Tester DC a krokového motoru: 12 kroků (s obrázky)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:20

Před několika měsíci mi můj přítel dal pár vyřazených inkoustových tiskáren a kopírovacích strojů. Zajímal jsem se o sklizeň jejich napájecích zdrojů, kabelů, senzorů a zejména motorů. Zachránil jsem, co jsem mohl, a chtěl jsem vyzkoušet všechny díly, abych se ujistil, že jsou funkční. Některé motory byly dimenzovány na 12V, některé na 5V, některé byly krokové a jiné byly stejnosměrné. Kdybych jen měl zařízení, kde bych mohl jednoduše připojit motor, nastavit frekvenci, pracovní cyklus a vybrat krokovou metodu, abych to otestoval.

Rozhodl jsem se jej postavit bez použití digitálního signálového procesoru nebo mikrokontroléru. Pokorný 555 nebo tl741 jako oscilátor, čítač 4017 a mnoho logických bran pro režimy krokových motorů. Nejprve jsem si užil spoustu zábavy při navrhování obvodu a také při navrhování předního panelu zařízení. Našel jsem slušnou dřevěnou čajovou krabičku, do které jsem dal všechno dovnitř. Rozdělil jsem obvody na čtyři části a začal je testovat na prkénku. Brzy se objevily první známky frustrace. Byl to nepořádek. Spousta bran, spousta integrovaných obvodů, dráty. Nefungovalo to správně a přemýšlel jsem mezi dvěma možnostmi: Aby to bylo velmi jednoduché - jen pro stejnosměrné motory, nebo to odložit a dokončit to někdy později … Vybral jsem si druhou možnost.

Krok 1: DC a teorie ovládání stepperu

DC motor

Nejběžnějším způsobem ovládání stejnosměrného motoru je takzvaná pulzně šířková modulace (PWM). PWM je aplikován na konkrétní spínač a zapíná a vypíná motor. Na obrázku vidíte uvedenou spínací periodu a její vztah k frekvenci, je také uvedena spínací doba. Pracovní cyklus je definován jako spínací čas dělený celkovou dobou. Pokud udržujeme konstantní frekvenci, jediný způsob, jak změnit pracovní cyklus, je změnit čas zapnutí. Zvýšením pracovního cyklu se také zvyšuje střední hodnota napětí, které je aplikováno na motor. Vzhledem k vyššímu napětí protéká stejnosměrným motorem vyšší proud a rotor se otáčí rychleji.

Jakou frekvenci ale zvolit? Abychom na tuto otázku odpověděli, podívejme se blíže na to, co to vlastně stejnosměrný motor je. Ekvivalentně jej lze popsat jako filtr RL (zanedbání zpětného EMF jen na okamžik). Pokud je na motor (filtr RL) přivedeno napětí, proud se zvyšuje s časovou konstantou tau, která se rovná L / R. V případě řízení PWM, když je spínač sepnutý, proud protékající motorem roste a klesá během doby, kdy je vypínač vypnutý. V tomto bodě má proud stejný směr jako dříve a protéká flybackovou diodou. Motory s vyšším výkonem mají vyšší indukčnost a tím i vyšší časovou konstantu než menší motory. Pokud je při napájení malého motoru kmitočet nízký, dojde během doby vypnutí k rychlému poklesu proudu, po kterém následuje velké zvýšení během doby zapnutí. Toto zvlnění proudu také způsobí zvlnění točivého momentu motoru. To nechceme. Při napájení menších motorů by proto měla být frekvence PWM vyšší. Tyto znalosti použijeme při návrhu v dalších krocích.

Krokový motor

Pokud chceme ovládat unipolární krokový motor, používaný v hobby elektronice, máme na výběr ze 3 základních možností ovládání (režimy) - Wave drive (WD), Half Step (HS) a Full Step (FS). Pořadí jednotlivých režimů a poloha rotoru je naznačena na obrázku (pro jednoduchost jsem naznačil motor se dvěma páry pólů). V tomto případě způsobí Wave Drive a Full Step rotaci rotoru o 90 stupňů a lze toho dosáhnout opakováním 4 stavů. V režimu Half Step potřebujeme posloupnost 8 stavů.

Volba režimu závisí na požadavcích systému - pokud potřebujeme velký točivý moment, nejlepší volbou je Full Step, pokud stačí nižší točivý moment a možná napájíme náš obvod z baterie, upřednostňuje se režim pohonu vlnou. V aplikacích, kde chceme dosáhnout nejvyššího úhlového rozlišení a nejplynulejšího pohybu, je režim Half Drive ideální volbou. Točivý moment je v tomto režimu asi o 30% nižší než v režimu Full Drive.

