Ελεγκτής DC και Stepper Motor: 12 βήματα (με εικόνες)

2024 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-30 08:33

Πριν από λίγους μήνες, ένας φίλος μου μου έδωσε μερικούς απορριφθέντες εκτυπωτές inkjet και μηχανές αντιγραφής. Με ενδιέφερε να μαζέψω τις μονάδες πηγής ισχύος, τα καλώδια, τους αισθητήρες και κυρίως τους κινητήρες τους. Έσωσα ό, τι μπορούσα και ήθελα να δοκιμάσω όλα τα μέρη για να βεβαιωθώ ότι είναι λειτουργικά. Ορισμένοι κινητήρες βαθμολογήθηκαν στα 12V, άλλοι στα 5V, άλλοι ήταν βηματικοί και άλλοι κινητήρες DC. Αν είχα μια συσκευή, όπου μπορούσα απλά να συνδέσω τον κινητήρα, να ορίσω τη συχνότητα, τον κύκλο λειτουργίας και να επιλέξω μια μέθοδο βηματισμού για να τον δοκιμάσω.

Αποφάσισα να το κατασκευάσω χωρίς τη χρήση ψηφιακού επεξεργαστή σήματος ή μικροελεγκτή. Ο ταπεινός 555 ή tl741 ως ταλαντωτής, μετρητής 4017 και πολλές λογικές πύλες για βηματικούς κινητήρες. Στην αρχή διασκέδασα πολύ με το σχεδιασμό του κυκλώματος, καθώς και με το σχεδιασμό του μπροστινού πίνακα για τη συσκευή. Βρήκα ένα αξιοπρεπές ξύλινο κουτί τσαγιού για να βάλω τα πάντα μέσα. Χώρισα το κύκλωμα σε τέσσερα μέρη και άρχισα να το δοκιμάζω σε μια σανίδα ψωμιού. Σύντομα, εμφανίστηκαν τα πρώτα σημάδια απογοήτευσης. Ταν ένα χάος. Πολλές πύλες, πολλά IC, καλώδια. Δεν λειτούργησε σωστά και σκεφτόμουν δύο επιλογές: Να το κάνω πολύ απλό - μόνο για κινητήρες DC, ή να το αφήσω στην άκρη και να το τελειώσω μερικές φορές αργότερα … επέλεξα τη δεύτερη επιλογή.

Βήμα 1: Θεωρία ελέγχου DC και Stepper

DC Motor

Ο πιο συνηθισμένος τρόπος ελέγχου ενός κινητήρα DC είναι μέσω της λεγόμενης διαμόρφωσης πλάτους παλμού (PWM). Το PWM εφαρμόζεται σε έναν συγκεκριμένο διακόπτη και ενεργοποιεί και απενεργοποιεί τον κινητήρα. Στην εικόνα μπορείτε να δείτε την υποδεικνυόμενη περίοδο μεταγωγής και τη σχέση της με τη συχνότητα, υποδεικνύεται επίσης ο χρόνος μεταγωγής. Ο κύκλος λειτουργίας ορίζεται ως ο χρόνος μεταγωγής διαιρούμενος με τη συνολική περίοδο. Εάν διατηρήσουμε τη συχνότητα σταθερή, ο μόνος τρόπος για να αλλάξουμε τον κύκλο λειτουργίας είναι να αλλάξουμε την ώρα. Με την αύξηση του κύκλου λειτουργίας αυξάνεται επίσης η μέση τιμή της τάσης που εφαρμόζεται στον κινητήρα. Λόγω της υψηλότερης τάσης, ένα υψηλότερο ρεύμα ρέει μέσω του κινητήρα DC και ο ρότορας περιστρέφεται γρηγορότερα.

