Elektronska zasnova

3.2. Elektronska zasnova

3.2.1. Napajalniki

Napajalniki so električne naprave, ki porabnike napajajo z električno energijo. Njihova glavna naloga je, da vhodno električno energijo spremenijo v želeno izhodno. Napajalniki so lahko samostojne enote ali pa so vgrajeni v napravo in lahko imajo nekatere dodatne funkcije, kot so izklop ob pojavitvi električne napake, omejevanje porabe električnega toka, hlajenje za zmanjšanje hrupa, shranjevanje energije za primer začasnega nedelovanja vira idr. Glede na pretvorbo električne energije delimo napajalnike na:

• iz izmenične napetosti (angl. alternating current – AC) v enosmerno napetost (angl.

direct current – DC) ali napajalnik AC-DC,

• napajalnik AC-AC,

• napajalnik DC-AC in

• napajalnik DC-DC.

3.2.2. Izbira elektromotorjev

Pri napravah izbira pravega elektromotorja igra ključno vlogo pri njeni efektivnosti ali produktivnosti. Izbira med koračnimi in servo motorji zna biti težka, saj so pri izbiri pomembni cena, navor, hitrost, elektronika idr.

Pri odločitvi pomaga, če poznamo njihove lastnosti delovanja ter prednosti in slabosti.

Povečini se pri strojih z linearnimi pomiki uporabljajo koračni ali pa servo motorji.

Koračni motor je svoje ime dobil zaradi svojega značilnega delovanja. Kot opisano v nadaljevanju, se ti motorji ne premikajo zvezno, temveč po delcih obrata [32]. Koračni motor je sestavljen iz rotorja s permanentnimi magneti in statorja z navitji. Ko tok teče skozi navitja statorja, ta generira magnetni fluks, ki vpliva na magnetno polje rotorja in s tem povzroči vrtenje. Koračni motorji imajo na rotorju tipično 50 ali več zob, na statorju pa nekaj manj.

Zobje statorja so razdeljeni v pare skupin z enakim številom zob, ki so zaradi nekaj manjkajočih zob lahko zamaknjeni, kot prikazuje slika 3. Navitja, na katera so pritrjeni

12

statorski zobje, so razdeljena v dve skupini, pogosto označeni kot skupini navitij A in B. Pri vsaki skupini navitij je vsako drugo navitje navito v drugo smer, kar povzroči obratno polariteto. Ta postavitev ob ustreznem zaporedju napajalnih pulzov statorskih navitij omogoča premikanje rotorja za 1,8. Zaradi velikega števila majhnih korakov zgleda to premikanje tekoče in lahko doseže tudi do 1200 obratov na minuto (angl. rounds per minute – rpm).

Koračni motorji imajo zato pri nizkih obratih zelo velik navor, ki jim omogoča, da se kljub bremenu ustavijo in ostanejo v točno določeni poziciji, vendar navor s hitrostjo močno pade.

Zaradi nizkega navora zato nimajo uporabnosti pri velikih hitrostih. Nizek navor bi sicer lahko popravili s prenosom, vendar bi za uporaben navor dobili neprimerno nizke hitrosti za veliko aplikacij. Če pa je le-te dovolj, je to odlična izbira, saj so ti motorji kompaktni in so povečini vodeni odprto-zančno, tako da enkoder ni potreben.

Servo motorji imajo veliko implementacij. Najbolj uporabljen dizajn vsebuje stator z navitji in rotor s permanentnimi magneti. Tok kreira magnetno polje, ta pa ustvarja navor tako, da se rotor začne vrteti. Zgradba in delovanje servo motorja sta torej podobna koračnemu motorju, vendar ima servo motor veliko manjše število zob. Zaradi majhnega števila zob morajo motorji delovati v zaprto-zančnem sistemu, kjer je potreben enkoder, s katerim se poveča natančnost pozicioniranja, žal pa se s tem povečata tudi robustnost in cena motorja.

