Petit Pas : un de plus!

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Dernière mise à jour projet : 17/04/2010

!Projet fini (sauf la documentation n'hésitez pas à poser des questions)!

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Introduction et historique
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Le projet PetitPas a comme objectif de concevoir et de facilement réaliser un ensemble de cartes pouvant piloter des moteurs bipolaires à partir du port parallèle d'un PC (ou d'une carte d'interpolation).

Ce projet reprend beaucoup de choix techniques des projets µstep (de mdog et freedom) et picstep (d'alan) qui sont :
- Utilisation du LMD18245 comme driver de puissance, qui intègre toute la partie asservissement du courant moteur qui simplifie grandement la conception et le câblage (attention au prix!)
- Utilisation d'un pic (16f876a ou 16f886) pour le séquencement, un classique. Penser à vous doter d'un programmateur de pic (dans les 25€ pour un clone du pickit2 sur ebay (je vous le recommande) ou pour quelques euros un bidouille qui potentiellement vous donnera du fil à retordre!)

Les différences entre ces différents projets :
- Contrairement au projet µstep, le pic choisi est un "classique" (facilement approvisionnable) et est bien plus performant à tous points de vues. Le code est en assembleur qui est de loin bien plus optimisé que le codage original du driver en C (freedom l'a depuis réécrit très avantageusement en assembleur). Picstep est une carte tout en 1 ce qui a des inconvénients (peu modulaire, interchangeable,...) mais aussi des avantages (beaucoups moins de connecteurs, composants). Pour donner un ordre d'idée, "PetitsPas" environ 1000 trous VS "µstep" environ 600 trous. Le projet n'est pas open source (à ma connaissance), ni le projet "PCB", ni le projet "firmware" (celui de mdog pas celui de Freedom) ne sont librement accessibles. C'est un choix de mdog et chacun fais ce qu'il veut de ses droits d'auteurs, je le respecte.
- Projet picstep. La principale différence est qu'il utilise un autre pic et son code n'est pas optimisé en vitesse (limité à 60kHz de mémoire). De plus beaucoup de fonctions ne sont pas présentes (réduction de puissance, micropas élevés, changements de tables, ...).
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Caractéristiques Techniques
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Voici synthétisés les différentes caractéristiques techniques

Courant maximum : 3A maximum par phases moteurs (voir LMD18245T)
Fréquence maximum des pulses "STEPS" : 150 kHz
Micropas : plein pas à 1/32 pas.
Tables : sinus (classique), powertorque (puissance maximum), carrée (plein pas pour tous les micro-pas), automatique (changement de table selon la vitesse).
Réduction de puissance commandé par le PC : oui (TBC)
Dimensions : carte "puissance" (driver) 60*75mm , carte "breakout board" 67*95mm tout deux en simple face.

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Avancement
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Il y a eu 2 versions du projet, la carte prototype (V0.1) et la carte finale (V1.0).

Carte Puissance (driver) :
Firmware du PIC : 100% sur le 16f886, 95% le 16f876a (à tester sur la V1.0d, V0.1 100% fonctionnelle)
Carte : 100% fonctionnelle. Ce serait à refaire je partirais sur du circuit double face.

Carte Breakout (interface PC) :
Carte : 98% (2% en attendant le premier courageux qui la testera!) Ce serait à refaire, faire une opto-isolation (attention à la fréquence des pulses) et pourquoi pas du double face.

Documentation :
PDF : 10%[/color] (à faire selon la demande car pénible et long)

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Fichiers
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Carte Puissance (driver) :
La carteV1.0d (du 16/04/2010): Projet Kicad / schéma PDF / typon PDF
Le Firmware (du 08/05/2010) : Projet MPLAB / Binaires : 16f876 / 16f886

Carte Breakout (interface PC) :
La carteV1.0 (du 07/04/2010) : Projet Kicad / schéma PDF / typon PDF

Pensant à construire une CNC d' "appartement", je me suis mis en quête du driver moteur pas à pas qu'il me fallait. J'ai commencé à m'intéresser aux projets sur la base d'un LMD18245 et d'un PIC.

