Ispitivač istosmjernih i koračnih motora: 12 koraka (sa slikama)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja promjena: 2024-01-30 09:33

Prije nekoliko mjeseci prijatelj mi je dao par odbačenih inkjet pisača i fotokopirnih strojeva. Zanimalo me prikupljanje njihovih izvora napajanja, kabela, senzora, a posebno motora. Spasio sam što sam mogao i htio sam testirati sve dijelove kako bih se uvjerio da su ispravni. Neki su motori bili ocijenjeni na 12V, neki na 5V, neki su bili koračni, a drugi istosmjerni. Da imam samo uređaj na koji bih jednostavno mogao spojiti motor, postaviti frekvenciju, radni ciklus i odabrati metodu koraka za testiranje.

Odlučio sam ga izgraditi bez upotrebe digitalnog signalnog procesora ili mikrokontrolera. Skromni 555 ili tl741 kao oscilator, brojač 4017 i mnoga logička vrata za načine rada koračnih motora. U početku mi je bilo jako zabavno dizajnirati sklop, kao i dizajnirati prednju ploču za uređaj. Našao sam pristojnu drvenu kutiju za čaj da sve stavim unutra. Podijelio sam sklop na četiri dijela i počeo ga testirati na ploči. Ubrzo su se pojavili prvi znakovi frustracije. Bio je to nered. Puno kapija, puno IC -a, žica. Nije radilo ispravno i razmišljao sam između dvije mogućnosti: Da budem vrlo jednostavan - samo za istosmjerne motore, ili da ga ostavim sa strane i završim ponekad kasnije … Odabrao sam drugu opciju.

Korak 1: Teorija upravljanja istosmjernom i stepenastom kontrolom

DC motor

Najčešći način upravljanja istosmjernim motorom je takozvana pulsno-širinska modulacija (PWM). PWM se primjenjuje na određeni prekidač i uključuje i isključuje motor. Na slici možete vidjeti naznačeno razdoblje uključivanja i njegov odnos prema frekvenciji, također je naznačeno vrijeme uključivanja. Radni ciklus definira se kao vrijeme uključivanja podijeljeno s ukupnim razdobljem. Ako frekvenciju držimo konstantnom, jedini način da promijenimo radni ciklus je promjena vremena uključivanja. Povećanjem radnog ciklusa povećava se i srednja vrijednost napona koji se primjenjuje na motor. Zbog većeg napona kroz istosmjerni motor teče veća struja i rotor se brže okreće.

Ali koju frekvenciju odabrati? Da bismo odgovorili na ovo pitanje, pogledajmo pobliže što je zapravo istosmjerni motor. Jednako tako, može se opisati kao RL filter (zanemarujući EMF samo na trenutak). Ako se na motor primijeni napon (RL filter), struja raste s vremenskom konstantom tau koja je jednaka L / R. U slučaju upravljanja PWM -om, kada je sklopka zatvorena, struja koja teče kroz motor raste i opada tijekom vremena isključivanja prekidača. U ovom trenutku struja ima isti smjer kao i prije i teče kroz flyback diodu. Motori veće snage imaju veći induktivitet, a time i veću vremensku konstantu od manjih motora. Ako je frekvencija niska kada se napaja mali motor, dolazi do brzog smanjenja struje tijekom vremena isključivanja, nakon čega slijedi veliko povećanje tijekom vremena uključivanja. Ova strujna valovitost također uzrokuje valovanje zakretnog momenta motora. Mi to ne želimo. Stoga bi pri napajanju manjih motora frekvencija PWM -a trebala biti veća. To ćemo znanje koristiti u dizajnu u kasnijim koracima.

Koračni motor

Ako želimo upravljati unipolarnim koračnim motorom, koji se koristi u hobi elektronici, imamo izbor od 3 osnovne opcije upravljanja (načini) - Wave drive (WD), Half Step (HS) i Full Step (FS). Slijed pojedinačnih načina rada i položaj rotora prikazan je na slici (radi jednostavnosti naznačio sam motor s dva para polova). U tom slučaju, Wave Drive i Full Step uzrokuju rotiranje rotora za 90 stupnjeva, a to se može postići ponavljanjem 4 stanja. U načinu Half Step potreban nam je niz od 8 stanja.

Izbor načina rada ovisi o zahtjevima sustava - ako nam je potreban veliki okretni moment, najbolji izbor je Full Step, ako je dovoljan niži okretni moment i možda napajamo krug iz baterije, preferira se način pogona valovima. U aplikacijama u kojima želimo postići najveću kutnu razlučivost i glatko kretanje, način rada na pola pogona idealan je izbor. Okretni moment u ovom načinu rada je oko 30% manji nego u načinu rada s punim pogonom.

