DC- en stappenmotortester - Ajarnpa

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:15

Een paar maanden geleden gaf een vriend van mij me een paar afgedankte inkjetprinters en kopieermachines. Ik was geïnteresseerd in het oogsten van hun stroombroneenheden, kabels, sensoren en vooral motoren. Ik heb gered wat ik kon en ik wilde alle onderdelen testen om er zeker van te zijn dat ze functioneel waren. Sommige motoren hadden een nominaal vermogen van 12V, sommige van 5V, sommige waren stappenmotoren en andere waren gelijkstroommotoren. Had ik maar een apparaat, waar ik gewoon de motor op kon aansluiten, de frequentie en duty cycle kon instellen en een stappenmethode kon selecteren om het te testen.

Ik besloot het te bouwen zonder een digitale signaalprocessor of microcontroller te gebruiken. De bescheiden 555 of tl741 als oscillator, 4017-teller en vele logische poorten voor stappenmotormodi. In het begin had ik veel plezier bij het ontwerpen van het circuit, evenals het ontwerpen van het frontpaneel voor het apparaat. Ik heb een degelijke houten theedoos gevonden om alles in te doen. Ik heb het circuit in vier delen verdeeld en ben het op een breadboard gaan testen. Al snel verschenen de eerste tekenen van frustratie. Het was een troep. Veel poorten, veel IC's, draden. Het werkte niet goed en ik dacht tussen twee opties: Om het heel eenvoudig te maken - alleen voor DC-motoren, of het opzij zetten en het soms later afmaken … koos ik voor de tweede optie.

Stap 1: DC- en stepper-besturingstheorie

gelijkstroommotor

De meest gebruikelijke manier om een gelijkstroommotor aan te sturen is via de zogenaamde pulsbreedtemodulatie (PWM). PWM wordt toegepast op een specifieke schakelaar en zet de motor aan en uit. In de afbeelding ziet u de aangegeven schakelperiode en de relatie tot de frequentie, ook de schakeltijd wordt aangegeven. Duty cycle wordt gedefinieerd als de schakeltijd gedeeld door de totale periode. Als we de frequentie constant houden, is de enige manier om de duty-cycle te veranderen het veranderen van de aan-tijd. Door de duty-cycle te verhogen, neemt ook de gemiddelde waarde van de spanning die op de motor wordt toegepast toe. Door de hogere spanning vloeit er een hogere stroom door de gelijkstroommotor en draait de rotor sneller.

Maar welke frequentie moet je kiezen? Laten we, om deze vraag te beantwoorden, eens nader bekijken wat een gelijkstroommotor eigenlijk is. Evenzo kan het worden omschreven als een RL-filter (waarbij EMF voor een moment wordt verwaarloosd). Als er een spanning op de motor wordt gezet (RL-filter), neemt de stroom toe met een tijdconstante tau die gelijk is aan L / R. In het geval van PWM-besturing, wanneer de schakelaar gesloten is, neemt de stroom die door de motor vloeit toe en neemt af gedurende de tijd dat de schakelaar uit is. Op dit punt heeft de stroom dezelfde richting als voorheen en stroomt door de flyback-diode. Motoren met een hoger vermogen hebben een hogere inductantie en dus een hogere tijdconstante dan kleinere motoren. Als de frequentie laag is wanneer de kleine motor wordt aangedreven, is er een snelle afname van de stroom tijdens de uitschakeltijd, gevolgd door een grote toename tijdens de inschakeltijd. Deze stroomrimpel veroorzaakt ook een rimpeling van het motorkoppel. Dat willen we niet. Daarom moet bij het aandrijven van kleinere motoren de PWM-frequentie hoger zijn. Deze kennis zullen we in latere stappen in het ontwerp gebruiken.

Stappenmotor

Als we een unipolaire stappenmotor, gebruikt in hobbyelektronica, willen aansturen, hebben we de keuze uit 3 basisbesturingsopties (modi) - Wave drive (WD), Half Step (HS) en Full Step (FS). De volgorde van individuele modi en de positie van de rotor is aangegeven in de afbeelding (voor de eenvoud heb ik een motor met twee paar polen aangegeven). In dit geval zorgen Wave Drive en Full Step ervoor dat de rotor 90 graden draait en dit kan worden bereikt door 4 toestanden te herhalen. In de Half Step-modus hebben we een reeks van 8 toestanden nodig.

De keuze van de modus hangt af van de vereisten van het systeem - als we een groot koppel nodig hebben, is de beste keuze Full Step, als een lager koppel voldoende is en we misschien ons circuit van de batterij voeden, heeft de golfaandrijfmodus de voorkeur. In toepassingen waar we de hoogste hoekresolutie en vloeiende bewegingen willen bereiken, is de Half Drive-modus een ideale keuze. Het koppel is in deze modus ongeveer 30% lager dan in de Full Drive-modus.