En faisant un petit tour je n'ai rien trouvé qui me satisfasse pleinement. Je me suis mis à vouloir créer le mien. Mes plus grandes sources d'inspirations furent le projet d'Alan picstep V4 :
http://www.fromorbit.com/projects/picstep et le projet de mdog avec le firmware de Freedom : µstep (voir le fil sur ce forum).

Je suis reparti du firmware de Freedom (en assembleur) qui à l'époque était une adaptation de celui d'Alan pour le 16F57 (cette rogne...). Comme Freedom, j'ai fini par pratiquement tout recoder.

Les contraintes :
- Modulaire : un circuit par moteur. Il doit être le plus autonome possible et ne pas trop faire confiance aux circuits environnants (alim 5V de ref, amplitude des signaux d'entrée...)
- PCB facilement faisable dans un garage donc simple face, pas de pistes entre pastilles, distances d'isolations importantes... Tout ça quitte à multiplier les straps!
- Les LMDs doivent être en bord de carte pour pouvoir profiter des radiateurs extérieurs présent en fond de boitiers.
- Cote à cote 2 circuits doivent pouvoir être vissés sur une même radiateur de 15cm de large.
- Peu importe les circonstances, le temps de latence entre une impulsion de "STEP" et la commande des LMDs doit être rigoureusement constant.
- Interface "compatible" picstep V4 (sauf pour l'alim 5V)
- Gérer le """Bug""" des LMD18245 (en fait le contourner).
- Avoir "de la marge" pour implémenter d'autres fonctions/modes/tables.
- Toutes les fonctions ont leur jumper, pas de choix à la "compilation" (assemblage).

Je suis donc parti sur un pic 16f876A avec 28 pins cadencé à 20 MHz et ayant une gestion des interruptions et un DAC permettant de générer la référence de tension pour les LMDs et ainsi pouvoir réduire le courant moteur en mode réduction de puissance.

Les fonctions actuellement implémentés sont :
- Micropas : full, 1/2, 1/4, 1/8, 1/16, 1/32 (3 jumpers)
- 2 tables : Sinus et "power torque" (1 jumper)
- Mode réduction de puissance (courant) automatique sans décalage de pas (1 jumpers)
- Un mode "Pas de chat" qui permet de faire de l' "interpolation" au 1/32 pas pour les modes de microstepping inférieurs (1/16 et moins), à voir l'utilité. (1 jumper)
- PIC directement (re)programmable sur le circuit via un connecteur ICSP.
- Un bouton de reset... Ça peut servir pour charger une nouvelle configuration!

Voici le schéma électronique du prototype:

Sa vue 3D (je n'ai pas fait les LMD en 3D) dimensions 75mm*60mm:


N'ayant pas mon matériel de fabrication sur place, j'ai fait fabriquer une carte (prototype) chez util-pocket : http://www.util-pocket.com/electronique/circuit_imprime.htm pour 13,03€ TTC (Port : 3,90 + Typon : 3,50 + PCB : le reste) percé à 0,8mm et étamé (il m'avait oublié 2 trous). Livré en 10 jours, le résultat bon :


Des choses sont à améliorer sur cette carte (vias, tailles de certaines pastilles, frein thermique pour le plan de masse...)

J'ai monté une grosse partie de la carte. Il me manque les condensateurs des LMDs (à acheter). La programmation en circuit marche. J'ai aussi pu vérifier à l'analyseur logique le bon fonctionnement de la table des sinus en 1/32 de pas à 100kHz (ce n'est pas le max), j'ai les captures mais il se fait tard vous les aurez demain!

J'attends avec impatience vos questions, remarques et critiques (constructives)!

De nouveau merci à Freedom, Alan et mdog pour leur travail en amont sur les drivers de ce type.

Xavier

PS : Tout ce projet (schema, PCB, firmware et documentation) est en licence libre type GNU GPL et sera publié une fois que je le jugerai stable. Ceci afin d'éviter de vous faire débugger" et "optimiser" à l'aveugle" alors que j'ai accès à tout le matériel pour le faire vraiment proprement. S'il y a des curieux je peux faire un "package" Alpha du projet.

Merci pour la proposition j'apprécie le geste mais j'ai déjà les LMDs qu'il me faut.

Je comprends ta réflexion et j'allais faire le même choix que toi : ne pas perdre du temps avec l'électronique. J'ai changé d'avis car j'habite en appartement et il est difficile pour moi de faire la partie mécanique ici : Il fallait bien que je m'occupe!

