Tester jednosmerného a krokového motora: 12 krokov (s obrázkami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 11:57

Pred niekoľkými mesiacmi mi môj priateľ daroval pár vyradených atramentových tlačiarní a kopírok. Zaujal ma zber ich zdrojov energie, káblov, senzorov a najmä motorov. Zachránil som, čo sa dalo, a chcel som otestovať všetky diely, aby som sa ubezpečil, že sú funkčné. Niektoré motory boli dimenzované na 12V, niektoré na 5V, niektoré boli krokové a iné boli jednosmerné. Keby som mal iba zariadenie, kde by som mohol jednoducho pripojiť motor, nastaviť frekvenciu, pracovný cyklus a vybrať krokovú metódu na testovanie.

Rozhodol som sa ho postaviť bez použitia digitálneho signálového procesora alebo mikrokontroléra. Skromný 555 alebo tl741 ako oscilátor, počítadlo 4017 a mnoho logických brán pre režimy krokových motorov. Najprv som sa veľmi bavil pri navrhovaní obvodu, ako aj pri navrhovaní predného panela zariadenia. Našiel som slušnú drevenú škatuľu na čaj, aby som do nej dal všetko. Obvody som rozdelil na štyri časti a začal som ich testovať na doske. Onedlho sa objavili prvé známky frustrácie. Bol to neporiadok. Veľa brán, veľa integrovaných obvodov, drôtov. Nefungovalo to správne a premýšľal som medzi dvoma možnosťami: Aby to bolo veľmi jednoduché - iba pre jednosmerné motory, alebo ho odložiť a dokončiť niekedy neskôr … Vybral som si druhú možnosť.

Krok 1: Teória riadenia DC a steppera

Jednosmerný motor

Najbežnejší spôsob ovládania jednosmerného motora je takzvaná modulácia šírky impulzov (PWM). PWM sa aplikuje na konkrétny spínač a zapína a vypína motor. Na obrázku vidíte uvedenú periódu spínania a jej vzťah k frekvencii, je zobrazený aj čas spínania. Pracovný cyklus je definovaný ako spínací čas delený celkovou periódou. Ak udržíme konštantnú frekvenciu, jediný spôsob, ako zmeniť pracovný cyklus, je zmeniť čas zapnutia. Zvýšením pracovného cyklu sa zvyšuje aj stredná hodnota napätia, ktoré je aplikované na motor. Vzhľadom na vyššie napätie preteká jednosmerným motorom vyšší prúd a rotor sa otáča rýchlejšie.

Akú frekvenciu však zvoliť? Na zodpovedanie tejto otázky sa pozrime podrobnejšie na to, čo je to vlastne jednosmerný motor. Ekvivalentne ho možno opísať ako filter RL (zanedbanie spätného EMF len na chvíľu). Ak je na motor (filter RL) aplikované napätie, prúd sa zvyšuje s časovou konštantou tau, ktorá sa rovná L / R. V prípade riadenia PWM, keď je spínač zatvorený, prúd pretekajúci motorom sa zvyšuje a klesá počas vypnutia vypínača. V tomto mieste má prúd rovnaký smer ako predtým a preteká diódou flyback. Motory s vyšším výkonom majú vyššiu indukčnosť a tým aj vyššiu časovú konštantu ako menšie motory. Ak je frekvencia nízka, keď je malý motor napájaný, dôjde k rýchlemu poklesu prúdu počas doby vypnutia, po ktorom nasleduje veľké zvýšenie počas času zapnutia. Toto zvlnenie prúdu tiež spôsobuje zvlnenie krútiaceho momentu motora. To nechceme. Pri napájaní menších motorov by preto mala byť frekvencia PWM vyššia. Tieto znalosti využijeme pri návrhu v ďalších krokoch.

Krokový motor

Ak chceme ovládať unipolárny krokový motor, používaný v hobby elektronike, máme na výber z 3 základných možností ovládania (režimov) - Wave drive (WD), Half Step (HS) a Full Step (FS). Postupnosť jednotlivých režimov a poloha rotora je naznačená na obrázku (pre jednoduchosť som naznačil motor s dvoma pármi pólov). V tomto prípade Wave Drive a Full Step spôsobia, že sa rotor otočí o 90 stupňov a dá sa to dosiahnuť opakovaním 4 stavov. V režime Half Step potrebujeme postupnosť 8 stavov.

Voľba režimu závisí od požiadaviek systému - ak potrebujeme veľký krútiaci moment, najlepšou voľbou je Full Step, ak stačí nižší krútiaci moment a možno napájame náš obvod z batérie, uprednostňuje sa režim pohonu vĺn. V aplikáciách, kde chceme dosiahnuť najvyššie uhlové rozlíšenie a najplynulejší pohyb, je režim Half Drive ideálnou voľbou. Krútiaci moment je v tomto režime asi o 30% nižší ako v režime Full Drive.

