Tester enosmernega in koračnega motorja: 12 korakov (s slikami)

2024 Avtor: John Day | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-30 12:03

Pred nekaj meseci mi je prijatelj dal nekaj zavrženih brizgalnih tiskalnikov in fotokopirnih strojev. Zanimalo me je pobiranje njihovih enot za napajanje, kablov, senzorjev in predvsem motorjev. Rešil sem, kar sem lahko, in želel sem preizkusiti vse dele, da se prepričam, da delujejo. Nekateri motorji so bili ocenjeni na 12V, nekateri na 5V, nekateri so bili koračni, drugi pa so bili enosmerni. Če bi le imel napravo, kjer bi lahko preprosto priključil motor, nastavil frekvenco, delovni cikel in izbral stopnjevalni način, da ga preizkusim.

Odločil sem se, da ga bom zgradil brez uporabe digitalnega signalnega procesorja ali mikrokrmilnika. Skromni 555 ali tl741 kot oscilator, števec 4017 in številna logična vrata za načine koračnega motorja. Sprva sem se zelo zabaval pri oblikovanju vezja, pa tudi pri oblikovanju sprednje plošče naprave. Našel sem spodobno leseno škatlo za čaj, v katero bom spravil vse. Vezje sem razdelil na štiri dele in ga začel testirati na plošči. Kmalu so se pojavili prvi znaki razočaranja. Bila je zmešnjava. Veliko vrat, veliko IC -jev, žic. Ni delovalo pravilno in razmišljal sem med dvema možnostma: Da bi bilo zelo preprosto - samo za enosmerne motorje, ali pa ga odstavim in dokončam včasih kasneje … Izbral sem drugo možnost.

1. korak: Teorija krmiljenja enosmernega toka in koraka

DC motor

Najpogostejši način krmiljenja enosmernega motorja je s tako imenovano pulzno-širinsko modulacijo (PWM). PWM se uporablja za določeno stikalo in vklopi in izklopi motor. Na sliki lahko vidite navedeno obdobje preklopa in njegov odnos do frekvence, prikazan pa je tudi čas preklopa. Delovni cikel je opredeljen kot čas preklopa, deljen s celotnim obdobjem. Če ohranimo frekvenco konstantno, je edini način, da spremenimo delovni cikel, spremeniti čas vklopa. S povečanjem obratovalnega cikla se poveča tudi povprečna vrednost napetosti, ki se nanaša na motor. Zaradi višje napetosti skozi enosmerni motor teče večji tok in rotor se hitreje vrti.

Kakšno frekvenco pa izbrati? Za odgovor na to vprašanje si poglejmo, kaj pravzaprav je enosmerni motor. Enakovredno ga lahko opišemo kot RL filter (zanemarjanje EMF nazaj za trenutek). Če na motor (RL filter) deluje napetost, se tok poveča s časovno konstanto tau, ki je enaka L / R. V primeru krmiljenja PWM, ko je stikalo zaprto, se tok, ki teče skozi motor, poveča in se v času, ko je stikalo izklopljeno, zmanjša. Na tej točki ima tok isto smer kot prej in teče skozi diodo za povratno hitrost. Motorji z večjo močjo imajo večjo induktivnost in s tem večjo časovno konstanto kot manjši motorji. Če je pri napajanju majhnega motorja frekvenca nizka, se v času izklopa hitro zmanjša tok, nato pa v času vklopa močno naraste. Ta trenutni valovanje povzroči tudi valovanje motorja. Tega si ne želimo. Zato bi morala biti pri napajanju manjših motorjev frekvenca PWM višja. To znanje bomo uporabili pri oblikovanju v kasnejših korakih.

Koračni motor

Če želimo upravljati enopolarni koračni motor, ki se uporablja v hobi elektroniki, imamo na izbiro 3 osnovne možnosti krmiljenja (načine) - Wave drive (WD), Half Step (HS) in Full Step (FS). Zaporedje posameznih načinov in položaj rotorja je prikazano na sliki (zaradi poenostavitve sem navedel motor z dvema paroma polov). V tem primeru Wave Drive in Full Step povzročita vrtenje rotorja za 90 stopinj, kar je mogoče doseči s ponavljanjem 4 stanj. V načinu Half Step potrebujemo zaporedje 8 stanj.

Izbira načina je odvisna od zahtev sistema - če potrebujemo velik navor, je najboljša izbira Full Step, če zadostuje manjši navor in morda napajamo vezje iz baterije, je zaželen način pogona valov. V aplikacijah, kjer želimo doseči najvišjo kotno ločljivost in čim bolj gladko gibanje, je način Half Drive idealna izbira. Navor v tem načinu je približno 30% manjši kot v načinu Full Drive.