Hormis l'aspect "c'est moi qui l'ai fait" (qui est un point important pour moi), le principal avantage technique des solutions LMD est son côté facilement réparable/améliorable. Le composant en lui même est loin d'être exceptionnel en terme de performances mais suffit pour notre application. Il possède aussi des fonctions intégré de protections (thermique et en courant).

Côté prix, on ne peut pas comparer les deux solutions : 5.6A contre 3A pour les LMDs. Les solutions avec les LMDs sont de toute façon rentables que si tu les commandes en samples. Personnellement je n'ai pas acheté ni les LMD (samples) ni les pics (ancien stock de samples à l'époque où microchip était sympa) donc je ne vais pas m'en tirer pour très cher. Pour l'instant ma plus grosse dépense est un programmateur de PIC un peu sérieux (clone de Pickit2) pour une vingtaine d'euros, après c'est l'aspirine .

Pour les LMDs qui explosent, je pense que s'il n'y a pas de de soucis d'alimentation et de refroidissement je ne vois pas pourquoi ça arriverait. Les gens négligent trop souvent le refroidissement des éléments de puissances qui est un facteur prépondérant pour leur durée de vie. Quand je parle de refroidissement c'est : radiateur + pâte thermique + bon contact entre les 2 + ventilateur si besoin dans un environnement non confiné.

Je pense que ta carte te donnera entière satisfaction. Mais sache que tu resteras avec un goût amer dans la bouche : tu ne pourras jamais gouter aux fonctions "Pas de chat", "Power torque" et "Power reduction".

Xavier

Comme promis je vous livre le chronogramme mesuré en sortie du PIC pour une fréquence de pulse d'environ 100kHz (un peu plus). Je ne poste que celui pour Dir_in = 0 mais bien entendu les 2 sens marchent

Xavier

Latence de ~5.4us pour DAC_B et ~5.6us pour DAC_A

Table des sinus, on remarque bien que DIR_A et DIR_B changent après le passage à 0 des DAC_A et DAC_B (contournement du """bug""" des LMDs)

Voici les photos de la carte à moitié monté pour faire les tests sur le PIC.

Xavier

Carte sans la partie LMD cablé (capa et résistances)

Carte avec sondes de l'analyseur logique

Bonsoir,

Un peu de nouvelles de l'avancement :

J'ai eu un mal fou à faire marcher la référence de tension du pic (DAC). Je l'utilise pour fournir une tension de référence aux LMDs ce qui permet de choisir le courant et donc de le réduire en mode réduction de puissance/courant. Ce "DAC" (convertisseur numérique->analogique) n'est vraiment pas bien documenté dans la datasheet du pic, j'ai eu du mal à trouver pourquoi ça ne marchait pas : en fait il faut mettre la pin de sortie du DAC (RA2) en IN... Pas très logique et surtout non documenté...
De plus le calcul avec le réseau de résistance de la datasheet est faux : décidément 2 boulettes pour le même module!

Sinon j'ai soudé (à l'arrache) les condensateurs de puissances (fond de tirroir). Maintenant il ne reste plus grand chose à cabler pour tester la carte avec les moteurs (4 résistances et 4 condensateurs).

J'ai commandé une alimentation à découpage 48V 7.3A. J'espère que ça suffira pour alimenter mes 3 moteurs en 3A, vous en pensez quoi?

Xavier

natale a dit:

Les alims à decoupage ne sont pas le top pour ce type de circuit car la puissance en travaillant en PWM fatigue l'alim que genere un ripple interessant à detriment de la performance du pilotage des moteurs.
Pour la puissance un bon transfo ->pont diode->condos macho->res de decharge est le nec plus ultra...
Sinon le debit est suffisant car jamais les 3 axes " sucent" tout la puissance dispo (A) au meme temps

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Merci natale, je vois de quoi tu veux parler. Malheureusement j'ai déjà passer commande. Je suis pas très malin de poser les questions après
C'est vrais que l'alim ne va pas aimer les appels de courants, il faudra que je le mesure. J'espère lisser ce courant avec un filtre LC pour afin d'éviter l'usure prématuré de l'alim. Quant au ripple, le LMD18245 est asservi en courant et avec le filtrage, je ne vois pas vraiment de gros soucis.

