Тестер постоянного и шагового двигателей: 12 шагов (с изображениями)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:50

Несколько месяцев назад мой друг подарил мне пару выброшенных струйных принтеров и копировальных машин. Мне было интересно собрать их блоки питания, кабели, датчики и особенно моторы. Я спас все, что мог, и хотел протестировать все части, чтобы убедиться, что они работают. Некоторые двигатели были рассчитаны на 12 В, некоторые на 5 В, некоторые были шаговыми, а другие были двигателями постоянного тока. Если бы только у меня было устройство, к которому я мог бы просто подключить двигатель, установить частоту, рабочий цикл и выбрать пошаговый метод для его проверки.

Я решил построить его без использования цифрового сигнального процессора или микроконтроллера. Скромный 555 или TL741 в качестве генератора, счетчик 4017 и множество логических вентилей для режимов шагового двигателя. Сначала я получил массу удовольствия от разработки схемы, а также от проектирования передней панели устройства. Я нашел приличную деревянную коробку для чая, чтобы все положить внутрь. Я разделил схему на четыре части и начал тестировать ее на макетной плате. Вскоре появились первые признаки разочарования. Это был беспорядок. Много ворот, много микросхем, проводов. Это не работало должным образом, и я думал между двумя вариантами: сделать это очень просто - только для двигателей постоянного тока или отложить и закончить иногда позже… Я выбрал второй вариант.

Шаг 1. Теория управления постоянным током и шаговым двигателем

Двигатель постоянного тока

Наиболее распространенный способ управления двигателем постоянного тока - это так называемая широтно-импульсная модуляция (ШИМ). ШИМ применяется к определенному переключателю и включает и выключает двигатель. На картинке вы можете увидеть указанный период переключения и его отношение к частоте, также указано время переключения. Рабочий цикл определяется как время переключения, деленное на общий период. Если мы сохраним постоянную частоту, единственный способ изменить рабочий цикл - это изменить время включения. При увеличении рабочего цикла среднее значение напряжения, подаваемого на двигатель, также увеличивается. Из-за более высокого напряжения через двигатель постоянного тока протекает больший ток, и ротор вращается быстрее.

Но какую частоту выбрать? Чтобы ответить на этот вопрос, давайте подробнее рассмотрим, что такое двигатель постоянного тока. Эквивалентно, его можно описать как фильтр RL (на мгновение пренебрегая обратной ЭДС). Если на двигатель подается напряжение (фильтр RL), ток увеличивается с постоянной времени tau, равной L / R. В случае управления ШИМ, когда переключатель замкнут, ток, протекающий через двигатель, увеличивается и уменьшается за время, пока переключатель выключен. В этот момент ток имеет то же направление, что и раньше, и протекает через обратный диод. Двигатели с большей мощностью имеют более высокую индуктивность и, следовательно, большую постоянную времени, чем двигатели меньшего размера. Если частота низкая, когда малый двигатель запитан, происходит быстрое уменьшение тока во время отключения, а затем значительное увеличение во время включения. Эта пульсация тока также вызывает колебания крутящего момента двигателя. Мы этого не хотим. Следовательно, при питании меньших двигателей частота ШИМ должна быть выше. Мы будем использовать эти знания в дизайне на более поздних этапах.

Шаговый двигатель

Если мы хотим управлять униполярным шаговым двигателем, используемым в хобби-электронике, у нас есть выбор из 3 основных вариантов (режимов) управления - волновой привод (WD), полушаговый (HS) и полный шаг (FS). Последовательность отдельных режимов и положение ротора указаны на рисунке (для простоты я указал двигатель с двумя парами полюсов). В этом случае волновой привод и полный шаг заставляют ротор вращаться на 90 градусов, что может быть достигнуто повторением 4 состояний. В режиме Half Step нам нужна последовательность из 8 состояний.

Выбор режима зависит от требований системы - если нам нужен большой крутящий момент, лучший выбор - Full Step, если более низкий крутящий момент достаточно и, возможно, мы запитываем нашу схему от батареи, предпочтительнее волновой режим. В приложениях, где мы хотим добиться максимального углового разрешения и максимально плавного движения, режим Half Drive - идеальный выбор. Крутящий момент в этом режиме примерно на 30% ниже, чем в режиме Full Drive.