Τι συχνότητα όμως να επιλέξω; Για να απαντήσουμε σε αυτήν την ερώτηση, ας ρίξουμε μια πιο προσεκτική ματιά στο τι είναι στην πραγματικότητα ένας κινητήρας dc. Ισοδύναμα, μπορεί να περιγραφεί ως φίλτρο RL (παραμελώντας το πίσω EMF μόνο για μια στιγμή). Εάν εφαρμοστεί τάση στον κινητήρα (φίλτρο RL), το ρεύμα αυξάνεται με σταθερή χρονική τάου ίση με L / R. Στην περίπτωση ελέγχου PWM, όταν ο διακόπτης είναι κλειστός, το ρεύμα που ρέει μέσω του κινητήρα αυξάνεται και μειώνεται κατά τη διάρκεια του χρόνου απενεργοποίησης του διακόπτη. Σε αυτό το σημείο, το ρεύμα έχει την ίδια κατεύθυνση με το προηγούμενο και ρέει μέσω της διόδου flyback. Οι κινητήρες με μεγαλύτερη ισχύ έχουν υψηλότερη επαγωγή και συνεπώς υψηλότερη σταθερά χρόνου από τους μικρότερους κινητήρες. Εάν η συχνότητα είναι χαμηλή όταν τροφοδοτείται ο μικρός κινητήρας, υπάρχει ραγδαία μείωση του ρεύματος κατά τη διάρκεια του χρόνου απενεργοποίησης, ακολουθούμενη από μεγάλη αύξηση κατά τη διάρκεια του χρόνου ενεργοποίησης. Αυτός ο κυματισμός ρεύματος προκαλεί επίσης κυματισμό της ροπής του κινητήρα. Δεν το θέλουμε αυτό. Επομένως, όταν τροφοδοτείτε μικρότερους κινητήρες, η συχνότητα PWM θα πρέπει να είναι υψηλότερη. Θα χρησιμοποιήσουμε αυτήν τη γνώση στο σχεδιασμό σε επόμενα βήματα.

Stepper Motor

Αν θέλουμε να ελέγξουμε ένα μονοπολικό βηματικό μοτέρ, που χρησιμοποιείται στα ηλεκτρονικά χόμπι, έχουμε μια επιλογή από 3 βασικές επιλογές ελέγχου (τρόπους) - Wave drive (WD), Half Step (HS) και Full Step (FS). Η ακολουθία των επιμέρους τρόπων λειτουργίας και η θέση του ρότορα υποδεικνύονται στο σχήμα (για απλότητα, έχω υποδείξει έναν κινητήρα με δύο ζεύγη πόλων). Σε αυτήν την περίπτωση, το Wave Drive και το Full Step προκαλούν περιστροφή του ρότορα κατά 90 μοίρες και μπορεί να επιτευχθεί επαναλαμβάνοντας 4 καταστάσεις. Στη λειτουργία Half Step, χρειαζόμαστε μια ακολουθία 8 καταστάσεων.

Η επιλογή του τρόπου λειτουργίας εξαρτάται από τις απαιτήσεις του συστήματος - εάν χρειαζόμαστε μεγάλη ροπή, η καλύτερη επιλογή είναι το Full Step, εάν αρκεί χαμηλότερη ροπή και ίσως τροφοδοτήσουμε το κύκλωμά μας από την μπαταρία, προτιμάται η λειτουργία κύματος. Σε εφαρμογές όπου θέλουμε να επιτύχουμε την υψηλότερη γωνιακή ανάλυση και την πιο ομαλή κίνηση, η λειτουργία Half Drive είναι μια ιδανική επιλογή. Η ροπή σ 'αυτή τη λειτουργία είναι περίπου 30% χαμηλότερη από τη λειτουργία Full Drive.

Βήμα 2: Διάγραμμα κυκλώματος

Αυτό το απλό μιμ περιγράφει εύστοχα τη διαδικασία σκέψης μου κατά τη διάρκεια του σχεδιασμού.

Στο επάνω μέρος του διαγράμματος περιγράφεται η τροφοδοσία - ένας προσαρμογέας 12 βολτ, ο οποίος μειώνεται στα 5 βολτ από έναν γραμμικό ρυθμιστή. Wantedθελα να μπορώ να επιλέξω τη μέγιστη τάση δοκιμής του κινητήρα (MMTV) - είτε 12 είτε 5 βολτ. Το ενσωματωμένο αμπερόμετρο θα παρακάμψει τα κυκλώματα ελέγχου και θα μετρήσει μόνο το ρεύμα του κινητήρα. Θα ήταν επίσης βολικό να μπορείτε να κάνετε εναλλαγή μεταξύ εσωτερικής και εξωτερικής μέτρησης ρεύματος χρησιμοποιώντας ένα πολύμετρο.