Pour info, à courant constant l'alim est donnée pour un ripple de 10mV max, je n'ai pas d'info sur les transitoires mais je me doute qu'elles doivent êtres bien plus important. Sa fréquence de découpage est de 40kHz.

Je suis d'accord avec toi l'alim linéaire est plus robuste, mais elle est plus chère et non régulée (je suis presque à la limite de tension des LMDs).

Xavier

JKL a dit:

On ne place pas deux asservissements l'un derrière l'autre. Le courant des moteurs est régulé par le PWM, pourquoi mettre une régulation encore devant ?????
Quant au prix si on achète les deux chez le même fournisseur, je ne vois pas comment un transfo + un pont de diodes + un condensateur serait plus cher qu'une alim régulée et à qualités égales.

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Je ne vois vraiment pas pourquoi on ne placerait pas 2 asservissements l'un derrière l'autre? Un exemple, EDF asservi sa fréquence/tension ça voudrait dire que l'on ne peut pas faire d'asservissement lorsque l'on utilise le réseau EDF?

Pour mon cas, le souci est la tension max des LMDs de 55V, je suis à 48V donc il vaut mieux être régulé pour éviter de trop jouer avec les limites du composant, d'autant que je suis à 3A de courant.

Le prix d'une alimentation linéaire est essentiellement due au cuivre du transformateur. Si mes souvenirs sont bon, dans un transformateur la densité de puissance transmissible est proportionnelle au carré de la fréquence d'entrée. Dans le cas de cette alimentation à découpage je suis à 40kHz presque 3 décades au dessus de celle du secteur... A l'heure où le cuivre coûte plus cher que quelques composants en silicium, les alimentations à découpage coûtent moins cher à performance (courant/tension) égales et pour un encombrement bien moindre.
Pour vous en persuader il suffit de regarder comment sont fait vos "blocs secteurs" de vos appareils domestiques.

J'ai travaillé dans la téléphonie mobile chez une grosse entreprise (qui licencie actuellement). J'étais en charge de mettre en place un banc de test automatique pour la caractérisation de la puce de puissance des téléphone portable. On pouvait y trouver 4 alimentations à découpage de d'1A chacune... Ça dans votre téléphone. La fréquence de découpage est d'1MHz.

Xavier

JKL a dit:

Horsot, surtout surtout tu fais comme tu le sens. Ce que j'en dis tu t'en tapes.

J'aime beaucoup les gens qui posent des questions sur les forums alors qu'ils savent !!!!

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JKL, ma question sur l'alim à découpage était bien réelle! Ce n'est pas parce que je sais comment marche une alimentation à découpage que je sais si elle ira dans ce cas. Je ne connais pas du tout les contraintes de la CNC, j'apprends...

Je suis désolé que tu l'ai mal pris, je me suis mal exprimé à la fois dans la question et dans la réponse que je t'ai faite. Je n'étais pas d'accord avec toi alors j'ai été abrupte, un manque de tact flagrant (mon chef dirait "dût à l'âge" )

J'espère juste ne pas avoir fait un trop mauvais choix en choisissant cet alimentation pour la CNC. J'espère surtout que je vais pouvoir "rectifier le tir" avec un filtre LC pour la "soulager".

Xavier

Bon, le we est passé je m'étais mis comme objectif de faire marcher la carte avec un moteur... Résultat... Pas pour cette fois-ci!

J'ai monté le reste de la carte et maintenant le pic ne marche plus (j'ai essayé avec 4 différents) alors que les simulations sont nikels. J'ai donc tout redémonté comme avant (vive la tresse à dessouder!) et là toujours rien ne sort des pins du pic... J'en ai donc profité pour tester pour la première fois de la fonction debug en circuit du pickit2 (génial ce truc!). Lancé en mode "débug" le programme marche! Donc à priori pas de problème "électrique", ni de code...

Content d'avoir trouvé une configuration qui marche, je met la même version (même source) mais sans le debug dans le pic (version "Release") et là vous vous doutez : ça ne marche plus... . J'ai vérifié que le programme dans le pic soit bon (qu'il soit le même que celui pour lequel je l'ai programmé), donc à priori pas de souci du coté de la programmation...