Шаг 2: Принципиальная схема

Этот простой мем точно описывает мой мыслительный процесс во время дизайна.

Верхняя часть схемы описывает блок питания - адаптер на 12 вольт, который понижен до 5 вольт линейным регулятором. Я хотел иметь возможность выбрать максимальное испытательное напряжение двигателя (MMTV) - 12 или 5 вольт. Встроенный амперметр будет обходить цепи управления и измерять только ток двигателя. Также было бы удобно переключаться между внутренним и внешним измерением тока с помощью мультиметра.

Генератор будет работать в двух режимах: первый - с постоянной частотой и переменной скважностью, а второй - с переменной частотой. Оба этих параметра можно будет установить с помощью потенциометров, а один поворотный переключатель будет переключать режимы и диапазоны. Система также будет включать переключатель между внутренними и внешними часами через разъем jack 3.5 мм. Внутренние часы также будут подключены к панели через разъем 3,5 мм. Один переключатель и кнопка для включения / выключения часов. Драйвер двигателя постоянного тока будет одноквадрантным N-канальным MOSFET-драйвером. Направление будет изменено с помощью механического переключателя dpdt. Провода двигателя будут подключены через банановые гнезда.

Последовательность шагового двигателя будет контролироваться Arduino, который также распознает 3 режима управления, заданные двухпозиционным переключателем. Драйвер шагового двигателя будет uln2003. Arduino также будет управлять 4 светодиодами, которые будут отображать анимацию обмоток двигателя в этих режимах. Шаговый двигатель будет подключен к тестеру через разъем ZIF.

Шаг 3: схемы

Схема разделена на пять частей. Цепи, обрамленные синими рамками, представляют компоненты, которые будут на панели.

1. Источник питания
2. Осциллятор
3. Драйвер постоянного тока
4. Драйвер шагового двигателя Arduino
5. Шаговый драйвер Logic Gates

Лист № 5 - причина, по которой я оставил этот проект врать. Эти схемы образуют последовательности для ранее упомянутых режимов управления - WD, HS и FS. Эта часть полностью заменена на arduino в листе №. 4. Также прилагается полная схема Eagle.

Шаг 4: Необходимые компоненты и инструменты

Необходимые компоненты и инструменты:

• Мультиметр
• Каверномер
• Картонный резак
• Маркер
• Пинцет
• Плоскогубцы
• Плоскогубцы
• Клещи для зачистки проводов
• Паяльник
• Припой
• Канифоль
• Провода (24 AWG)
• 4x переключатель spdt
• 2x переключатель dpdt
• 4х банановый джек
• Нажать кнопку
• Розетка ZIF
• 2x разъема 3,5 мм
• Разъем постоянного тока
• Ардуино нано
• 3-полюсный DIP-переключатель
• 2x 3 мм светодиода
• 5x 5 мм светодиод
• Двухцветный светодиод
• Ручки потенциометра
• DIP розетки
• Универсальная печатная плата
• Разъемы Dupont
• Пластиковые кабельные стяжки

А также

• Потенциометры
• Резисторы
• Конденсаторы

с выбранными вами значениями, соответствующими частотным диапазонам и яркости светодиодов.

Шаг 5: Дизайн передней панели

Тестер поместили в старую деревянную коробку для чая. Сначала измерил внутренние размеры, а затем вырезал из жесткого картона прямоугольник, который послужил шаблоном для размещения компонентов. Когда я был доволен размещением деталей, я снова измерил каждую позицию и создал дизайн панели в Fusion360. Я разделил панель на 3 меньшие части для простоты 3D-печати. Я также разработал L-образный держатель для крепления панелей к внутренней стороне коробки.