Krok 2: Schéma zapojenia

Tento jednoduchý meme výstižne popisuje môj proces myslenia počas návrhu.

Horná časť diagramu popisuje napájanie - 12 voltový adaptér, ktorý je lineárnym regulátorom znížený na 5 voltov. Chcel som mať možnosť zvoliť maximálne testovacie napätie motora (MMTV) - buď 12 alebo 5 voltov. Vstavaný ampérmeter obíde riadiace obvody a meria iba prúd motora. Tiež by bolo vhodné prepínať medzi interným a externým meraním prúdu pomocou multimetra.

Oscilátor bude pracovať v dvoch režimoch: prvým je konštantná frekvencia a variabilný pracovný cyklus a druhým variabilná frekvencia. Oba tieto parametre bude možné nastaviť pomocou potenciometrov a jeden otočný prepínač bude prepínať režimy a rozsahy. Systém bude obsahovať aj prepínanie medzi vnútornými a vonkajšími hodinami prostredníctvom 3,5 mm konektora jack. Interné hodiny budú k panelu pripojené aj prostredníctvom 3,5 mm konektora. Jeden prepínač a tlačidlo na zapnutie/vypnutie hodín. Budič jednosmerného motora bude jedným kvadrantom N-kanálového ovládača MOSFET. Smer sa zmení pomocou mechanického prepínača dpdt. Káble motora budú spojené pomocou banánkových konektorov.

Sekvenciu krokového motora bude ovládať arduino, ktoré rozpozná aj 3 režimy riadenia určené prepínačom DIP. Vodič krokového motora bude uln2003. Arduino bude tiež ovládať 4 LED diódy, ktoré budú v týchto režimoch predstavovať animáciu vinutí napájaného motora. Krokový motor bude k testeru pripojený prostredníctvom zásuvky ZIF.

Krok 3: Schémy

Schémy sú rozdelené do piatich častí. Obvody zarámované v modrých rámčekoch predstavujú komponenty, ktoré budú na paneli.

1. Zdroj
2. Oscilátor
3. DC ovládač
4. Krokový ovládač Arduino
5. Krokový ovládač logických brán

List č. 5 je dôvod, prečo som nechal tento projekt ležať. Tieto obvody tvoria sekvencie pre vyššie uvedené režimy riadenia - WD, HS a FS. Táto časť je úplne nahradená arduino v hárku č. 4. Priložená je aj kompletná schéma Eagle.

Krok 4: Potrebné súčasti a nástroje

Potrebné súčasti a nástroje:

• Multimeter
• Hmatadlo
• Rezačka na lepenku
• Fixka
• Pinzeta
• Jemné kliešte
• Rezacie kliešte
• Kliešte na odizolovanie drôtu
• Spájkovačka
• Spájka
• Kolofónia
• Drôty (24 AWG)
• 4x prepínač spdt
• 2x prepínač dpdt
• 4x banánový zdvihák
• Tlačidlo
• ZIF zásuvka
• 2x 3,5 mm jack
• DC konektor
• Arduino nano
• 3-pólový prepínač DIP
• 2x 3 mm LED
• LED dióda 5x5 mm
• Bicolor LED
• Gombíky potenciometra
• DIP zásuvky
• Univerzálna DPS
• Dupont konektory
• Plastové sťahovacie pásky

A

• Potenciometre
• Rezistory
• Kondenzátory

s vami zvolenými hodnotami, zodpovedajúcimi frekvenčným rozsahom a jasom LED diód.

Krok 5: Návrh predného panela

Tester bol umiestnený do starého dreveného boxu na čaj. Najprv som zmeral vnútorné rozmery a potom som z tvrdého kartónu vystrihol obdĺžnik, ktorý slúžil ako predloha na umiestnenie súčiastok. Keď som bol spokojný s umiestnením dielov, znova som zmeral každú pozíciu a vytvoril som dizajn panelu vo Fusion360. Panel som pre jednoduchosť v 3D tlači rozdelil na 3 menšie časti. Tiež som navrhol držiak v tvare L na pripevnenie panelov k vnútorným stranám škatule.

Krok 6: 3D tlač a striekanie

Panely boli vytlačené pomocou tlačiarne Ender-3 zo zvyškového materiálu, ktorý som mal doma. Bol to priehľadný ružový petg. Po vytlačení som panely a držiaky nastriekal matnou čiernou akrylovou farbou. Pre úplné krytie som naniesol 3 vrstvy, položil som ich na niekoľko hodín von, aby som ich vysušil a vyvetral asi pol dňa. Buďte opatrní, výpary z farby môžu byť škodlivé. Vždy ich používajte iba vo vetranej miestnosti.

