Comprovador de motors CC i pas a pas: 12 passos (amb imatges)

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:12

Fa uns mesos, un amic meu em va regalar un parell d’impressores d’injecció de tinta i fotocòpies rebutjades. Em va interessar collir les seves fonts d’energia, cables, sensors i sobretot motors. Vaig recuperar el que podia i volia provar totes les peces per assegurar-me que fossin funcionals. Alguns motors tenien una classificació de 12 V, d’altres de 5 V, alguns eren pas a pas i d’altres eren motors de corrent continu. Si només tingués un dispositiu, on pogués connectar el motor, configurar la freqüència, el cicle de treball i seleccionar un mètode de pas per provar-lo.

Vaig decidir construir-lo sense fer servir processador de senyal digital ni microcontrolador. L'humil 555 o tl741 com a oscil·lador, comptador 4017 i moltes portes lògiques per a modes de motor pas a pas. Al principi em vaig divertir molt dissenyant el circuit, així com dissenyant el tauler frontal del dispositiu. He trobat una caixa de te de fusta decent per posar-hi tot. He dividit el circuit en quatre parts i he començat a provar-lo en una taula de treball. Aviat van aparèixer els primers signes de frustració. Va ser un embolic. Moltes portes, molts circuits integrats, cables. No funcionava correctament i estava pensant entre dues opcions: fer-ho molt senzill, només per a motors de CC, o deixar-lo de banda i acabar-lo de vegades més tard … Vaig triar la segona opció.

Pas 1: teoria del control de CC i pas a pas

Motor DC

La forma més comuna de controlar un motor de corrent continu és mitjançant l’anomenada modulació d’amplada de pols (PWM). PWM s'aplica a un interruptor específic i engega i apaga el motor. A la imatge podeu veure el període de commutació indicat i la seva relació amb la freqüència, també s’indica el temps de commutació. El cicle de treball es defineix com el temps de commutació dividit pel període total. Si mantenim la freqüència constant, l’única manera de canviar el cicle de treball és canviar el temps puntual. En augmentar el cicle de treball, també augmenta el valor mitjà de la tensió que s’aplica al motor. A causa de la tensió més alta, un corrent més alt flueix pel motor de corrent continu i el rotor gira més ràpidament.

Però, quina freqüència triar? Per respondre a aquesta pregunta, fem una ullada més a prop del que és en realitat un motor de corrent continu. Equivalentment, es pot descriure com un filtre RL (descuidant EMF per un moment). Si s’aplica una tensió al motor (filtre RL), el corrent augmenta amb una constant de temps tau igual a L / R. En el cas del control PWM, quan l’interruptor està tancat, augmenta el corrent que circula pel motor i disminueix durant el temps que l’interruptor està apagat. En aquest punt, el corrent té la mateixa direcció que abans i flueix a través del díode flyback. Els motors amb més potència tenen una inductància més elevada i, per tant, una constant de temps més alta que els motors més petits. Si la freqüència és baixa quan s’alimenta el motor petit, hi ha una ràpida disminució del corrent durant el temps d’apagat, seguit d’un gran augment durant el temps d’encesa. Aquesta ondulació actual també fa que es torqui el parell del motor. No ho volem. Per tant, quan s’alimenten motors més petits, la freqüència PWM hauria de ser superior. Utilitzarem aquest coneixement en el disseny en passos posteriors.

Motor pas a pas

Si volem controlar un motor pas a pas unipolar, utilitzat en electrònica hobby, tenim una selecció de 3 opcions bàsiques de control (modes): Wave drive (WD), Half Step (HS) i Full Step (FS). La seqüència de modes individuals i la posició del rotor s’indica a la figura (per simplicitat, he indicat un motor amb dos parells de pols). En aquest cas, Wave Drive i Full Step fan que el rotor giri 90 graus i es pot aconseguir repetint 4 estats. En mode Half Step, necessitem una seqüència de 8 estats.

L’elecció del mode depèn dels requisits del sistema: si necessitem un parell gran, la millor opció és Full Step, si és suficient un parell inferior i potser alimentem el circuit des de la bateria, es prefereix el mode de transmissió d’ones. En aplicacions on volem aconseguir la màxima resolució angular i un moviment més suau, el mode Half Drive és l’opció ideal. El parell motor en aquest mode és aproximadament un 30% inferior al del mode Full Drive.

