POLOHOVÁNÍ ULTRAZVUKOVÉHO SENZORU

Automatizace, regulace a procesy 2006

POLOHOVÁNÍ ULTRAZVUKOVÉHO SENZORU Jaromír ŠKUTA

__________________________________________________________ 1

POLOHOVÁNÍ ULTRAZVUKOVÉHO SENZORU Jaromír ŠKUTA VŠB - Technická Univerzita Ostrava, Katedra automatizační techniky a řízení

Příspěvek popisuje zařízení realizující lineární posuv ultrazvukového snímače. Mechanismem realizujícím lineární posuv je kuličkový šroub, na kterém je umístěna plošina určená pro umístění senzoru. Pomocí spojky je tento mechanismus spojen s pohonnou jednotkou (krokový motor). Pulsy pro krokový motor generuje řídicí jednotka CD20M. Ta komunikuje s PC pomocí standardního rozhraní RS 232 nebo USB. Výkonové členy jsou umístěny také na této jednotce. V prostředí systému Control Web 5 je vytvořená aplikace umožňující konfiguraci řídicí jednotky pomocí příkazů (ASCII řetězce). Řídicí jednotka je na bázi jednočipového počítače řady PIC. Klíčová slova: Control Web 5, lineární posuv, PIC, RS 232, USB, … This contribution describes the system for linear movement of ultrasonic sensor. Linear movement is realized by ball bolt. Platform for ultrasonic sensor is located on this ball bolt. This mechanism is connected with drive unit (stepping engine) helping by junction. Control unit CD20M generates pulses for stepping engine. This unit communicates with PC through standard interface RS 232 or USB. Power elements are located also on this unit. Application which enables configuration of control unit helping by commands (ASCII string) is created in Control Web 5 environment. The control unit is based on standalone chip PIC series. Keywords: Control Web 5, linear movement, PIC, RS 232, USB, …

1.

Úvod

Cílem tohoto příspěvku je ověření možnosti nasazení krokového motorku pro polohování UZ sondy. Tato sonda bude využita pro sestavování 3D obrazu z dílčích 2D obrazů (řezů) v oblasti karotické tepny. Rozsah měření je omezen na max. 2cm s přesnosti 0,1 mm. V příspěvku je podrobněji popisován mechanismus pro nastavení pozice UZ sondy. Cílem tohoto příspěvku je sestavení zařízení z továrních výrobků a vytvoření programu pro konfiguraci tohoto systému z prostředí Control Web 5.

2.

Řetězec polohovacího systému

Pro realizaci polohovacího řetězce jsou použity komponenty firmy MICROCON. Tato firma má v nabídce několik řad řídicích jednotek. Tyto jednotky mají rozměry standardního malého euro-formátu. Obsahují výkonový zesilovač pro bipolární napájení dvoufázových krokových motorů (se 4, 6 nebo 8 vývody) s pulsní regulací proudu. Vstupní signály jsou galvanicky odděleny optočleny, pro galvanické oddělení vstupu „pulsy“ je použit rychlý optočlen s magnetickým stíněním. Vždy při sepnutí průchodu proudu vstupní diodou optočlenu připojeného na vstup „pulsy“ je proveden mikrokrok dle nastaveného dělení kroku ve směru určeném logickou úrovní na vstupu „směr“. Vypnutí koncového stupně je možné signálem „disable“. Standardní napěťová úroveň vstupů je 0; 24 V, volitelná 0; 5 V. Maximální výstupní kmitočet u standardního provedení jednotek 20 kHz (u CD30M 40 kHz). Možnost mikrokrokování - plné využití možností 4 bit D/A převodníku pro další zvýšení plynulosti chodu motoru - možnost dělení kroku také osmi a šestnácti. Dělení kroku se na jednotkách nastavuje pomocí DIP spínače. Amplitudu výstupního proudu motoru je možné nastavit pomocí DIP spínače v osmi stupních (CD20M) nebo v šestnácti stupních (CD30M, CD40M). [MICROCON] V aplikaci je použitá jednotka CD30M s amplitudou proudu až 3.3A. Pro lineární posuv bylo vybráno lineární vedení s vodícími tyčemi v provedení bez krytí a s tyčemi o průměru