Korak 2: Dijagram kruga

Ovaj jednostavan mem prikladno opisuje moj proces razmišljanja tijekom dizajna.

Gornji dio dijagrama opisuje napajanje - adapter od 12 volti, koji se linearnim regulatorom smanjuje na 5 volti. Htio sam moći izabrati maksimalni ispitni napon motora (MMTV) - 12 ili 5 volti. Ugrađeni ampermetar će zaobići upravljačke krugove i mjeriti samo struju motora. Također bi bilo prikladno moći se prebacivati s unutarnjeg na vanjsko mjerenje struje pomoću multimetra.

Oscilator će raditi u dva načina: prvi je konstantna frekvencija i promjenjivi radni ciklus, a drugi je promjenjiva frekvencija. Oba ova parametra moći će se postaviti pomoću potenciometara, a jedan rotacijski prekidač će mijenjati načine i raspone. Sustav će također uključivati prebacivanje između unutarnjeg i vanjskog sata putem konektora za priključnicu od 3,5 mm. Unutarnji sat bit će spojen i na ploču putem priključnice od 3,5 mm. Jedan prekidač i gumb za omogućavanje/onemogućavanje sata. Upravljački program istosmjernog motora bit će N-kanalni MOSFET upravljački program s jednim kvadrantom. Smjer će se promijeniti pomoću mehaničke sklopke dpdt. Kablovi motora bit će povezani putem banana utičnica.

Slijed koračnog motora kontrolirat će arduino, koji će također prepoznati 3 načina upravljanja specificirana dip prekidačem. Vozač koračnog motora bit će uln2003. Arduino će također kontrolirati 4 LED diode koje će predstavljati animaciju namota motora s pogonom u tim načinima rada. Koračni motor bit će spojen na tester putem ZIF utičnice.

Korak 3: Sheme

Sheme su podijeljene u pet dijelova. Krugovi uokvireni plavim okvirima predstavljaju komponente koje će se nalaziti na ploči.

1. Napajanje
2. Oscilator
3. DC upravljački program
4. Arduino upravljački program koraka
5. Stepper vozač logičkih vrata

List br. 5 je razlog zašto sam ovaj projekt ostavio lažljiv. Ovi krugovi tvore nizove za prethodno spomenute načine upravljanja - WD, HS i FS. Ovaj dio je potpuno zamijenjen arduinom u listu br. 4. Kompletna shema Eagle također je priložena.

Korak 4: Potrebne komponente i alati

Potrebne komponente i alati:

• Multimetar
• Čeljust
• Rezač kartona
• Marker
• Pinceta
• Fina kliješta
• Kliješta za rezanje
• Klešta za skidanje žice
• Lemilica
• Lem
• Kolofonija
• Žice (24 awg)
• 4x SPDT prekidač
• 2x dpdt prekidač
• 4x priključak za banane
• Pritisnite gumb
• ZIF utičnica
• 2x 3,5 mm utičnica
• DC priključak
• Arduino nano
• 3-polni DIP prekidač
• 2x 3 mm LED
• 5x 5 mm LED
• Dvobojna LED
• Gumbi potenciometra
• DIP utičnice
• Univerzalna PCB
• Dupont konektori
• Plastične vezice za kabele

I

• Potenciometri
• Otpornici
• Kondenzatori

s odabranim vrijednostima koje odgovaraju frekvencijskim rasponima i svjetlini LED dioda.

Korak 5: Dizajn prednje ploče

Ispitivač je bio smješten u staru drvenu kutiju za čaj. Prvo sam izmjerio unutarnje dimenzije, a zatim sam izrezao pravokutnik iz tvrdog kartona, koji je poslužio kao predložak za postavljanje komponenti. Kad sam bio zadovoljan postavljanjem dijelova, ponovno sam izmjerio svaki položaj i stvorio dizajn ploče u Fusion360. Ploču sam podijelio na 3 manja dijela, radi jednostavnosti u 3D ispisu. Također sam dizajnirao držač u obliku slova L za pričvršćivanje ploča na unutarnje strane kutije.

