Tester motor DC și pas cu pas: 12 pași (cu imagini)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Modificat ultima dată: 2024-01-30 11:42

În urmă cu câteva luni, un prieten de-al meu mi-a oferit câteva imprimante cu jet de cerneală și copiatoare aruncate. M-a interesat să recoltez sursele de energie, cablurile, senzorii și mai ales motoarele. Am salvat ceea ce am putut și am vrut să testez toate piesele pentru a mă asigura că sunt funcționale. Unele motoare au fost evaluate la 12V, unele la 5V, unele au pas cu pas și altele au fost motoare de curent continuu. Dacă aș avea un dispozitiv, în care aș putea conecta pur și simplu motorul, să setez frecvența, ciclul de funcționare și să selectez o metodă pas cu pas pentru a-l testa.

Am decis să-l construiesc fără a folosi procesor de semnal digital sau microcontroler. Umilul 555 sau tl741 ca oscilator, contor 4017 și multe porți logice pentru modurile motorului pas cu pas. La început m-am distrat mult proiectând circuitul, precum și proiectând panoul frontal pentru dispozitiv. Am găsit o cutie decentă de ceai din lemn pentru a pune totul înăuntru. Am împărțit circuitele în patru părți și am început să le testez pe o panou. În curând, au apărut primele semne de frustrare. A fost o mizerie. O mulțime de porți, multe circuite integrate, fire. Nu a funcționat corect și mă gândeam între două opțiuni: să o fac foarte simplă - doar pentru motoare de curent continuu, sau să o pun deoparte și să o termin uneori mai târziu … Am ales a doua opțiune.

Pasul 1: Teoria controlului DC și Stepper

Motor DC

Cel mai comun mod de a controla un motor de curent continuu este prin așa-numita modulare a lățimii pulsului (PWM). PWM se aplică unui anumit comutator și pornește și oprește motorul. În imagine puteți vedea perioada de comutare indicată și relația acesteia cu frecvența, este indicat și timpul de comutare. Ciclul de funcționare este definit ca timpul de comutare împărțit la perioada totală. Dacă menținem frecvența constantă, singura modalitate de a schimba ciclul de funcționare este schimbarea timpului. Prin creșterea ciclului de funcționare, crește și valoarea medie a tensiunii aplicate motorului. Datorită tensiunii mai mari, un curent mai mare curge prin motorul DC și rotorul se rotește mai repede.

Dar ce frecvență să alegeți? Pentru a răspunde la această întrebare, să aruncăm o privire mai atentă asupra a ceea ce este de fapt un motor de curent continuu. În mod echivalent, poate fi descris ca un filtru RL (neglijând EMF înapoi doar o clipă). Dacă se aplică o tensiune motorului (filtru RL), curentul crește cu o constantă de timp tau egală cu L / R. În cazul controlului PWM, când comutatorul este închis, curentul care trece prin motor crește și scade în timpul în care comutatorul este oprit. În acest moment, curentul are aceeași direcție ca înainte și curge prin dioda flyback. Motoarele cu putere mai mare au o inductanță mai mare și deci o constantă de timp mai mare decât motoarele mai mici. Dacă frecvența este scăzută atunci când motorul mic este alimentat, există o scădere rapidă a curentului în timpul perioadei de oprire, urmată de o creștere mare în timpul timpului de pornire. Această ondulare curentă determină, de asemenea, cuplarea motorului. Nu vrem asta. Prin urmare, atunci când alimentați motoare mai mici, frecvența PWM ar trebui să fie mai mare. Vom folosi aceste cunoștințe în proiectare în etape ulterioare.

Motor pas cu pas

Dacă dorim să controlăm un motor pas cu pas unipolar, utilizat în electronica hobby, avem de ales între 3 opțiuni de bază (moduri) de control - Wave drive (WD), Half Step (HS) și Full Step (FS). Secvența modurilor individuale și poziția rotorului sunt indicate în figură (pentru simplitate, am indicat un motor cu două perechi de poli). În acest caz, Wave Drive și Full Step fac ca rotorul să se rotească cu 90 de grade și poate fi realizat prin repetarea a 4 stări. În modul Half Step, avem nevoie de o secvență de 8 stări.

Alegerea modului depinde de cerințele sistemului - dacă avem nevoie de un cuplu mare, cea mai bună alegere este Full Step, dacă este suficient un cuplu mai mic și poate ne alimentăm circuitul de la baterie, modul de acționare pe unde este preferat. În aplicațiile în care dorim să obținem cea mai mare rezoluție unghiulară și cea mai lină mișcare, modul Half Drive este o alegere ideală. Cuplul în acest mod este cu aproximativ 30% mai mic decât în modul Full Drive.

