DC- ja askelmoottoritesteri: 12 vaihetta (kuvilla)

2024 Kirjoittaja: John Day | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2024-01-30 09:00

Muutama kuukausi sitten ystäväni antoi minulle pari käytöstä poistettua mustesuihkutulostinta ja kopiokoneen. Olin kiinnostunut keräämään niiden virtalähdeyksiköitä, kaapeleita, antureita ja erityisesti moottoreita. Pelastin mitä pystyin ja halusin testata kaikki osat varmistaakseni, että ne toimivat. Jotkut moottorit olivat mitoitettu 12 V: lle, jotkut 5 V: lle, jotkut olivat askeleita ja toiset olivat tasavirtamoottoreita. Jos minulla olisi laite, johon voisin yksinkertaisesti liittää moottorin, asettaa taajuuden, käyttöjakson ja valita askelmenetelmän testata sitä.

Päätin rakentaa sen käyttämättä digitaalista signaaliprosessoria tai mikro -ohjainta. Nöyrä 555 tai tl741 oskillaattorina, 4017 -laskuri ja monet logiikkaportit askelmoottoritiloihin. Aluksi minulla oli hauskaa piirin suunnittelussa sekä laitteen etupaneelin suunnittelussa. Olen löytänyt kunnollisen puisen teerasian, johon voin laittaa kaiken sisälle. Olen jakanut piirin neljään osaan ja aloin testata sitä leipälevyllä. Pian ilmenivät ensimmäiset turhautumisen merkit. Se oli sotku. Paljon portteja, paljon IC: itä, johtoja. Se ei toiminut kunnolla ja ajattelin kahden vaihtoehdon välillä: Jotta se olisi hyvin yksinkertaista - vain tasavirtamoottoreille, tai laita se sivuun ja viimeistele se joskus myöhemmin … Valitsin toisen vaihtoehdon.

Vaihe 1: DC- ja Stepper -ohjausteoria

DC -moottori

Yleisin tapa ohjata tasavirtamoottoria on ns. Pulssileveysmodulaatio (PWM). PWM kytketään tiettyyn kytkimeen ja kytkee moottorin päälle ja pois päältä. Kuvassa näkyy ilmoitettu kytkentäjakso ja sen suhde taajuuteen, myös kytkentäaika ilmoitetaan. Käyttöjakso määritellään kytkentäajaksi jaettuna kokonaisajalla. Jos pidämme taajuuden vakiona, ainoa tapa muuttaa käyttöjaksoa on muuttaa ajoaikaa. Kun käyttöjaksoa lisätään, myös moottoriin syötettävän jännitteen keskiarvo kasvaa. Korkeamman jännitteen vuoksi DC -moottorin läpi kulkee suurempi virta ja roottori pyörii nopeammin.

Mutta mikä taajuus valita? Voit vastata tähän kysymykseen katsomalla tarkemmin, mitä tasavirtamoottori todella on. Vastaavasti sitä voidaan kuvata RL -suodattimeksi (laiminlyömällä EMF: n vain hetkeksi). Jos moottoriin syötetään jännitettä (RL -suodatin), virta kasvaa ajan vakion tau kanssa, joka on yhtä suuri kuin L / R. PWM -ohjauksen tapauksessa, kun kytkin on kiinni, moottorin läpi virtaava virta kasvaa ja vähenee kytkimen ollessa pois päältä. Tässä vaiheessa virralla on sama suunta kuin ennen ja se virtaa palautusdiodin läpi. Suuremman tehon moottoreilla on suurempi induktanssi ja siten suurempi aikavakio kuin pienemmillä moottoreilla. Jos taajuus on pieni, kun pienmoottori kytketään päälle, virta laskee nopeasti katkaisuajan aikana, jota seuraa suuri lisäys kytkentäajan aikana. Tämä viritys aiheuttaa myös moottorin vääntömomentin. Emme halua sitä. Siksi, kun käytetään pienempiä moottoreita, PWM -taajuuden tulisi olla korkeampi. Käytämme tätä tietoa suunnittelussa myöhemmissä vaiheissa.

Askelmoottori

Jos haluamme ohjata harrastuselektroniikassa käytettävää yksinapaista askelmoottoria, meillä on valittavana kolme perussäätövaihtoehtoa (tila) - aaltokäyttö (WD), puolivaihe (HS) ja täysi vaihe (FS). Yksittäisten tilojen järjestys ja roottorin sijainti on esitetty kuvassa (yksinkertaisuuden vuoksi olen ilmoittanut moottorin, jossa on kaksi napaparia). Tässä tapauksessa Wave Drive ja Full Step saavat roottorin pyörimään 90 astetta ja voidaan saavuttaa toistamalla 4 tilaa. Puolivaihe -tilassa tarvitsemme 8 tilan sekvenssin.