Stap 2: Schakelschema

Deze eenvoudige meme beschrijft treffend mijn denkproces tijdens het ontwerp.

Het bovenste deel van het diagram beschrijft de voeding - een 12 volt-adapter, die wordt teruggebracht tot 5 volt door een lineaire regelaar. Ik wilde de maximale testspanning van de motor (MMTV) kunnen kiezen - 12 of 5 volt. De ingebouwde ampèremeter omzeilt de stuurcircuits en meet alleen de motorstroom. Het zou ook handig zijn om met een multimeter te kunnen schakelen tussen interne en externe stroommeting.

De oscillator werkt in twee modi: de eerste is een constante frequentie en een variabele werkcyclus, en de tweede is een variabele frequentie. Beide parameters kunnen worden ingesteld met behulp van potentiometers, en één draaischakelaar zal van modus en bereik wisselen. Het systeem zal ook een schakelaar bevatten tussen de interne en externe klok via een 3,5 mm-jackconnector. De interne klok wordt ook via een 3,5 mm-aansluiting op het paneel aangesloten. Eén schakelaar en een knop om de klok in/uit te schakelen. DC-motorstuurprogramma zal een N-kanaals mosfet-stuurprogramma met één kwadrant zijn. De richting wordt gewijzigd met behulp van de mechanische dpdt-schakelaar. Motorkabels worden aangesloten via banaanstekkers.

De stappenmotorvolgorde wordt bestuurd door een arduino, die ook 3 besturingsmodi herkent die worden gespecificeerd door de dip-schakelaar. De driver van de stappenmotor zal uln2003 zijn. De Arduino zal ook 4 LED's besturen die de animatie van de aangedreven motorwikkelingen in deze modi vertegenwoordigen. De stappenmotor wordt via een ZIF-socket op de tester aangesloten.

Stap 3: Schema's

De schema's zijn verdeeld in vijf delen. De circuits omlijst in blauwe vakken vertegenwoordigen de componenten die op het paneel zullen staan.

1. Stroomvoorziening
2. Oscillator
3. DC-stuurprogramma
4. Arduino Stepper-stuurprogramma
5. Logic Gates Stepper-stuurprogramma

Blad nr. 5 is de reden waarom ik dit project heb laten liggen. Deze circuits vormen sequenties voor de eerder genoemde besturingsmodi - WD, HS en FS. Dit onderdeel is volledig vervangen door arduino in blad nr. 4. Complete Eagle-schema's zijn ook bijgevoegd.

Stap 4: Noodzakelijke componenten en gereedschappen

Benodigde componenten en gereedschappen:

• Multimeter
• Remklauw
• Kartonsnijder
• Markeerstift
• Pincet
• Fijne tang
• Snij tang
• Draadstriptang
• Soldeerbout
• Soldeer
• Colofonie
• Draden (24 awg)
• 4x spdt-schakelaar
• 2x dpdt-schakelaar
• 4x bananenkrik
• Druk op de knop
• ZIF-socket
• 2x 3,5 mm-aansluiting
• DC-connector
• Arduino nano
• 3-polige DIP-schakelaar
• 2x 3 mm LED
• 5x 5 mm LED
• Tweekleurige LED
• Potentiometer knoppen
• DIP-aansluitingen
• Universele printplaat
• Dupont-connectoren
• Kunststof kabelbinders

En

• Potentiometers
• Weerstanden
• condensatoren

met de door u gekozen waarden, die overeenkomen met het frequentiebereik en de helderheid van de LED's.

Stap 5: Ontwerp voorpaneel

De tester werd in een oude houten theedoos geplaatst. Eerst heb ik de interne afmetingen gemeten en daarna heb ik uit hard karton een rechthoek gesneden, die als sjabloon diende voor het plaatsen van componenten. Toen ik tevreden was met de plaatsing van de onderdelen, heb ik elke positie opnieuw gemeten en een paneelontwerp gemaakt in Fusion360. Ik heb het paneel in 3 kleinere delen verdeeld, voor eenvoud in 3D-printen. Ik heb ook een L-vormige houder ontworpen om de panelen aan de binnenkant van de doos te bevestigen.

Stap 6: 3D-printen en spuiten

De panelen zijn bedrukt met een Ender-3 printer, van het restmateriaal dat ik in huis had. Het was een transparant roze petg. Na het printen heb ik de panelen en houders gespoten met mat zwarte acrylverf. Voor een volledige dekking heb ik 3 lagen aangebracht, een paar uur buiten gelegd om te drogen en ongeveer een halve dag te ventileren. Wees voorzichtig, verfdampen kunnen schadelijk zijn. Gebruik ze altijd alleen in een geventileerde ruimte.

