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

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja izmjena: 2024-01-30 08:05

Prije nekoliko mjeseci, moj prijatelj mi je poklonio nekoliko odbačenih inkjet štampača i mašina za kopiranje. Zanimalo me prikupljanje njihovih izvora napajanja, kablova, senzora, a posebno motora. Spasio sam što sam mogao i htio sam testirati sve dijelove kako bih se uvjerio da su funkcionalni. Neki su motori bili ocijenjeni na 12V, neki na 5V, neki su bili stepenasti, 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 mnoge logičke kapije za načine rada koračnih motora. U početku mi je bilo jako zabavno dizajnirati krug, 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 matičnoj ploči. Ubrzo su se pojavili prvi znakovi frustracije. Bio je to nered. Puno kapija, puno IC -a, žica. Nije radilo kako treba i razmišljao sam između dvije opcije: Da budem vrlo jednostavan - samo za istosmjerne motore, ili da ga ostavim po strani 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 naznačeni period uključivanja i njegov odnos prema frekvenciji, navedeno je i vrijeme uključivanja. Radni ciklus je definiran kao vrijeme uključivanja podijeljeno sa ukupnim periodom. Ako održavamo frekvenciju 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 izabrati? Da bismo odgovorili na ovo pitanje, pogledajmo pobliže što je to istosmjerni motor. Jednako tako, može se opisati kao RL filter (zanemarujući EMF 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 tokom vremena kada je prekidač isključen. U ovom trenutku, struja ima isti smjer kao i prije i teče kroz povratnu 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. Ovo strujanje mrežice također uzrokuje valovanje motora. Ne želimo to. Stoga bi pri napajanju manjih motora frekvencija PWM -a trebala biti veća. Ovo znanje ćemo koristiti u dizajnu u kasnijim koracima.

Stepper 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). Redoslijed pojedinačnih načina rada i položaj rotora naznačeni su na slici (radi jednostavnosti naznačio sam motor s dva para polova). U ovom slučaju, Wave Drive i Full Step uzrokuju rotiranje rotora za 90 stupnjeva, a to se može postići ponavljanjem 4 stanja. U Half Step modu potreban nam je niz od 8 stanja.

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

Korak 2: Dijagram kola

Ovaj jednostavan mem prikladno opisuje moj proces razmišljanja tokom 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 zgodno moći se prebacivati između unutarnjeg i vanjskog mjerenja 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 okretni prekidač će mijenjati načine i raspone. Sistem će takođe uključivati prebacivanje između unutrašnjeg i spoljašnjeg sata preko konektora za priključak od 3,5 mm. Unutrašnji sat će takođe biti povezan sa panelom preko priključka od 3,5 mm. Jedan prekidač i dugme za omogućavanje/onemogućavanje sata. Upravljački program istosmjernog motora bit će N-kanalni MOSFET upravljački program s jednim kvadrantom. Smjer će se promijeniti pomoću mehaničkog prekidača dpdt. Kablovi motora bit će povezani putem banana utičnica.

Niz koračnih 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 će biti povezan sa testerom preko 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 Driver
4. Arduino upravljački program koraka
5. Stepper vozač logičkih vrata

List br. 5 je razlog zašto sam ovaj projekat ostavio lažljiv. Ova kola tvore nizove za prethodno spomenute načine upravljanja - WD, HS i FS. Ovaj dio je potpuno zamijenjen arduinom u listu br. 4. Kompletna Eagle šema je takođe 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
• Solder
• Kolofonija
• Žice (24 awg)
• 4x spdt prekidač
• 2x dpdt prekidač
• 4x priključak za banane
• Pritisnite dugme
• ZIF utičnica
• 2x priključak od 3,5 mm
• DC konektor
• Arduino nano
• 3-polni DIP prekidač
• 2x 3 mm LED
• 5x 5 mm LED
• Dvobojna LED
• Ručice potenciometra
• DIP utičnice
• Univerzalna PCB
• Dupont konektori
• Plastične vezice za kablove

And

• Potenciometri
• Otpornici
• Kondenzatori

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

Korak 5: Dizajn prednje ploče

Tester je bio smješten u staru drvenu kutiju za čaj. Prvo sam izmjerio unutrašnje 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 svaku poziciju i stvorio dizajn ploče u Fusion360. Ploču sam podijelio na 3 manja dijela, radi jednostavnosti u 3D štampanju. Dizajnirao sam i držač u obliku slova L za pričvršćivanje panela na unutrašnje strane kutije.

Korak 6: 3D štampanje i farbanje u spreju

Paneli su odštampani pomoću štampača Ender-3, od zaostalog materijala koji sam imao kod kuće. Bio je to prozirni ružičasti ljubimac. Nakon štampe, 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, moj omiljeni, ali i dugotrajan dio (unaprijed se izvinjavam što nisam koristio skupljajuće cijevi, bio sam u vremenskom zastoju - inače bih ih definitivno upotrijebio).

Podesivi držači puno pomažu pri montaži i rukovanju pločama. Moguće je koristiti i tzv. Treću ruku, ali više volim držač. Pokrio sam mu ručke tekstilnom krpom kako se ploča ne bi ogrebala tokom rada.

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

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

Korak 8: Konektori za ploču

Za spajanje ploče na PCB koristio sam konektore tipa dupont. Oni su široko dostupni, jeftini i, što je najvažnije, dovoljno mali da se udobno smjeste u odabranu kutiju. Kablovi su raspoređeni prema shemi, u parovima, trojkama ili četvorkama. Oni su označeni bojama kako bi se lako identifikovali i lako povezali. U isto vrijeme, za budućnost je praktično da se ne izgubite u jednoličnom spletu žica. Konačno, mehanički su osigurani plastičnim vezicama za kabele.

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 s lijeve strane. Zatim sam instalirao utičnice za IC 555, 4017 brojač i ULN2003 upravljački program. Utičnica za brojač 4017 ostat će prazna jer njenu funkciju preuzima arduino. U donjem dijelu nalazi se upravljački program za N-kanalni mosfet F630.

Korak 10: Arduino

Veza sistema sa arduinom dokumentovana je u šematskom listu br. 4. korišten je sljedeći raspored pinova:

• 3 digitalna ulaza za DIP prekidač - D2, D3, D12
• 4 digitalna izlaza za LED indikatore - D4, D5, D6, D7
• 4 digitalna izlaza za stepper driver - 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. Zbog toga se LED indikatori upravljaju nezavisno 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. Izmjerio sam oscilator i njegove domete osciloskopom, kao i kontrolu frekvencije i radnog ciklusa. Nisam imao velikih problema, jedina promjena koju sam napravio je bila dodavanje keramičkih kondenzatora paralelno sa ulaznim elektrolitičkim kondenzatorima. Dodani kondenzator osigurava prigušenje visokofrekventnih smetnji koje u sistem 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 godinama.

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.