Pasul 2: Diagrama circuitului

Această meme simplă descrie în mod adecvat procesul meu de gândire în timpul proiectării.

Partea superioară a diagramei descrie sursa de alimentare - un adaptor de 12 volți, care este redus la 5 volți de un regulator liniar. Am vrut să pot alege tensiunea maximă de testare a motorului (MMTV) - fie 12, fie 5 volți. Amperimetrul încorporat va ocoli circuitele de control și va măsura doar curentul motorului. De asemenea, ar fi convenabil să puteți comuta între măsurarea curentului intern și extern folosind un multimetru.

Oscilatorul va funcționa în două moduri: primul este o frecvență constantă și un ciclu de funcționare variabil, iar al doilea este o frecvență variabilă. Ambii acești parametri vor putea fi setați utilizând potențiometre, iar un comutator rotativ va comuta modurile și intervalele. De asemenea, sistemul va include un comutator între ceasul intern și cel extern printr-un conector jack de 3,5 mm. Ceasul intern va fi, de asemenea, conectat la panou printr-o mufă de 3,5 mm. Un comutator și un buton pentru a activa / dezactiva ceasul. Driverul motorului de curent continuu va fi un driver de mosfet cu un singur cadran N-canal. Direcția va fi schimbată folosind comutatorul dpdt mecanic. Conductoarele motorului vor fi conectate prin mufe de banane.

Secvența motorului pas cu pas va fi controlată de un arduino, care va recunoaște, de asemenea, 3 moduri de control specificate de comutatorul dip. Șoferul motorului pas cu pas va fi uln2003. Arduino va controla, de asemenea, 4 LED-uri care vor reprezenta animația înfășurărilor motorului alimentat în aceste moduri. Motorul pas cu pas va fi conectat la tester printr-o priză ZIF.

Pasul 3: Scheme

Schemele sunt împărțite în cinci părți. Circuitele încadrate în cutii albastre reprezintă componentele care vor fi pe panou.

1. Alimentare electrică
2. Oscilator
3. Driver DC
4. Driver Arduino Stepper
5. Logic Gates Stepper Driver

Foaia nr. 5 este motivul pentru care am lăsat acest proiect mincinos. Aceste circuite formează secvențe pentru modurile de control menționate anterior - WD, HS și FS. Această parte este înlocuită complet de arduino în foaia nr. 4. De asemenea, este atașat schema completă Eagle.

Pasul 4: Componente și instrumente necesare

Componente și instrumente necesare:

• Multimetru
• Subler
• Cutter de carton
• Marker
• Pensetă
• Cleste fine
• Cleşte de tăiat
• Clește de curățat sârmă
• Ciocan de lipit
• Solder
• Colofoniu
• Sârme (24 awg)
• 4x comutator spdt
• 2x comutator dpdt
• 4x jack pentru banane
• Apasa butonul
• Priză ZIF
• 2 jack de 3,5 mm
• Conector DC
• Arduino nano
• Comutator DIP cu 3 poli
• LED 2x 3 mm
• LED 5x 5 mm
• LED bicolor
• Butoane pentru potențiometru
• Prize DIP
• PCB universal
• Conectori Dupont
• Legături de cablu din plastic

Și

• Potențiometre
• Rezistențe
• Condensatoare

cu valorile alese de dvs., corespunzătoare intervalelor de frecvență și luminozității LED-urilor.

Pasul 5: Proiectarea panoului frontal

Testerul a fost plasat într-o cutie veche de ceai din lemn. Mai întâi am măsurat dimensiunile interne și apoi am tăiat un dreptunghi din carton dur, care a servit drept șablon pentru amplasarea componentelor. Când am fost mulțumit de amplasarea pieselor, am măsurat din nou fiecare poziție și am creat un design de panou în Fusion360. Am împărțit panoul în 3 părți mai mici, pentru simplitate în imprimarea 3D. De asemenea, am proiectat un suport în formă de L pentru fixarea panourilor pe părțile interioare ale cutiei.

Pasul 6: Imprimare 3D și vopsire prin pulverizare

Panourile au fost tipărite folosind o imprimantă Ender-3, din materialul rezidual pe care îl aveam acasă. Era un petg roz transparent. După imprimare, am stropit panourile și suporturile cu vopsea acrilică neagră mată. Pentru o acoperire completă, am aplicat 3 straturi, le-am așezat afară câteva ore pentru a se usca și a ventila aproximativ jumătate de zi. Aveți grijă, fumurile de vopsea pot fi dăunătoare. Folosiți-le întotdeauna numai într-o cameră ventilată.