Ο ταλαντωτής θα λειτουργεί σε δύο τρόπους: ο πρώτος είναι μια σταθερή συχνότητα και ένας κύκλος μεταβλητής λειτουργίας και ο δεύτερος είναι μια μεταβλητή συχνότητα. Και οι δύο αυτές παράμετροι θα μπορούν να ρυθμιστούν χρησιμοποιώντας ποτενσιόμετρα και ένας περιστροφικός διακόπτης θα αλλάζει λειτουργίες και εύρη. Το σύστημα θα περιλαμβάνει επίσης εναλλαγή μεταξύ εσωτερικού και εξωτερικού ρολογιού μέσω υποδοχής υποδοχής 3,5 mm. Το εσωτερικό ρολόι θα συνδεθεί επίσης στον πίνακα μέσω υποδοχής 3,5 mm. Ένας διακόπτης και ένα κουμπί για ενεργοποίηση/απενεργοποίηση του ρολογιού. Ο οδηγός κινητήρα DC θα είναι ένας οδηγός mosfet ενός τεταρτημόριου καναλιού Ν. Η κατεύθυνση θα αλλάξει χρησιμοποιώντας τον μηχανικό διακόπτη dpdt. Τα καλώδια του κινητήρα θα συνδεθούν μέσω υποδοχών μπανάνας.

Η ακολουθία του βηματικού κινητήρα θα ελέγχεται από ένα arduino, το οποίο θα αναγνωρίζει επίσης 3 λειτουργίες ελέγχου που καθορίζονται από τον διακόπτη εμβύθισης. Ο οδηγός του βηματικού μοτέρ θα είναι το uln2003. Το Arduino θα ελέγχει επίσης 4 LED που θα αντιπροσωπεύουν την κίνηση των περιελίξεων με κινητήρα σε αυτές τις λειτουργίες. Ο βηματικός κινητήρας θα συνδεθεί στον ελεγκτή μέσω μιας υποδοχής ZIF.

Βήμα 3: Διαγράμματα

Τα σχήματα χωρίζονται σε πέντε μέρη. Τα κυκλώματα πλαισιωμένα σε μπλε κουτιά αντιπροσωπεύουν τα στοιχεία που θα βρίσκονται στον πίνακα.

1. Παροχή ηλεκτρικού ρεύματος
2. Ταλαντωτής
3. Πρόγραμμα οδήγησης DC
4. Arduino Stepper Driver
5. Πρόγραμμα οδήγησης Logic Gates Stepper

Φύλλο αρ. 5 είναι ο λόγος που άφησα αυτό το έργο ψέματα. Αυτά τα κυκλώματα σχηματίζουν αλληλουχίες για τους τρόπους ελέγχου που αναφέρθηκαν προηγουμένως - WD, HS και FS. Αυτό το μέρος αντικαθίσταται από arduino πλήρως στο φύλλο αριθ. 4. Επισυνάπτονται επίσης πλήρη σχήματα Eagle.

Βήμα 4: Απαραίτητα εξαρτήματα και εργαλεία

Απαραίτητα εξαρτήματα και εργαλεία:

• Πολύμετρο
• Διαβήτης
• Κόφτης από χαρτόνι
• Σημάδι
• Τσιμπιδακι ΦΡΥΔΙΩΝ
• Λεπτή πένσα
• Κοπή πένσα
• Πένσα απογύμνωσης σύρματος
• Συγκολλητικό σίδερο
• Κόλλα μετάλλων
• Κολοφωνία
• Σύρματα (24 awg)
• 4x διακόπτης spdt
• 2x διακόπτης dpdt
• 4x γρύλος μπανάνας
• Πιέστε το κουμπί
• Υποδοχή ZIF
• 2x υποδοχή 3,5 mm
• Βύσμα DC
• Arduino nano
• Διακόπτης DIP 3 πόλων
• LED 2x 3 mm
• LED 5x 5 mm
• Δίχρωμο LED
• Κουμπιά ποτενσιόμετρου
• Πρίζες DIP
• Universal PCB
• Συνδέσεις Dupont
• Πλαστικοί σύνδεσμοι καλωδίων

Και

• Ποτενσιόμετρα
• Αντιστάσεις
• Πυκνωτές

με τις τιμές που έχετε επιλέξει, που αντιστοιχούν στα εύρη συχνοτήτων και τη φωτεινότητα των LED.