Krok 2: Schéma zapojení

Tento jednoduchý meme výstižně popisuje můj proces myšlení během návrhu.

Horní část diagramu popisuje napájení - 12voltový adaptér, který je lineárním regulátorem snížen na 5 voltů. Chtěl jsem mít možnost zvolit maximální testovací napětí motoru (MMTV) - buď 12 nebo 5 voltů. Vestavěný ampérmetr obejde řídicí obvody a měří pouze proud motoru. Bylo by také vhodné přepínat mezi interním a externím měřením proudu pomocí multimetru.

Oscilátor bude pracovat ve dvou režimech: první je s konstantní frekvencí a proměnným pracovním cyklem a druhý s proměnnou frekvencí. Oba tyto parametry bude možné nastavit pomocí potenciometrů a jeden otočný přepínač bude přepínat režimy a rozsahy. Systém bude také obsahovat přepínač mezi interními a externími hodinami prostřednictvím 3,5mm jack konektoru. Interní hodiny budou také připojeny k panelu pomocí 3,5mm jacku. Jeden přepínač a tlačítko pro zapnutí/vypnutí hodin. Ovladač stejnosměrného motoru bude jedním kvadrantovým N-kanálovým ovladačem mosfetu. Směr se změní pomocí mechanického přepínače dpdt. Kabely motoru budou připojeny pomocí banánkových konektorů.

Sekvence krokového motoru bude řízena arduinem, které také rozpozná 3 režimy ovládání určené přepínačem DIP. Ovladač krokového motoru bude uln2003. Arduino bude také ovládat 4 LED diody, které budou v těchto režimech představovat animaci vinutí napájeného motoru. Krokový motor bude k testeru připojen pomocí zásuvky ZIF.

Krok 3: Schémata

Schémata jsou rozdělena do pěti částí. Obvody zarámované v modrých polích představují komponenty, které budou na panelu.

1. Zdroj napájení
2. Oscilátor
3. DC ovladač
4. Krokový ovladač Arduino
5. Logický hradlový krokový ovladač

List č. 5 je důvod, proč jsem nechal tento projekt ležet. Tyto obvody tvoří sekvence pro výše uvedené režimy řízení - WD, HS a FS. Tato část je nahrazena arduino kompletně v listu č. 4. Je také připojeno kompletní schéma Eagle.

Krok 4: Nezbytné součásti a nástroje

Potřebné součásti a nástroje:

• Multimetr
• Posuvné měřítko
• Kartonová řezačka
• Popisovač
• Pinzeta
• Jemné kleště
• Řezací kleště
• Kleště na odizolování drátu
• Páječka
• Pájka
• Kolofonie
• Dráty (24 AWG)
• 4x přepínač spdt
• 2x přepínač dpdt
• 4x banánkový zvedák
• Stiskněte tlačítko
• ZIF zásuvka
• 2x 3,5 mm jack
• DC konektor
• Arduino nano
• 3pólový přepínač DIP
• 2x 3 mm LED
• 5x 5 mm LED
• Bicolor LED
• Knoflíky potenciometru
• DIP zásuvky
• Univerzální PCB
• Dupont konektory
• Plastové stahovací pásky

A

• Potenciometry
• Rezistory
• Kondenzátory

s vámi zvolenými hodnotami, odpovídajícími frekvenčním rozsahům a jasu LED diod.

Krok 5: Návrh předního panelu

Tester byl umístěn do staré dřevěné krabičky od čaje. Nejprve jsem změřil vnitřní rozměry a poté jsem z tvrdého kartonu vystřihl obdélník, který sloužil jako předloha pro umístění součástek. Když jsem byl s umístěním dílů spokojený, každou polohu jsem znovu změřil a vytvořil design panelu ve Fusion360. Panel jsem pro jednoduchost ve 3D tisku rozdělil na 3 menší části. Navrhl jsem také držák ve tvaru písmene L pro upevnění panelů k vnitřním stranám krabice.

Krok 6: 3D tisk a nástřik

Panely byly vytištěny pomocí tiskárny Ender-3, ze zbytkového materiálu, který jsem měl doma. Bylo to průhledné růžové zvířátko. Po vytištění jsem panely a držáky nastříkal matnou černou akrylovou barvou. Pro úplné pokrytí jsem aplikoval 3 vrstvy, položil je na pár hodin ven, aby vyschl a vyvětral asi půl dne. Buďte opatrní, výpary z barev mohou být škodlivé. Vždy je používejte pouze ve větrané místnosti.