Шаг 6: 3D-печать и окраска распылением

Панели были напечатаны на принтере Ender-3 из оставшегося у меня дома материала. Это был прозрачный розовый питомец. После печати я покрыл панели и держатели черной матовой акриловой краской. Для полного покрытия я нанесла 3 слоя, выложила их на несколько часов, чтобы они высохли и проветривали примерно полдня. Будьте осторожны, пары краски могут нанести вред. Всегда используйте их только в проветриваемом помещении.

Шаг 7: Монтаж панели

Лично моя любимая, но самая трудоемкая часть (заранее прошу прощения за то, что не использовал термоусадочные трубки, у меня не хватило времени - иначе я бы точно их использовал).

Регулируемые кронштейны очень помогают при установке и перемещении панелей. Также можно использовать так называемую третью руку, но я предпочитаю держатель. Его ручки я накрыл тканью, чтобы панель не поцарапалась во время работы.

Вставил и прикрутил к панели все переключатели и потенциометры, светодиоды и другие разъемы. Впоследствии я оценил длину проводов, которые будут соединять компоненты на панели, а также тех, которые будут использоваться для подключения к печатной плате. Они, как правило, немного длиннее, и их нужно немного удлинить.

Я почти всегда использую жидкий припой при пайке разъемов. Я наношу небольшое количество на штифт, а затем олово и соединяю с проводом. Флюс удаляет окисленный металл с поверхностей, что значительно упрощает пайку стыка.

Шаг 8: Разъемы панели и платы

Для подключения панели к плате я использовал разъемы типа dupont. Они широко доступны, дешевы и, главное, достаточно малы, чтобы удобно поместиться в выбранной коробке. Кабели укладываются по схеме парами, тройками или четверками. Они имеют цветовую кодировку, чтобы их было легко идентифицировать и легко подключать. При этом практично впредь не заблудиться в однородном клубке проводов. Наконец, они механически фиксируются пластиковыми стяжками.

Шаг 9: печатная плата

Так как часть схемы, которая находится за пределами панели, не обширна, я решил сделать схему на универсальной плате. Я использовал обычную плату размером 9х15 см. Входные конденсаторы вместе с линейным стабилизатором и радиатором я разместил слева. Впоследствии я установил разъемы для IC 555, счетчика 4017 и драйвера ULN2003. Гнездо для счетчика 4017 останется пустым, так как его функцию возьмет на себя arduino. В нижней части находится драйвер для N-канального mosfet F630.

Шаг 10: Arduino

Подключение системы к Arduino задокументировано в листе схем. 4. Использовалось следующее расположение штифтов:

• 3 цифровых входа для DIP-переключателя - D2, D3, D12
• 4 цифровых выхода для светодиодных индикаторов - D4, D5, D6, D7
• 4 цифровых выхода для шагового драйвера - D8, D9, D10, D11
• Один аналоговый вход для потенциометра - A0

Светодиодные индикаторы, представляющие отдельные обмотки двигателя, загораются медленнее, чем на обмотки фактически подается питание. Если бы скорость мигания светодиодов соответствовала обмоткам двигателя, мы бы увидели непрерывное свечение всех из них. Я хотел добиться ясного простого представления и различий между отдельными режимами. Таким образом, светодиодные индикаторы управляются независимо с интервалом 400 мс.

Функции для управления шаговым двигателем были созданы автором Корнелиусом в своем блоге.

Шаг 11: Сборка и тестирование

Наконец, я подключил все панели к плате и приступил к тестированию тестера. Я измерил генератор и его диапазоны с помощью осциллографа, а также контроль частоты и рабочего цикла. У меня не было больших проблем, единственное изменение, которое я сделал, - это добавление керамических конденсаторов параллельно входным электролитическим конденсаторам. Добавленный конденсатор обеспечивает ослабление высокочастотных помех, вносимых в систему паразитными элементами переходного кабеля постоянного тока. Все функции тестера работают по мере необходимости.

Шаг 12: Outro

Теперь я могу, наконец, просто протестировать все моторы, которые мне удалось спасти за эти годы.

Если вас интересует теория, схема или что-нибудь о тестере, не стесняйтесь обращаться ко мне.

Спасибо за чтение и за уделенное время. Оставайся здоровым и безопасным.