tato přídavná kapacita zároveň způsobuje zkreslení hran řídícího signálu. Při zbytečně velké kapacitě by servomotory mohly na řídící impulzy přestat reagovat.

5. Blok speciálních sběrnic je jen vodivé propojení mezi konektorem RPI a výstupními svorkami. Protože neznám budoucí využití, nedoplnil jsem na tyto vodiče žádný napěťový převodník ani galvanické oddělení ani ochranu proti přepětí. Jsou-li takové obvody potřeba, musí se zajistit v konstrukci připojeného zařízení. Pokud zůstanou nevyužity, nic k těmto svorkám nepřipojujte. I když RPI nějakou ochranu svých pinů má, pamatujte na to, že manipulujete se zařízením citlivým na elektrostatickou elektřinu.

V následující tabulce je soupis použitých součástek:

Číslo součásti Název Počet kusů
22  Raspberry Pi 3B+, SD karta 1
21  Zdroj 5V / 3A, nebo silnější 1
20  Zdroj MEAN WELL LRS-75-24, nebo silnější 1
19  IDE kabel plochý 40 pin 1
18  Konektor MLW40G 1
17  Svorkovnice ARK500/2EX (Wago W237-102) 4
16  Svorkovnice ARK500/3EX (Wago W237-103) 10
15  Kondenzátor 220nF, fóliový 3
14  Kondenzátor 22nF, keramický 3
13  Kondenzátor 15nF, keramický 6
12  Kondenzátor 1nF, keramický 4
11  Odpor 3k3 8
10  Odpor 1k5 14
9  Odpor 750Ω 2
8  Odpor 680Ω 6
7  Odpor 560Ω 6
6  Odpor 410Ω 8
5  Odpor 100Ω 4
4  Odpor 10Ω 3
3  SN74LS04N, 6x invertor s otevřeným kolektorem  1
2  PC844, 4x optočlen (Vishay ILQ620) 4
1  L6203, můstkový výkonový spínač  3

 

Pro ty, kteří se budou chtít pustit do vlastní výroby pozicionéru, přidávám krátký komentář k součástkám. Všechny odpory jsou miniaturní, metalizované, na zatížení kolem 0,5W. Kondenzátory jsou na napětí kolem 100V. Optočleny jsou speciálně vybírané pro větší spínací napětí UCE = 60V. Této podmínce vyhovovala varianta s dvěmi antiparalelně zapojenými LED diodami, i když tuto vlastnost nijak nevyužívám. V zahraničí bude známější verze ILQ620, ta má UCE = 70V. Invertor SN74xx04N jsem vybral ve verzi LS proto, že byla nejsnadněji dostupná. Elektrické parametry nehrají roli. Svorkovnice ARK je mechanicky o trochu menší, než zahraniční standard Wago. Ale to ničemu nevadí. Dávám přednost šroubovaným spojům, ale kdo bude chtít, může zvolit verzi Wago s pružinovou klipsnou. Proudově jsou tyto svorkovnice dimenzované víc než dost.