Avez vous déjà eu ce genre de souci? J'ai pensé à un problème de quartz mais il me semble tout de même osciller?

Merci d'avance

Xavier

J'ai enfin trouvé je commençait à désespérer! en fait ça venait du code (codé avec les pieds?)!

Pour information :

En mode debug le programme marchait car il il était dans un configuration "spéciale" à cause des jumpers présents sur la carte dont les pins servaient aussi au connecteur de debug. Dans ce mode, le programme ne passait pas dans la zone bugguée.

En mode "normal" (release) le connecteur n'étant pas là, la configuration était différente. Et le programme plongeait tout droit sur un bug sioux du code. Le bit carry du registre de travail qui était à 1 lors d'un "rrf" ce qui me faisait mettre +128 au résultat. Le truc c'est que ce résultat sert à adresser une table en mémoire programme et donc evoyait mon pointeur programme dans une zone "morte"... je ne pense pas avoir été très clair

Aller je me remet à souder! Comme dirait mon père : "Faire et défaire c'est toujours travailler!" En espérant ne pas avoir cramé les LMD à force de les souder/dessouder

Xavier

Le moteur tourne!!!

Désolé pas de vidéo, je n'ai pas de caméscope! Puis voir un moteur pas à pas tourner vous allez me dire que ça sent le déjà-vu!

Finalement rien de cassé question soudure les LMDs c'est vraiment du costauds, je peux vous dire que je ne les ai pas vraiment ménagés!

A première vue il y a déjà un souci dans la partie micropas (je suis en 1/32 de pas tout le temps quelque soit la position des jumpers!). Maintenant Yapuka en espérant qu'elle soit pleinement fonctionnelle bientôt!

Woa la vache , je suis content!

Xavier

freedom2000 a dit:

Bon sang, dire que j'avais raté ce post

Bravo l'ami tu as '(enfin !!!) réussi --> c'est vrai que c'est bon quand ça tourne

Amicalement
JP

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Merci!!! C'est vrai ça fait vraiment plaisir! T'aurais pu éviter le "(enfin !!!)" enfin t'as raison, je te dis pas comment j'ai galéré pour rien à cause de ce petit bug vicieux! Moi qui me vantait de maitriser ces bestioles !

Bon sinon j'ai fait quelques tests avec un moteur de 3A malheureusement à vide! Il faudra que je lui trouve un volant d'inertie + un frein pour faire des tests plus sérieux. Quelqu'un a une idée de mise en œuvre?

Les conditions du test d'aujourd'hui : Alim 48V, les LMDs réglés sur 1A, Table "power torque" (maximum de courant dans les bobines) et un générateur de pulses pour le signal "STEP".

Je monte progressivement la fréquence des steps avec le générateur d'impulsion jusqu'au décrochage.

J'ai été impressionné par les fréquences de résonances du moteur pas à pas surtout pour les microstep faibles! Le bruit que ça fait! Bref voila les résultats :

Plein pas => 3,86kHz => 19,3 tours/s
1/2 pas => 2,55kHz => 6,4tours/s à cause de la résonance
1/4 pas => 15kHz => 18,75 tours/s
1/8 pas => 31kHz => 19,4 tours/s
1/16 pas => 63kHz => 19,7 tours/s
1/32 pas => 115kHz => 18,0 tours/s

Le moteur dans la main on sent vraiment l'influence du microstepping. Pour le 1/2 pas je n'ai pas réussit à le faire passer "la vitesse" de résonance sans décrocher d'où les perfs minables.

Je sais que ces fréquences vont bouger avec la charge et que ça ne reflète pas la réalité, mais que pensez vous de ces mesures à vide?

Xavier

freedom2000 a dit:

Je ne comprends pas comment tu arrives à 230€ ...
JP

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Maintenant que tu le dis, 230€ ça fait cher! Mais bon farnell c'est cher aussi sauf pour les pics 16f876A .

Il faudra que je fasse un bilan de combien coûtera une carte "Petit pas" tout compris, ça pourra être intéressant.

Xavier

freedom2000 a dit:

La manip que tu fais permet de caractériser la fréquence de décrochage... mais elle me parait peu utile (à part ça !)
Il vaut mieux tester avec une rampe de montée en vitesse qui est beaucoup plus proche du fonctionnement normal sous Mach" (ou EMC2 )
En principe avec une rampe on arrive à sauter allègrement la fréquence de résonance.