Tilan valinta riippuu järjestelmän vaatimuksista - jos tarvitsemme suuren vääntömomentin, paras vaihtoehto on Full Step, jos pienempi vääntömomentti riittää ja ehkä käytämme virtapiiriä akusta, aaltokäyttötila on suositeltava. Sovelluksissa, joissa haluamme saavuttaa suurimman kulmatarkkuuden ja tasaisimman liikkeen, Half Drive -tila on ihanteellinen valinta. Vääntömomentti tässä tilassa on noin 30% pienempi kuin Full Drive -tilassa.

Vaihe 2: Piirikaavio

Tämä yksinkertainen meemi kuvaa osuvasti ajatteluprosessiani suunnittelun aikana.

Kaavion yläosassa kuvataan virtalähde - 12 voltin sovitin, joka on alennettu 5 volttiin lineaarisella säätimellä. Halusin pystyä valitsemaan moottorin (MMTV) suurimman testijännitteen - joko 12 tai 5 volttia. Sisäänrakennettu ampeerimittari ohittaa ohjauspiirit ja mittaa vain moottorin virran. Olisi myös kätevää pystyä vaihtamaan sisäisen ja ulkoisen virran mittauksen välillä yleismittarilla.

Oskillaattori toimii kahdessa tilassa: ensimmäinen on vakio taajuus ja muuttuva käyttöjakso ja toinen on vaihteleva taajuus. Molemmat parametrit voidaan asettaa potentiometreillä, ja yksi kiertokytkin on kytkentätiloja ja -alueita. Järjestelmä sisältää myös kytkimen sisäisen ja ulkoisen kellon välillä 3,5 mm: n liittimen kautta. Sisäinen kello liitetään myös paneeliin 3,5 mm: n liittimen kautta. Yksi kytkin ja painike kellon käyttöön ottamiseksi/poistamiseksi käytöstä. DC-moottorin ohjain on yhden neljänneksen N-kanavainen mosfet-ohjain. Suunta muutetaan mekaanisella dpdt -kytkimellä. Moottorijohdot kytketään banaaniliittimien kautta.

Askelmoottorisekvenssiä ohjaa arduino, joka tunnistaa myös 3 dip -kytkimen määrittämää ohjaustapaa. Askelmoottorin kuljettaja on uln2003. Arduino ohjaa myös 4 LEDiä, jotka edustavat moottorikäämitysten animaatiota näissä tiloissa. Askelmoottori kytketään testaajaan ZIF -liitännän kautta.

Vaihe 3: Kaaviot

Kaaviot on jaettu viiteen osaan. Sinisiin laatikoihin piirretyt piirit edustavat paneelissa olevia komponentteja.

1. Virtalähde
2. Oskillaattori
3. DC -ohjain
4. Arduino Stepper -ohjain
5. Logic Gates Stepper -ohjain

Arkki nr. 5 on syy, miksi jätin tämän projektin valehtelemaan. Nämä piirit muodostavat sekvenssit aiemmin mainituille ohjaustiloille - WD, HS ja FS. Tämä osa korvataan arduinolla täydellisesti taulukossa nro. 4. Liitteenä on myös täydelliset Eagle -kaaviot.

Vaihe 4: Tarvittavat komponentit ja työkalut

Tarvittavat komponentit ja työkalut:

• Yleismittari
• Jarrusatula
• Pahvileikkuri
• Merkki
• Pinsetit
• Hienot pihdit
• Leikkauspihdit
• Johtimien irrotuspihdit
• Juotin
• Juottaa
• Colophony
• Johdot (24 awg)
• 4x spdt -kytkin
• 2x dpdt -kytkin
• 4x banaaniliitin
• Paina nappia
• ZIF -liitäntä
• 2x 3,5 mm liitin
• DC -liitin
• Arduino nano
• 3-napainen DIP-kytkin
• 2x 3 mm LED
• 5x 5 mm LED
• Kaksivärinen LED
• Potentiometrin nupit
• DIP -liittimet
• Yleinen PCB
• Dupont -liittimet
• Muoviset nippusiteet

Ja

• Potentiometrit
• Vastukset
• Kondensaattorit

valitsemillasi arvoilla, jotka vastaavat LED -valojen taajuusalueita ja kirkkautta.

Vaihe 5: Etupaneelin suunnittelu

Testeri sijoitettiin vanhaan puiseen teekoteloon. Ensin mittasin sisämitat ja leikkasin sitten suorakulmion kovasta pahvista, joka toimi mallina komponenttien sijoittamiseen. Kun olin tyytyväinen osien sijoitteluun, mittasin jokaisen asennon uudelleen ja loin paneelisuunnittelun Fusion360: een. Jaoin paneelin kolmeen pienempään osaan 3D -tulostuksen yksinkertaisuuden vuoksi. Suunnittelin myös L-muotoisen pidikkeen paneelien kiinnittämiseksi laatikon sisäpuolelle.

Vaihe 6: 3D-tulostus ja ruiskumaalaus

Paneelit painettiin Ender-3-tulostimella kotona olevasta jäännösmateriaalista. Se oli läpinäkyvä vaaleanpunainen petg. Painamisen jälkeen ruiskutin paneelit ja pidikkeet mattamustalla akryylimaalilla. Täydellisen peiton saamiseksi levitin 3 kerrosta, laitoin ne muutamaksi tunniksi kuivumaan ja tuulettamaan noin puoli päivää. Ole varovainen, maalihöyryt voivat olla haitallisia. Käytä niitä vain tuuletetussa tilassa.