Krok 7: Zapojenie panela

Osobne moja najobľúbenejšia, ale časovo najnáročnejšia časť (vopred sa ospravedlňujem za nepoužitie zmršťovacích bužírok, bol som v časovej tiesni - inak by som ich určite využil).

Nastaviteľné konzoly veľmi pomáhajú pri montáži a manipulácii s panelmi. Je možné použiť aj takzvanú tretiu ruku, ale ja dávam prednosť držiaku. Jeho rúčky som zakryl textilnou utierkou, aby sa panel pri práci nepoškriabal.

Do panelu som vložil a zaskrutkoval všetky spínače a potenciometre, diódy LED a ďalšie konektory. Následne som odhadol dĺžku vodičov, ktorými sa budú spájať súčiastky na paneli a taktiež tých, ktoré budú slúžiť na pripojenie k plošnému spoju. Tieto bývajú o niečo dlhšie a je dobré ich trochu predĺžiť.

Pri spájkovaní konektorov takmer vždy používam tavidlo tekutej spájky. Malé množstvo nanesiem na špendlík a potom cín a spojím ho s drôtom. Flux odstraňuje z povrchov všetok zoxidovaný kov, čo značne uľahčuje spájkovanie spoja.

Krok 8: Konektory panelovej dosky

Na pripojenie panelu k doske som použil konektory typu dupont. Sú široko dostupné, lacné a hlavne dostatočne malé, aby sa pohodlne zmestili do zvoleného boxu. Káble sú usporiadané podľa schémy, v pároch, trojiciach alebo štvoriciach. Sú farebne odlíšené, aby boli ľahko identifikovateľné a ľahko prepojiteľné. Zároveň je praktické, aby sa budúcnosť nestratila v jednotnej spleti drôtov. Nakoniec sú mechanicky zaistené plastovými sťahovacími páskami.

Krok 9: DPS

Pretože časť diagramu, ktorá je mimo panelu, nie je rozsiahla, rozhodol som sa vytvoriť obvod na univerzálnej doske. Použil som obyčajnú dosku s rozmermi 9 x 15 cm. Vstupné kondenzátory spolu s lineárnym regulátorom a chladičom som umiestnil na ľavú stranu. Následne som nainštaloval zásuvky pre počítadlo IC 555, 4017 a ovládač ULN2003. Zásuvka na počítadlo 4017 zostane prázdna, pretože jej funkciu preberá arduino. V spodnej časti je ovládač pre N-kanálový mosfet F630.

Krok 10: Arduino

Spojenie systému s arduino je dokumentované v schematickom liste č. 4. bolo použité nasledujúce usporiadanie kolíkov:

• 3 digitálne vstupy pre prepínač DIP - D2, D3, D12
• 4 digitálne výstupy pre LED indikátory - D4, D5, D6, D7
• 4 digitálne výstupy pre krokový ovládač - D8, D9, D10, D11
• Jeden analógový vstup pre potenciometer - A0

LED indikátory, ktoré predstavujú jednotlivé vinutia motora, sa rozsvietia pomalšie, ako sú vinutia skutočne napájané. Ak by rýchlosť blikania diód LED zodpovedala vinutiam motora, videli by sme to ako nepretržité osvetlenie všetkých z nich. Chcel som dosiahnuť jasnú jednoduchú reprezentáciu a rozdiely medzi jednotlivými režimami. LED indikátory sú preto ovládané nezávisle v intervaloch 400 ms.

Funkcie na ovládanie krokového motora vytvoril autor Cornelius na svojom blogu.

Krok 11: Zostavenie a testovanie

Nakoniec som všetky panely pripojil k doske a začal testovať tester. Oscilátor a jeho rozsahy som meral osciloskopom, ako aj ovládanie frekvencie a pracovného cyklu. Nemal som žiadne veľké problémy, jedinou zmenou, ktorú som urobil, bolo paralelné pridanie keramických kondenzátorov k vstupným elektrolytickým kondenzátorom. Pridaný kondenzátor poskytuje útlm vysokofrekvenčného rušenia zavedeného do systému parazitickými prvkami kábla adaptéra DC. Všetky funkcie testera fungujú podľa potreby.

Krok 12: Outro

Teraz môžem konečne jednoducho otestovať všetky motory, ktoré sa mi za tie roky podarilo zachrániť.

Ak vás zaujíma teória, schéma alebo čokoľvek o testeri, neváhajte ma kontaktovať.

Ďakujem za prečítanie a váš čas. Zostaňte zdraví a v bezpečí.