2. korak: Shema vezja

Ta preprost mem primerno opisuje moj proces razmišljanja med oblikovanjem.

Zgornji del diagrama opisuje napajanje - 12 -voltni adapter, ki ga linearni regulator zmanjša na 5 voltov. Želel sem izbrati največjo preskusno napetost motorja (MMTV) - 12 ali 5 voltov. Vgrajen ampermeter bo obšel krmilna vezja in meril samo tok motorja. Prav tako bi bilo priročno, če bi lahko z multimetrom preklapljali med notranjim in zunanjim merjenjem toka.

Oscilator bo deloval v dveh načinih: prvi je konstantna frekvenca in spremenljiv delovni cikel, drugi pa spremenljiva frekvenca. Oba parametra bo mogoče nastaviti s potenciometri, eno vrtljivo stikalo pa bo preklopilo med načini in območji. Sistem bo vključeval tudi preklapljanje med notranjo in zunanjo uro preko priključka 3,5 mm. Notranja ura bo s 3,5 -milimetrskim vtičem povezana tudi s ploščo. Eno stikalo in gumb za vklop/izklop ure. Gonilnik enosmernega motorja bo enosmerni N-kanalni gonilnik MOSFET. Smer se bo spremenila z mehanskim stikalom dpdt. Kabli motorja bodo povezani prek bananskih vtičnic.

Zaporedje koračnega motorja bo nadzoroval arduino, ki bo prav tako prepoznal 3 načine upravljanja, ki jih določa dip stikalo. Voznik koračnega motorja bo uln2003. Arduino bo upravljal tudi 4 LED diode, ki bodo predstavljale animacijo navitij motorja v teh načinih. Koračni motor bo povezan s testerjem preko vtičnice ZIF.

3. korak: Sheme

Sheme so razdeljene na pet delov. Vezja, uokvirjena v modre škatle, predstavljajo komponente, ki bodo na plošči.

1. Napajanje
2. Oscilator
3. DC gonilnik
4. Arduino koračni gonilnik
5. Stepper voznik Logic Gates

List št. 5 je razlog, zakaj sem ta projekt pustil ležati. Ta vezja tvorijo zaporedja za prej omenjene načine upravljanja - WD, HS in FS. Ta del je popolnoma nadomeščen z arduino v listu št. 4. Priložena je tudi celotna shema Eagle.

4. korak: potrebne komponente in orodja

Potrebni sestavni deli in orodja:

• Multimeter
• Čeljust
• Rezalnik kartona
• Marker
• Pinceta
• Fine klešče
• Rezalne klešče
• Klešče za odstranjevanje žice
• Spajkalnik
• Spajkanje
• Kolofonija
• Žice (24 awg)
• 4x spdt stikalo
• 2x dpdt stikalo
• 4x priključek za banane
• Pritisni gumb
• ZIF vtičnica
• 2x priključek 3,5 mm
• DC priključek
• Arduino nano
• 3-polno DIP stikalo
• 2x 3 mm LED
• 5x 5 mm LED
• Dvobarvna LED
• Gumbi potenciometra
• DIP vtičnice
• Univerzalno tiskano vezje
• Priključki Dupont
• Plastične vezice za kable

In

• Potenciometri
• Upori
• Kondenzatorji

z izbranimi vrednostmi, ki ustrezajo frekvenčnim območjem in svetlosti LED.

5. korak: Oblikovanje sprednje plošče

Tester je bil postavljen v staro leseno škatlo za čaj. Najprej sem izmeril notranje mere, nato pa sem iz trdega kartona izrezal pravokotnik, ki je služil kot predloga za postavitev sestavnih delov. Ko sem bil zadovoljen s postavitvijo delov, sem znova izmeril vsak položaj in ustvaril obliko plošče v Fusion360. Ploščo sem zaradi enostavnosti pri 3D tiskanju razdelil na 3 manjše dele. Oblikoval sem tudi držalo v obliki črke L za pritrditev plošč na notranje strani škatle.

6. korak: 3D tiskanje in barvanje s pršenjem

Plošče so bile natisnjene s tiskalnikom Ender-3, iz preostalega materiala, ki sem ga imel doma. Bil je prozoren rožnati ljubljenček. Po tiskanju sem plošče in držala poškropila z mat črno akrilno barvo. Za popolno pokritost sem nanesla 3 sloje, jih položila za nekaj ur zunaj, da se posušijo in prezračevali približno pol dneva. Bodite previdni, hlapi barve so lahko škodljivi. Vedno jih uporabljajte samo v prezračevanem prostoru.