2 ___________________________________________________________ 16 mm. Vedení jsou vhodná pro polohování lehkých a středně těžkých břemen. Součástí lineárního vedení je kuličkový šroub. Stoupání tohoto kuličkového šroubu je 5 mm/ot. a jeho délka je 350 mm. Základem jednotky CD30M je kontrolér M1486. Tato jednotka v jednom obvodu integruje plně programovatelné řízení krokového motoru i univerzální řídicí funkce využívající diskrétní vstupy/výstupy a umožňuje tak realizovat kompletní řízení stroje či zařízení reagující na vnější podmínky. Základní vlastnosti kontroléru M1486 lze shrnout do následujících bodů: • programovatelný sequencer, • rychlost až do 40 000 kroků/s, • optimalizace využití momentu krokového motoru, • tři možnosti propojení s výkonovým zesilovačem, • výkonný soubor více než 50ti povelů, • délka dráhy až 16 milionů kroků, • vnitřní paměť umožňuje, aby předprogramované povelové soubory byly prováděny off-line, • 21 univerzálních vstupů/výstupů, • programovatelná maximální rychlost, start/stop rychlost, zrychlení, tvar proudu při mikrokrokování, • plynulé zrychlení a brzdění, • sériový vstup, až 16 kontrolérů může být připojeno na jeden port, • nízkopříkonový CMOS obvod, TTL kompatibilní, • pouzdro 40pin DIP nebo 44pin PLCC. [MICROCON] Výkonný povelový soubor Všechny povely obvodu M1486 jsou ASCII znaky (je možné použít jak velká, tak i malá písmena). Uživatel může použít běžné textové editory pro přípravu povelových ASCII souborů. Nové povely jsou předávány prostřednictvím standardního sériového kanálu kompatibilního s rozhraním RS 232. Přenosová rychlost může být vybrána ze čtyř rychlostí v rozmezí 1 200 až 9 600 bitů/s. K dispozici je široká nabídka více než 50ti povelů, aby bylo možno realizovat požadavky kladené na řízení v různých aplikacích pouze povelovým souborem. Realizace požadavku aplikace povelovým souborem je oproti hardwarovému řešení jednodušší, rychlejší a umožňuje snadné přizpůsobení v případě změny požadavků, což se v průběhu vývoje zařízení někdy stává. [MICROCON] Na obr.1 je schématické zapojení jednotlivých komponent v řetězci umožňující nastavování polohy ultrazvukového snímače.

Polohovací zařízení s pohonnou jednotkou

Řídicí a výkonová jednotka

Výkonové vedení krokových motorů

PC s konfiguračním a ovládacím softwarem

RS 232

Obr. 1. Konfigurační řetězec lineárního vedení



__________________________________________________________ 3

Obr. 2. Ukázka praktické realizace

Pohonná jednotka Jako pohonná jednotka je použit krokový motor řady SM. Krokové motory řady SM firmy Pacific Scientific jsou dodávány v přírubách NEMA23, NEMA34 a NEMA42. Standardní délka kroku je 1,8° s možností dalšího elektronického zmenšení. Předností krokových motorů řady SM v přírubě NEMA23 - typ POWERMAX jsou velmi nízké momenty setrvačnosti rotoru, které zaručují velkou dynamiku motoru. Díky poměrně nízké indukčnosti jsou zejména vhodné pro aplikace, kde jsou požadovány vyšší rychlosti. Krokové motory řady SM v přírubě NEMA34 a NEMA42 typ POWERPAC dosahují velmi vysokých momentů a jsou dostupné i s celkovým krytím IP65, krytí vývodů i krytí hřídele. Největší dostupný statický moment u krokových motorů typu POWERPAC je 40 Nm. Dodávány jsou i v provedení s patentovaným usměrněním magnetického toku magnety ze vzácných zemin, zvýšení momentu oproti standardnímu provedení o dalších až 25% při zachování momentu setrvačnosti rotoru..

Obr. 3. Krokové motory řady SM

3.