Stap 7: Paneelbedrading

Persoonlijk mijn favoriet, maar het meest tijdrovende onderdeel (bij voorbaat mijn excuses voor het niet gebruiken van de krimpkousen, ik zat in een tijdnood - anders zou ik ze zeker gebruiken).

Verstelbare beugels helpen veel bij het monteren en hanteren van panelen. Het is ook mogelijk om de zogenaamde derde hand te gebruiken, maar ik geef de voorkeur aan de houder. Ik bedekte de handvatten met een textieldoek zodat het paneel tijdens het werk niet zou worden bekrast.

Ik heb alle schakelaars en potentiometers, LED's en andere connectoren in het paneel gestoken en geschroefd. Vervolgens heb ik de lengte geschat van de draden die de componenten op het paneel zullen verbinden en ook die zullen worden gebruikt om op de pcb aan te sluiten. Deze zijn meestal wat langer en het is goed om ze een beetje te verlengen.

Ik gebruik bijna altijd vloeibare soldeerflux bij het solderen van connectoren. Ik breng een kleine hoeveelheid aan op de pin en vertin en verbind deze met de draad. Flux verwijdert geoxideerd metaal van de oppervlakken, waardoor het veel gemakkelijker wordt om de verbinding te solderen.

Stap 8: Panel-Board-connectoren

Om het paneel op de pcb aan te sluiten, heb ik connectoren van het type dupont gebruikt. Ze zijn overal verkrijgbaar, goedkoop en vooral klein genoeg om comfortabel in de gekozen doos te passen. De kabels zijn gerangschikt volgens het schema, in paren, drielingen of vierlingen. Ze zijn voorzien van een kleurcode zodat ze gemakkelijk kunnen worden geïdentificeerd en eenvoudig kunnen worden aangesloten. Tegelijkertijd is het praktisch voor de toekomst om niet te verdwalen in een uniforme wirwar van draden. Ten slotte worden ze mechanisch vastgezet met plastic kabelbinders.

Stap 9: PCB

Omdat het deel van het schema dat buiten het paneel zit niet uitgebreid is, heb ik besloten om een schakeling te maken op een universele print. Ik gebruikte een gewone print van 9x15 cm. Ik plaatste de ingangscondensatoren samen met de lineaire regelaar en koellichaam aan de linkerkant. Vervolgens heb ik sockets geïnstalleerd voor IC 555, 4017-teller en ULN2003-stuurprogramma. Socket voor 4017-teller blijft leeg omdat zijn functie wordt overgenomen door arduino. In het onderste deel bevindt zich een driver voor de N-kanaals mosfet F630.

Stap 10: Arduino

De verbinding van het systeem met arduino is gedocumenteerd in schemablad nr. 4. de volgende opstelling van pinnen werd gebruikt:

• 3 digitale ingangen voor DIP-schakelaar - D2, D3, D12
• 4 digitale uitgangen voor LED-indicatoren - D4, D5, D6, D7
• 4 digitale uitgangen voor stepper driver - D8, D9, D10, D11
• Een analoge ingang voor potentiometer - A0

LED-indicatoren die de afzonderlijke motorwikkelingen vertegenwoordigen, lichten langzamer op dan de wikkelingen daadwerkelijk worden gevoed. Als de knippersnelheid van de LED's overeenkomt met de motorwikkelingen, zouden we het zien als een continue verlichting van allemaal. Ik wilde een duidelijke eenvoudige weergave en verschillen tussen de afzonderlijke modi bereiken. Daarom worden de LED-indicatoren onafhankelijk aangestuurd met intervallen van 400 ms.

De functies voor het aansturen van de stappenmotor zijn gemaakt door de auteur Cornelius op zijn blog.

Stap 11: Montage en testen

Als laatste heb ik alle panelen op de print aangesloten en ben ik begonnen met het testen van de tester. Ik heb de oscillator en zijn bereik gemeten met een oscilloscoop, evenals frequentie- en duty cycle-regeling. Ik had geen grote problemen, de enige verandering die ik maakte was om keramische condensatoren parallel aan de ingangselektrolytische condensatoren toe te voegen. De toegevoegde condensator zorgt voor verzwakking van hoogfrequente interferentie die in het systeem wordt geïntroduceerd door parasitaire elementen van de DC-adapterkabel. Alle testerfuncties werken zoals vereist.

Stap 12: Outro

Nu kan ik eindelijk gewoon alle motoren testen die ik in de loop der jaren heb weten te redden.

Als je geïnteresseerd bent in de theorie, het schema of iets over de tester, aarzel dan niet om contact met mij op te nemen.

Bedankt voor het lezen en uw tijd. Blijf gezond en veilig.