Po drugi strani servo motorji omogočajo visoke obrate do skoraj 10.000 rpm, s skoraj konstantnim navorom, ki prinese boljše pospeške kot pri koračnem motorju.

Pri izdelavi rotorjev servo motorjev se najpogosteje uporablja redke zemeljske magnete (koračni motor – običajni magneti), ki z isto količino prinesejo večji navor.

3.2.3. PlanetCNC

Podjetje Planet CNC izdeluje tako strojno kot tudi programsko opremo za CNC-stroje, bolj specifično CNC-krmilnike. Ti so zmožni upravljanja do devetih osi (servo ali koračnih motorjev) in nadzirati tako analogne kot digitalne vhode in izhode. Krmilnik podpira avtomatsko menjavo orodja in njegovo kalibracijo, nadzor zunanjih naprav prek serijskih komunikacijskih protokolov I2C (angl. Inter-integrated Circuit) in UART (angl. universal asynchronous receiver-transmitter) in še kar nekaj ključnih nalog CNC-krmilnika [33].

Za nadzor vsega naštetega skrbi istoimenska programska oprema, ki podpira operacijske sisteme Windows, Linux in Mac OS [34]. Osnovni zaslon je razdeljen na štiri glavna območja, kot je razvidno na sliki 3. Rdeče obkroženo območje je namenjeno predvsem upravljanju osi stroja in prikazu vrednosti parametrov. Rumeno označeno območje je namenjeno odpiranju datotek, upravljanju vhodov in izhodov ter videza programa, dodajanju po meri narejenih ukazov … Modro označeno območje je namenjeno prikazu poti orodja oziroma prikazuje »sliko« končnega videza naložene datoteke. Zeleno obkrožen del pa prikazuje naloženo kodo G.

13

Slika 3: Videz programske opreme PlanetCNC.

3.2.4. Mikro računalnik Raspberry Pi

Mikro računalnik Raspberry Pi je bil razvit za namene poučevanja osnov računalništva mladini po svetu. Razvila ga je organizacija Raspberry Pi Foundation iz Združenega kraljestva. Njegova kompaktnost, zmogljivost in cenovna ugodnost so kaj kmalu pripeljale k njegovi uporabi v aplikacijah, katerih osnovni namen ni bil poučevanje mladih.

Podjetje je do letos razvilo že četrto različico osnovnega modela, na trg pa je prišlo še kar nekaj zanimivih modelov. Mednje spadajo Raspberry Pi 400, ki je pravzaprav kompaktni osebni računalnik, vgrajen v tipkovnico. Zero je najmanjši model, ki mu še lahko rečemo osebni računalnik, saj prek spominske kartice microSD, mini HDMI-porta (avdio/video vmesnik) in večnamenskega vodila mikro USB-porta omogoča delovanje in uporabljanje operacijskega sistema z monitorjem ter miško in tipkovnico.

Osnovni model, različica, ki je uporabljena v diplomskem delu (3B+), stane okoli 35 €, ima vgrajen Broadcomov 64-bitni procesor z 1,4 gigaherci (GHz) in en gigabajt (GB) DDR2 sinkronični dinamični pomnilnik z naključnim dostopom (SDRAM). Ta različica ima vgrajeno tudi mrežno kartico, ki podpira 2,4 GHz in 5,0 GHz brezžično internetno povezavo in Bluetooth 4.2, ki že spada pod BLE (Bluetooth z nizko porabo). Poleg 40 vhodno-izhodnih zatičev s splošnim namenom (GPIO) ima omenjena različica modela še port za večpredstavnostni vmesnik visoke ločljivosti (HDMI), štiri porte univerzalnega serijskega vodila 2.0 (USB), Eternet port (do 300 Mbps), avdio izhod in serijski vmesnik za kamero in ekran [35].

Slika 4: Model Raspberry Pi 3B+.

14