Pas 2: diagrama del circuit

Aquest senzill meme descriu adequadament el meu procés de pensament durant el disseny.

La part superior del diagrama descriu la font d'alimentació: un adaptador de 12 volts, que es redueix a 5 volts mitjançant un regulador lineal. Volia poder escollir la tensió màxima de prova del motor (MMTV): 12 o 5 volts. L'amperímetre incorporat evitarà els circuits de control i mesurarà només el corrent del motor. També seria convenient poder canviar entre la mesura de corrent interna i externa mitjançant un multímetre.

L'oscil·lador funcionarà en dos modes: el primer és una freqüència constant i un cicle de treball variable, i el segon és una freqüència variable. Aquests paràmetres es podran configurar mitjançant potenciòmetres i un commutador rotatiu canviarà els modes i els rangs. El sistema també inclourà un commutador entre el rellotge intern i extern mitjançant un connector jack de 3,5 mm. El rellotge intern també es connectarà al tauler mitjançant una presa de 3,5 mm. Un interruptor i un botó per activar / desactivar el rellotge. El controlador de motor de corrent continu serà un controlador de mosfet de canal N d’un sol quadrant. La direcció es canviarà mitjançant el commutador dpdt mecànic. Els cables del motor es connectaran mitjançant preses de plàtan.

La seqüència del motor pas a pas serà controlada per un arduino, que també reconeixerà 3 modes de control especificats pel dip switch. El conductor del motor pas a pas serà uln2003. L'Arduino també controlarà 4 LEDs que representaran l'animació dels bobinats del motor alimentats en aquests modes. El motor pas a pas es connectarà al provador mitjançant una presa ZIF.

Pas 3: Esquemes

Els esquemes es divideixen en cinc parts. Els circuits emmarcats en quadres blaus representen els components que hi haurà al tauler.

1. Font d'alimentació
2. Oscil·lador
3. Controlador de CC
4. Controlador Arduino Stepper
5. Lògic Gates Stepper Driver

Full núm. El 5 és el motiu pel qual he deixat aquest projecte estirat. Aquests circuits formen seqüències per als modes de control esmentats anteriorment: WD, HS i FS. Aquesta part se substitueix completament per arduino al full núm. 4. També s’adjunta un esquema complet d’Àguila.

Pas 4: components i eines necessaris

Components i eines necessàries:

• Multímetre
• Pinça
• Tallador de cartró
• Marcador
• Pinces
• Alicates fines
• Alicates de tall
• Alicates per treure filferros
• Soldador
• Soldar
• Colofonia
• Filferros (24 awg)
• 4x interruptor spdt
• 2x commutador dpdt
• 4x plàtan jack
• Polsador
• Endoll ZIF
• Presa de 2x 3,5 mm
• Connector de CC
• Arduino nano
• Interruptor DIP de 3 pols
• 2x 3 mm LED
• LED de 5x 5 mm
• LED bicolor
• Poms de potenciòmetre
• Preses DIP
• PCB universal
• Connectors Dupont
• Brides de cable de plàstic

I

• Potenciòmetres
• Resistències
• Condensadors

amb els valors escollits, corresponents als rangs de freqüència i la brillantor dels LED.

Pas 5: disseny del tauler frontal

El provador es va col·locar en una antiga capsa de te de fusta. Primer vaig mesurar les dimensions internes i després vaig tallar un rectangle de cartró dur, que servia de plantilla per a la col·locació de components. Quan vaig estar satisfet amb la col·locació de les peces, vaig tornar a mesurar cada posició i vaig crear un disseny de panell a Fusion360. Vaig dividir el panell en 3 parts més petites, per simplificar la impressió 3D. També vaig dissenyar un suport en forma de L per fixar els panells als costats interiors de la caixa.

Pas 6: impressió 3D i pintura en aerosol

Els panells es van imprimir mitjançant una impressora Ender-3, a partir del material residual que tenia a casa. Era una petg rosa transparent. Després d’imprimir, he ruixat els panells i els suports amb pintura acrílica de color negre mat. Per a una cobertura completa, vaig aplicar 3 capes, les vaig deixar fora durant unes hores per assecar-les i ventilar-les durant aproximadament mig dia. Vés amb compte, els fums de pintura poden ser nocius. Utilitzeu-los sempre només en una habitació ventilada.