Korak 6: 3D ispis i bojanje u spreju

Ploče su tiskane pomoću pisača Ender-3, od zaostalog materijala koji sam imao kod kuće. Bio je to prozirni ružičasti ljubimac. Nakon ispisa poprskao sam ploče i držače mat crnom akrilnom bojom. Za potpuno prekrivanje nanijela sam 3 sloja, položila ih vani nekoliko sati da se osuše i prozračivala oko pola dana. Budite oprezni, isparenja boje mogu biti štetna. Uvijek ih koristite samo u prozračenoj prostoriji.

Korak 7: Ožičenje ploče

Osobno, meni najdraži, ali i dugotrajan dio (unaprijed se ispričavam što nisam koristio skupljajuće cijevi, bio sam u vremenskom zastoju - inače bih ih definitivno upotrijebio).

Prilagodljivi nosači puno pomažu pri montaži i rukovanju pločama. Moguće je koristiti i tzv. Treću ruku, ali više volim držač. Ručice sam mu prekrio tekstilnom krpom kako se ploča ne bi ogrebala tijekom rada.

U ploču sam umetnuo i zavrnuo sve prekidače i potenciometre, LED diode i ostale konektore. Nakon toga, procijenio sam duljinu žica koje će spojiti komponente na ploči, kao i one koje će se koristiti za spajanje na tiskanu ploču. Oni su obično dulji i dobro ih je malo produžiti.

Gotovo uvijek koristim tekući lemni tok pri lemljenju konektora. Ja nanesem malu količinu na iglu, a zatim kositar i spojim je na žicu. Flux uklanja sve oksidirane metale s površina, što uvelike olakšava lemljenje spoja.

Korak 8: Priključci na ploči

Za spajanje ploče na tiskanu ploču upotrijebio sam konektore tipa dupont. Oni su široko dostupni, jeftini i, što je najvažnije, dovoljno mali da se udobno smjeste u odabranu kutiju. Kabeli su raspoređeni prema shemi, u parovima, trojkama ili četvorkama. Oni su označeni bojama kako bi se lako identificirali i lako povezali. Istodobno, u budućnosti je praktično ne izgubiti se u jednoličnom spletu žica. Konačno, mehanički su učvršćene plastičnim kabelskim vezicama.

Korak 9: PCB

Budući da dio dijagrama koji se nalazi izvan ploče nije opsežan, odlučio sam napraviti krug na univerzalnoj ploči. Koristio sam običnu ploču 9x15 cm. Postavio sam ulazne kondenzatore zajedno s linearnim regulatorom i hladnjakom na lijevu stranu. Nakon toga sam instalirao utičnice za IC 555, 4017 brojač i ULN2003 upravljački program. Utičnica za brojač 4017 ostat će prazna jer njezinu funkciju preuzima arduino. U donjem dijelu nalazi se upravljački program za N-kanalni mosfet F630.

Korak 10: Arduino

Povezivanje sustava s arduinom dokumentirano je u shematskom listu br. 4. korišten je sljedeći raspored pinova:

• 3 digitalna ulaza za DIP sklopku - D2, D3, D12
• 4 digitalna izlaza za LED indikatore - D4, D5, D6, D7
• 4 digitalna izlaza za upravljač koraka - D8, D9, D10, D11
• Jedan analogni ulaz za potenciometar - A0

LED indikatori koji predstavljaju pojedinačne namote motora svijetle sporije nego što se namoti zapravo napajaju. Kad bi brzina treptanja LED dioda odgovarala namotima motora, vidjeli bismo to kao kontinuirano osvjetljenje svih njih. Htio sam postići jasan jednostavan prikaz i razlike između pojedinih načina. Stoga se LED indikatori neovisno upravljaju u intervalima od 400 ms.

Funkcije za upravljanje koračnim motorom stvorio je autor Cornelius na svom blogu.

Korak 11: Montaža i testiranje

Na kraju sam spojio sve ploče na PCB i počeo testirati tester. Oscilografom sam izmjerio oscilator i njegove domete, kao i kontrolu frekvencije i radnog ciklusa. Nisam imao većih problema, jedina promjena koju sam napravio je dodavanje keramičkih kondenzatora paralelno s ulaznim elektrolitskim kondenzatorima. Dodani kondenzator osigurava prigušenje visokofrekventnih smetnji koje u sustav unose parazitski elementi kabela istosmjernog adaptera. Sve funkcije testera rade prema potrebi.

Korak 12: Odbijte

Sada konačno mogu jednostavno testirati sve motore koje sam uspio spasiti tijekom godina.

Ako ste zainteresirani za teoriju, shemu ili bilo što o testeru, ne ustručavajte se kontaktirati me.

Hvala na čitanju i izdvojenom vremenu. Ostanite zdravi i sigurni.