Pasul 7: Cablarea panoului

Personal, partea mea preferată, dar cea mai consumatoare de timp (îmi cer scuze în avans pentru că nu am folosit tuburile termocontractibile, eram într-o criză de timp - altfel le-aș folosi cu siguranță).

Suporturile reglabile ajută foarte mult la montarea și manipularea panourilor. De asemenea, este posibil să folosești așa-numita mână a treia, dar prefer suportul. I-am acoperit mânerele cu o cârpă textilă, astfel încât panoul să nu fie zgâriat în timpul lucrului.

Am introdus și înșurubat toate comutatoarele și potențiometrele, LED-urile și alți conectori în panou. Ulterior, am estimat lungimea firelor care vor conecta componentele de pe panou și, de asemenea, pe cele care vor fi utilizate pentru conectarea la PCB. Acestea tind să fie puțin mai lungi și este bine să le extindeți puțin.

Aproape întotdeauna folosesc fluxul de lipit lichid la lipirea conectorilor. Aplic o cantitate mică pe știft și apoi staniu și îl conectez la fir. Fluxul îndepărtează orice metal oxidat de pe suprafețe, făcând mult mai ușor lipirea îmbinării.

Pasul 8: Conectori panou-placă

Pentru a conecta panoul la PCB, am folosit conectori de tip dupont. Sunt disponibile pe scară largă, ieftine și, cel mai important, suficient de mici pentru a se potrivi confortabil în cutia aleasă. Cablurile sunt aranjate conform schemei, în perechi, triplete sau cvadruplete. Acestea sunt codificate prin culori pentru a fi ușor identificate și ușor de conectat. În același timp, este practic ca viitorul să nu se piardă într-o încurcătură uniformă de fire. În cele din urmă, acestea sunt fixate mecanic cu legături de cablu din plastic.

Pasul 9: PCB

Deoarece partea din diagramă care se află în afara panoului nu este extinsă, am decis să fac un circuit pe un PCB universal. Am folosit un pcb obișnuit de 9x15 cm. Am amplasat condensatorii de intrare împreună cu regulatorul liniar și radiator pe partea stângă. Ulterior, am instalat prize pentru contorul IC 555, 4017 și driverul ULN2003. Socketul pentru contorul 4017 va rămâne gol, deoarece funcția sa este preluată de arduino. În partea inferioară există un driver pentru mosfetul cu canal N F630.

Pasul 10: Arduino

Conexiunea sistemului cu arduino este documentată în foaia de schemă nr. 4. a fost utilizată următoarea dispunere a știfturilor:

• 3 intrări digitale pentru comutatorul DIP - D2, D3, D12
• 4 ieșiri digitale pentru indicatori LED - D4, D5, D6, D7
• 4 ieșiri digitale pentru driverul pas cu pas - D8, D9, D10, D11
• O intrare analogică pentru potențiometru - A0

Indicatoarele LED care reprezintă înfășurările individuale ale motorului, se aprind încet decât înfășurările sunt de fapt alimentate. Dacă viteza intermitentă a LED-urilor ar corespunde înfășurărilor motorului, am vedea-o ca pe o iluminare continuă a tuturor. Am vrut să obțin o reprezentare clară și diferențe între modurile individuale. Prin urmare, indicatoarele LED sunt controlate independent la intervale de 400 ms.

Funcțiile pentru controlul motorului pas cu pas au fost create de autorul Cornelius pe blogul său.

Pasul 11: Asamblare și testare

În cele din urmă, am conectat toate panourile la PCB și am început să testez testerul. Am măsurat oscilatorul și intervalele sale cu un osciloscop, precum și controlul frecvenței și al ciclului de funcționare. Nu am avut mari probleme, singura modificare pe care am făcut-o a fost să adaug condensatoare ceramice în paralel cu condensatoarele electrolitice de intrare. Condensatorul adăugat asigură atenuarea interferențelor de înaltă frecvență introduse în sistem de elementele parazite ale cablului adaptorului de curent continuu. Toate funcțiile testerului funcționează după cum este necesar.

Pasul 12: Outro

Acum pot în cele din urmă să testez pur și simplu toate motoarele pe care am reușit să le salvez de-a lungul anilor.

Dacă sunteți interesat de teoria, schema sau ceva despre tester, nu ezitați să mă contactați.

Vă mulțumim pentru lectură și pentru timpul acordat. Rămâi sănătos și în siguranță.