Pas 7: cablejat del tauler

Personalment, el meu favorit, però la part que més temps requereix (demano disculpes per endavant per no fer servir els tubs retràctils, estava en un moment de crisi; en cas contrari, els faria servir definitivament).

Els suports ajustables ajuden molt a l’hora de muntar i manipular panells. També és possible utilitzar l'anomenada tercera mà, però prefereixo el titular. Vaig tapar-ne les nanses amb un drap tèxtil perquè el panell no es ratllés durant la feina.

Vaig inserir i cargolar tots els interruptors i potenciòmetres, LEDs i altres connectors al tauler. Posteriorment, he estimat la longitud dels cables que connectaran els components del tauler i també els que s’utilitzaran per connectar-se al PCB. Aquests solen ser una mica més llargs i és bo ampliar-los una mica.

Gairebé sempre faig servir flux de soldadura líquida en soldar connectors. Aplico una petita quantitat al passador i després estanyo i el connecto al filferro. El flux elimina qualsevol metall oxidat de les superfícies, cosa que facilita la soldadura de l'articulació.

Pas 8: Connectors de plaques

Per connectar el tauler a la placa base, he utilitzat connectors tipus dupont. Són àmpliament disponibles, econòmics i, sobretot, prou petits per cabre còmodament a la caixa escollida. Els cables s’ordenen segons l’esquema, per parelles, triplets o quadruplets. Estan codificats per colors per identificar-se fàcilment i connectar-se fàcilment. Al mateix temps, és pràctic que el futur no es perdi en un embolic uniforme de cables. Finalment, es fixen mecànicament amb brides de cable de plàstic.

Pas 9: PCB

Com que la part del diagrama que hi ha fora del tauler no és extensa, vaig decidir fer un circuit en un PCB universal. He utilitzat una placa de 9x15 cm normal. Vaig col·locar els condensadors d’entrada junts amb el regulador lineal i el dissipador de calor al costat esquerre. Posteriorment, he instal·lat endolls per al comptador IC 555, 4017 i el controlador ULN2003. El sòcol per al comptador 4017 romandrà buit a mesura que la seva funció sigui assumida per arduino. A la part inferior hi ha un controlador per al mosfet F630 del canal N.

Pas 10: Arduino

La connexió del sistema amb arduino està documentada a la fitxa esquemàtica núm. 4. es va utilitzar la següent disposició de pins:

• 3 entrades digitals per commutador DIP: D2, D3, D12
• 4 sortides digitals per a indicadors LED: D4, D5, D6, D7
• 4 sortides digitals per a controlador pas a pas: D8, D9, D10, D11
• Una entrada analògica per al potenciòmetre: A0

Els indicadors LED que representen els bobinatges individuals del motor s’encenen lentament del que realment s’alimenten. Si la velocitat de parpelleig dels LEDs correspongués als bobinatges del motor, ho veuríem com una il·luminació contínua de tots ells. Volia aconseguir una clara representació senzilla i diferències entre els modes individuals. Per tant, els indicadors LED es controlen independentment a intervals de 400 ms.

Les funcions per controlar el motor pas a pas van ser creades per l'autor Cornelius al seu bloc.

Pas 11: Muntatge i proves

Finalment, vaig connectar tots els panells al PCB i vaig començar a provar el provador. Vaig mesurar l’oscil·lador i els seus rangs amb un oscil·loscopi, així com el control de la freqüència i del cicle de treball. No vaig tenir grans problemes, l'únic canvi que vaig fer va ser afegir condensadors ceràmics en paral·lel als condensadors electrolítics d'entrada. El condensador afegit proporciona atenuació de les interferències d'alta freqüència introduïdes al sistema per elements paràsits del cable adaptador de CC. Totes les funcions del provador funcionen segons sigui necessari.

Pas 12: Outro

Ara, finalment, només puc provar tots els motors que he aconseguit salvar al llarg dels anys.

Si us interessa la teoria, l’esquema o qualsevol cosa relacionada amb el provador, no dubteu en posar-vos en contacte amb mi.

Gràcies per llegir i pel vostre temps. Mantingueu-vos sans i segurs.