7. korak: Ožičenje plošče

Osebno moj najljubši, a najbolj zamuden del (že vnaprej se opravičujem, ker nisem uporabil skrčljivih cevi, bil sem v časovnem zastoju - drugače bi jih zagotovo uporabil).

Nastavljivi nosilci veliko pomagajo pri montaži in rokovanju s ploščami. Možna je tudi uporaba tako imenovane tretje roke, vendar imam raje držalo. Ročaje sem pokrila s tekstilno krpo, da se plošča med delom ne bi opraskala.

V ploščo sem vstavil in privijal vsa stikala in potenciometre, LED in druge priključke. Nato sem ocenil dolžino žic, ki bodo povezovale komponente na plošči, in tudi tiste, ki bodo uporabljene za priključitev na tiskano vezje. Te so ponavadi nekoliko daljše in dobro jih je nekoliko podaljšati.

Pri spajkanju konektorjev skoraj vedno uporabljam tekoči spajkalni tok. Na pin nanesem majhno količino, nato pa kositer in ga povežem z žico. Flux odstrani vse oksidirane kovine s površin, kar olajša spajkanje spoja.

8. korak: Priključki na ploščo

Za povezavo plošče s tiskanim vezjem sem uporabil priključke tipa dupont. So široko dostopni, poceni in, kar je najpomembneje, dovolj majhni, da se udobno prilegajo izbrani škatli. Kabli so razporejeni po shemi, v parih, trojčkih ali četvericah. Barvno so označeni, da jih je mogoče enostavno prepoznati in enostavno povezati. Hkrati je v prihodnje praktično, da se ne izgubite v enotnem spletu žic. Končno so mehansko pritrjeni s plastičnimi kabelskimi vezmi.

9. korak: PCB

Ker del diagrama, ki je zunaj plošče, ni obsežen, sem se odločil, da naredim vezje na univerzalnem tiskanem vezju. Uporabil sem običajno tiskano ploščo 9x15 cm. Vhodne kondenzatorje sem skupaj z linearnim regulatorjem in hladilnikom postavil na levo stran. Nato sem namestil vtičnice za števec IC 555, 4017 in gonilnik ULN2003. Vtičnica za števec 4017 bo ostala prazna, saj njeno funkcijo prevzame arduino. V spodnjem delu je gonilnik za N-kanalni mosfet F630.

10. korak: Arduino

Povezava sistema z arduinom je dokumentirana v shematskem listu št. 4. uporabljena je bila naslednja razporeditev zatičev:

• 3 digitalni vhodi za DIP stikalo - D2, D3, D12
• 4 digitalni izhodi za LED indikatorje - D4, D5, D6, D7
• 4 digitalni izhodi za gonilnik koraka - D8, D9, D10, D11
• En analogni vhod za potenciometer - A0

LED indikatorji, ki predstavljajo posamezna navitja motorja, svetijo počasneje, kot so navitja dejansko napajana. Če bi hitrost utripanja LED ustrezala navitjem motorja, bi to videli kot neprekinjeno osvetlitev vseh. Želel sem doseči jasno preprosto predstavitev in razlike med posameznimi načini. Zato se LED -indikatorji upravljajo neodvisno v intervalih 400 ms.

Funkcije za nadzor koračnega motorja je ustvaril avtor Cornelius na svojem blogu.

11. korak: Montaža in testiranje

Nazadnje sem vse plošče priključil na tiskano vezje in začel testirati tester. Z osciloskopom sem izmeril oscilator in njegove dosege ter nadzor frekvence in delovnega cikla. Nisem imel večjih težav, edina sprememba, ki sem jo naredil, je bila, da sem vzporedno z vhodnimi elektrolitskimi kondenzatorji dodal keramične kondenzatorje. Dodani kondenzator zagotavlja dušenje visokofrekvenčnih motenj, ki jih v sistem vnašajo parazitski elementi kabla adapterja za enosmerni tok. Vse funkcije testerja delujejo po potrebi.

12. korak: Outro

Zdaj lahko končno preprosto preizkusim vse motorje, ki sem jih skozi leta uspel rešiti.

Če vas zanima teorija, shema ali karkoli o preizkuševalcu, se obrnite na mene.

Hvala za branje in vaš čas. Ostanite zdravi in varni.