JP

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Je suis d'accord ça ne reflète pas la réalité mais on peut déjà voir que la vitesse de décrochage n'était pas dépendante du microstepping ce qui est un bon point. Mon but (actuel) est de caractériser l'ensemble moteur + driver, un volant d'inertie équipé d'un frein pourrait être utile pour regarder ce qui peut être optimisé. J'ai plusieurs variables avec lequelles je peux jouer :
- Circuit RC de l'astable du LMD (actuellement sur la valeur de la datasheet)
- Adaption du moteur avec une capa aux bornes des enroulements moteur (Idée de Lil dans un autre post)
- Capa de filtrage de la mesure de courant

Quelqu'un a déjà fait un montage avec un moteur en générateur pour le frein (sur une résistance réglable)? Est-ce linéaire, comment le quantifier?

Foxtrot a dit:

Ci-jointes copies d'écran d'une commande Farnell.
...

Sinon je suis content pour toi Horsot, ça fait plaisir quand ça tourne..

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Merci Foxtrot!

Pour la commande à l'étranger je suis d'accord avec toi. Mais il y a des limites pour les marges du revendeur français que je trouve des fois aberrante. Personnelement je commande chez arquié composant (français) que je trouve est relativement honnête dans ses prix (pas pour tout malheureusement).

Par contre je n'ai pas de scrupules à commander des samples chez NS. Premièrement parce je trouve leur prix très cher pour une vieille puce (rien ne m'oblige à l'utiliser certes). En parler ici et diffuser un circuit avec leur composant dessus leur fait de la pub pas cher. De plus si dans le cadre professionnel je suis amené a faire un circuit de ce type j'utiliserai sûrement ce circuit car je le connais. Je pense la même chose pour les pics et microchip mais malheureusement ne donne plus de samples sans contacter de revendeur/commerciaux. Pour un projet de ce type il me semble que le commercial (microchip) du boulot donnerait sans problème quelques pics.

Xavier

freedom2000 a dit:

horsot a dit:

Quelqu'un a déjà fait un montage avec un moteur en générateur pour le frein (sur une résistance réglable)? Est-ce linéaire, comment le quantifier?

Xavier

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Tu peux aussi accrocher une bobine de diamètre connu sur laquelle tu enroules un crin au bout duquel tu suspends une masse.
ça permet facilement de mesurer le couple en comportement dynamique.
Et donc de tracer les courbes réelles de ton moteur.

JP

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Oui c'est vrai, Le souci c'est pour les fins de courses à grande vitesse je risque de me prendre rapidement un truc dans la tête! Enfin tu me diras au point où j'en suis...


Xavier

Bon je viens de faire quelques mesures sur le courant dans les bobines... résultats : Bien à petite vitesses j'ai un "beau" sinus d'1A, ne vous abimer pas les yeux à regardez pas la "merdouille" au passage à zero, elle est comme zoomé après !

Une fois des vitesses un peu plus importantes voici le résultat avec la même table (1/32 ième de pas):

Là je me dis "quel con tu es dans plein le bug du LMD" . Pourtant à l'analyseur logique tout semblait bon... Je décide d'inverser les tables au cas où : je ne vous mets pas les captures elles se superposent!!!

Je me dis "Aller mets 3A pour voir" résultat : 3A ne change rien au souci... Fait juste plus chauffer le moteur!

Je ne sais pas quoi en penser? normal?

Xavier

PS : A oui une petite Photo de la carte, j'aime bien les capas jaune de fond de tirroir :

freedom2000 a dit:

horsot a dit:

Une fois des vitesses un peu plus importantes voici le résultat avec la même table (1/32 ième de pas):

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tu peux me faire la même en 1/2 pas STP (à la même vitesse moteur)

J'avoue avoir du mal à comprendre --> décrochage proche ???

Sur la "sinus propre" à fréquence 300 Hz tu es aussi en 1/32 de pas ?

JP

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Désolé mais je te la ferais que jeudi car je n'ai pas de sonde de courant chez moi et demain et après demain je suis en déplacement!
Le sinus propre est aussi en 1/32 de pas. J'ai essayé la table power torque : pareil.