Krok 7: Zapojení panelu

Osobně moje oblíbená, ale časově nejnáročnější část (předem se omlouvám, že jsem nepoužil smršťovací bužírky, byl jsem v časové tísni - jinak bych je určitě použil).

Nastavitelné držáky hodně pomáhají při montáži a manipulaci s panely. Je možné použít i takzvanou třetí ruku, ale já dávám přednost držáku. Jeho držadla jsem zakryl textilním hadříkem, aby se panel při práci nepoškrábal.

Do panelu jsem vložil a našrouboval všechny spínače a potenciometry, LED a další konektory. Následně jsem odhadl délku vodičů, které budou spojovat komponenty na panelu a také těch, které budou použity pro připojení k desce plošných spojů. Ty bývají o něco delší a je dobré je trochu prodloužit.

Při pájení konektorů používám téměř vždy tok tekuté pájky. Malé množství nanesu na špendlík a poté cín a připojím k drátu. Flux odstraňuje veškerý oxidovaný kov z povrchů, což značně usnadňuje pájení spoje.

Krok 8: Konektory desky panelu

Pro připojení panelu k desce plošných spojů jsem použil konektory typu dupont. Jsou široce dostupné, levné a hlavně dostatečně malé, aby se pohodlně vešly do zvoleného boxu. Kabely jsou uspořádány podle schématu, v párech, trojicích nebo čtyřnásobcích. Jsou barevně odlišeny, aby byly snadno identifikovatelné a snadno připojitelné. Zároveň je praktické, aby se budoucnost neztratila v jednotné spleti drátů. Nakonec jsou mechanicky zajištěny plastovými stahovacími páskami.

Krok 9: PCB

Protože část diagramu, která je mimo panel, není rozsáhlá, rozhodl jsem se udělat obvod na univerzální desce plošných spojů. Použil jsem běžnou desku plošných spojů 9x15 cm. Vstupní kondenzátory jsem umístil společně s lineárním regulátorem a chladičem na levou stranu. Následně jsem nainstaloval zásuvky pro čítač IC 555, 4017 a ovladač ULN2003. Zásuvka pro čítač 4017 zůstane prázdná, protože její funkci přebírá arduino. Ve spodní části je ovladač pro N-kanálový mosfet F630.

Krok 10: Arduino

Propojení systému s arduino je dokumentováno ve schematickém listu č. 4. bylo použito následující uspořádání kolíků:

• 3 digitální vstupy pro přepínač DIP - D2, D3, D12
• 4 digitální výstupy pro LED indikátory - D4, D5, D6, D7
• 4 digitální výstupy pro krokový ovladač - D8, D9, D10, D11
• Jeden analogový vstup pro potenciometr - A0

LED indikátory, které představují jednotlivá vinutí motoru, se rozsvítí pomalu, než jsou vinutí skutečně napájena. Pokud by rychlost blikání LED odpovídala vinutí motoru, viděli bychom to jako nepřetržité osvětlení všech z nich. Chtěl jsem dosáhnout jasné jednoduché reprezentace a rozdílů mezi jednotlivými režimy. LED indikátory jsou proto ovládány nezávisle v intervalech 400 ms.

Funkce pro ovládání krokového motoru vytvořil autor Cornelius na svém blogu.

Krok 11: Montáž a testování

Nakonec jsem připojil všechny panely k desce a začal testovat tester. Oscilátor a jeho rozsahy jsem změřil osciloskopem, stejně jako řízení frekvence a pracovního cyklu. Neměl jsem žádné velké problémy, jedinou změnou, kterou jsem udělal, bylo paralelní přidání keramických kondenzátorů ke vstupním elektrolytickým kondenzátorům. Přidaný kondenzátor zajišťuje útlum vysokofrekvenčního rušení zavedeného do systému parazitickými prvky kabelu adaptéru DC. Všechny funkce testeru fungují podle potřeby.

Krok 12: Outro

Nyní mohu konečně jednoduše vyzkoušet všechny motory, které se mi za ta léta podařilo zachránit.

Pokud vás zajímá teorie, schéma nebo cokoli o testeru, neváhejte mě kontaktovat.

Děkujeme za přečtení a váš čas. Zůstaňte zdraví a v bezpečí.