Vaihe 7: Paneelin johdotus

Henkilökohtaisesti suosikkini, mutta eniten aikaa vievä osa (pahoittelen etukäteen, etten ole käyttänyt kutisteputkia, olin aikakriisissä - muuten käyttäisin niitä ehdottomasti).

Säädettävät kiinnikkeet auttavat paljon paneeleja asennettaessa ja käsiteltäessä. On myös mahdollista käyttää ns. Kolmatta kättä, mutta pidän pidikkeestä. Peitin sen kahvat tekstiilikankaalla, jotta paneeli ei naarmuunnu työn aikana.

Laitoin ja ruuvasin kaikki kytkimet ja potentiometrit, LEDit ja muut liittimet paneeliin. Myöhemmin arvioin johtojen pituuden, jotka yhdistävät paneelin komponentit ja myös ne, joita käytetään PCB: hen liittämiseen. Nämä ovat yleensä pidempiä ja niitä on hyvä pidentää hieman.

Käytän melkein aina nestemäistä juotosvirtaa juotettaessa liittimiä. Laitan pienen määrän tappiin ja sitten tinaan ja liitän sen lankaan. Flux poistaa hapettuneen metallin pinnoilta, mikä helpottaa liitoksen juottamista.

Vaihe 8: Paneelilevyn liittimet

Liitän paneelin PCB: hen, käytin dupont -tyyppisiä liittimiä. Ne ovat laajalti saatavilla, halpoja ja mikä tärkeintä, riittävän pieniä, jotta ne mahtuvat mukavasti valittuun laatikkoon. Kaapelit on järjestetty kaavion mukaisesti pareittain, kolminkertaisina tai nelinkertaisina. Ne on värikoodattu helposti tunnistettaviksi ja helposti yhdistettäviksi. Samaan aikaan on käytännöllistä, että tulevaisuus ei eksy yhtenäiseen johtoon. Lopuksi ne on kiinnitetty mekaanisesti muovisilla nippusiteillä.

Vaihe 9: PCB

Koska kaavion osa, joka on paneelin ulkopuolella, ei ole laaja, päätin tehdä piirin yleiselle piirilevylle. Käytin tavallista 9x15 cm piirilevyä. Laitoin tulokondensaattorit yhdessä lineaarisen säätimen ja jäähdytyselementin kanssa vasemmalle puolelle. Asensin myöhemmin pistorasiat IC 555, 4017 -laskurille ja ULN2003 -ohjaimelle. 4017 -laskurin pistorasia pysyy tyhjänä, kun arduino ottaa sen toiminnon haltuunsa. Alaosassa on ohjain N-kanavaiselle mosfet F630: lle.

Vaihe 10: Arduino

Järjestelmän liittäminen arduinoon on dokumentoitu kaavion taulukossa nro. 4. käytettiin seuraavaa nastojen järjestystä:

• 3 digitaalituloa DIP -kytkimelle - D2, D3, D12
• 4 digitaalilähtöä LED -ilmaisimille - D4, D5, D6, D7
• 4 digitaalista lähtöä askelmoottorille - D8, D9, D10, D11
• Yksi analoginen tulo potentiometrille - A0

LED -ilmaisimet, jotka edustavat yksittäisiä moottorikäämiä, syttyvät hitaammin kuin käämit todellisuudessa saavat virtaa. Jos merkkivalojen vilkkumisnopeus vastaisi moottorin käämiä, näkisimme sen jatkuvana valaistuksena kaikille. Halusin saavuttaa selkeän yksinkertaisen esityksen ja erot yksittäisten tilojen välillä. Siksi LED -merkkivaloja ohjataan itsenäisesti 400 ms: n välein.

Tekijä Cornelius loi askelmoottorin ohjaustoiminnot blogissaan.

Vaihe 11: Kokoonpano ja testaus

Lopuksi liitin kaikki paneelit piirilevyyn ja aloitin testerin testaamisen. Mittasin oskillaattorin ja sen alueet oskilloskoopilla sekä taajuuden ja käyttöjakson ohjauksen. Minulla ei ollut suuria ongelmia, ainoa muutos, jonka tein, oli lisätä keraamisia kondensaattoreita rinnan tuloelektrolyyttikondensaattoreiden kanssa. Lisätty kondensaattori vaimentaa korkeataajuisia häiriöitä, joita järjestelmään tuovat DC-sovitinkaapelin loisosat. Kaikki testaustoiminnot toimivat tarpeen mukaan.

Vaihe 12: Outro

Nyt voin vihdoin yksinkertaisesti testata kaikki moottorit, jotka olen onnistunut pelastamaan vuosien varrella.

Jos olet kiinnostunut testaajasta, järjestelmästä tai jostain muusta, älä epäröi ottaa minuun yhteyttä.

Kiitos lukemisesta ja ajastasi. Pysy terveenä ja turvassa.