Aplikace v prostředí Control Web 5

Systém Control Web 5 slouží k monitorování a řízení technologických procesů. Součásti základní verze je ASCII ovladač umožňující posílat a číst ASCII znaky a řetězce na (z) sériovou linku. Samozřejmostí v tomto systému jsou standardní typy přístrojů jako jsou panel, měřicí přístroj, ovládací přístroje …. . V prostředí Control Web 5 byla vytvořená aplikace umožňující konfigurovat řídicí jednotku krokových motorů. Pro konfiguraci byly použity standardní příkazy kontroléru M1486. Princip spolupráce a konfigurace spočívá v poslání sady příkazů a následným spuštěním programu v kontroléru M1486. Základní test vybraných sad příkazů byl prováděn z programu Inmotion PC Utilities dodávaný firmou MICROCON. Po ověření funkčnosti programu se vybrané algoritmy vepíšou do přístroje program v systému Control Web 5. Tento přístroj posílá jednotlivé příkazy do jednotky M1486. Po odeslání těchto příkazů do jednotky se provede spuštění algoritmu v jednotce. Takto lze realizovat algoritmy řízení pro krokový motor. Na obr.4 je příklad okna aplikace v prostředí Control Web 5.


4 ___________________________________________________________

Obr. 4. Okno aplikace v prostředí Control Web 5

4.

Závěr

V rámci tohoto příspěvku bylo zkonfigurováno zařízení umožňující polohování ultrazvukové sondy. Byly ověřeny možnosti spolupráce kontroléru M1486, který je jádrem řídicí jednotky CD30M se systémem Control Web 5. Byla vytvořená aplikace v prostředí Control Web 5 umožňující distribuci řízení na nižší úroveň hierarchické struktury řízení. Tento příspěvek vznikl v rámci grantového projektu GA 101/06/0491. Adresní údaje o autorech Ing. Jaromír Škuta, Ph.D. VŠB - Technická Univerzita Ostrava, Katedra automatizační techniky a řízení. Adresa pro korespondenci: VŠB - Technická Univerzita Ostrava, ul. 17.listopadu č.15, 7.patro, 708 33 Ostrava – Poruba. E-mail: [email protected] Plné jméno s tituly: Pracoviště a jeho začlenění do instituce / firmy:

Fax: Telefon:

[1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9]

+420596994119

BABIUCH, M. Implementation of User-friendly Programming Environment for Standalone Micro-controllers. In Proceedings of 3rd International Carpathian Kontrol Conference. Ostrava: VŠB-TU Ostrava, 27. - 30. 5. 2002, p. 471-475. ISBN 80248- 0089-6. FARANA, R. Laboratorní modely pro podporu distanční výuky. In Proceedings of XXIX. Seminary ASR '04 “Instruments and Control”. Ostrava : Katedra ATŘ, VŠB-TU Ostrava, 2004, pp. 39-44. ISBN 80-248-0590-1. HRBÁČEK, J. Programování mikrokontrolérů PIC 16CXX. Praha, BEN-technická literatura, 1997, ISBN 80-86056-16-3. HRBÁČEK, J. Komunikace mikrokontroléru s okolím. Praha, BEN-technická literatura, 1999, ISBN 80-86056-42-2. KULHÁNEK, J. The Speed of Component-Based Application in .NET Platform. In 5th International Carpathian Control Conference. Zakopane, Poland : AGH-UST Krakow, 25. - 28. 5. 2004, pp. 843-848. ISBN 83-89772-00-0. MICROCON. Internetové stránky dostupné z www , 20. 8. 2006. SMUTNÝ, L., TŮMA, J., KOČÍ, P., ŠKUTA, J. & JURÁK, M. Research Laboratory of Noise and Vibration Diagnostics at the Department of Control Systems and Instrumentation. In Active Noise and Vibration Control Methods. Krakow (Poland): AGH Krakow, 7-9.5.2003, p. 54 (Abstract Proceedings). Full paper 6 pp. [CD ROM Proceedings]. ISBN 83-916516-6-5. ŠKOLOUDÍK D, ŠKODA O. &, BAR M. Neurosonologie. Praha : Galén, 2003. ŠKUTA, J. Využití mikrokontroléru PIC 16F84 pro sekvenční spínání. In Proceedings of XXVIII Seminary ASR 2003 „Instruments and Control“. Ostrava : VŠB-TU Ostrava, 6. 5. 2003, pp. 335-338. ISBN 80-248-0326-7.



__________________________________________________________ 5

POLOHOVÁNÍ ULTRAZVUKOVÉHO SENZORU

Recommend Documents