Βήμα 5: Σχεδιασμός μπροστινού πίνακα

Ο δοκιμαστής τοποθετήθηκε σε ένα παλιό ξύλινο κουτί τσαγιού. Πρώτα μέτρησα τις εσωτερικές διαστάσεις και έπειτα έκοψα ένα ορθογώνιο από σκληρό χαρτόνι, το οποίο χρησίμευσε ως πρότυπο για την τοποθέτηση εξαρτημάτων. Όταν ήμουν ευχαριστημένος με την τοποθέτηση των εξαρτημάτων, μέτρησα ξανά κάθε θέση και δημιούργησα ένα σχέδιο πίνακα στο Fusion360. Χώρισα τον πίνακα σε 3 μικρότερα μέρη, για απλότητα στην τρισδιάστατη εκτύπωση. Σχεδίασα επίσης ένα στήριγμα σχήματος L για τη στερέωση των πάνελ στις εσωτερικές πλευρές του κουτιού.

Βήμα 6: Τρισδιάστατη εκτύπωση και βαφή με σπρέι

Τα πάνελ εκτυπώθηκαν χρησιμοποιώντας έναν εκτυπωτή Ender-3, από το υπόλοιπο υλικό που είχα στο σπίτι. Ταν ένα διαφανές ροζ petg. Μετά την εκτύπωση, ψέκασα τα πάνελ και τις θήκες με ματ μαύρο ακρυλικό χρώμα. Για πλήρη κάλυψη, έβαλα 3 στρώσεις, τα έβαλα έξω για μερικές ώρες για να στεγνώσουν και να αεριστούν για περίπου μισή μέρα. Προσοχή, οι αναθυμιάσεις βαφής μπορεί να είναι επιβλαβείς. Να τα χρησιμοποιείτε πάντα μόνο σε αεριζόμενο χώρο.

Βήμα 7: Καλωδίωση πίνακα

Προσωπικά, το αγαπημένο μου, αλλά το πιο χρονοβόρο μέρος (ζητώ συγγνώμη εκ των προτέρων που δεν χρησιμοποίησα τους σωλήνες συρρίκνωσης, ήμουν σε κρίσιμο χρόνο - αλλιώς σίγουρα θα τους χρησιμοποιούσα).

Οι ρυθμιζόμενες αγκύλες βοηθούν πολύ κατά την τοποθέτηση και το χειρισμό πάνελ. Είναι επίσης δυνατή η χρήση του λεγόμενου τρίτου χεριού, αλλά προτιμώ τον κάτοχο. Κάλυψα τις λαβές του με ένα υφασμάτινο ύφασμα για να μην γρατσουνιστεί ο πίνακας κατά τη διάρκεια της εργασίας.

Έβαλα και βίδωσα όλους τους διακόπτες και τα ποτενσιόμετρα, τα LED και άλλους συνδέσμους στον πίνακα. Στη συνέχεια, εκτίμησα το μήκος των καλωδίων που θα συνδέσουν τα εξαρτήματα στον πίνακα και επίσης εκείνα που θα χρησιμοποιηθούν για τη σύνδεση στο pcb. Αυτά τείνουν να είναι λίγο περισσότερο και καλό είναι να τα επεκτείνουμε λίγο.

Σχεδόν πάντα χρησιμοποιώ ροή υγρής συγκόλλησης κατά τη συγκόλληση συνδετήρων. Εφαρμόζω μια μικρή ποσότητα στον πείρο και μετά τον κασσίτερο και τον συνδέω με το σύρμα. Το Flux αφαιρεί κάθε οξειδωμένο μέταλλο από τις επιφάνειες, καθιστώντας πολύ πιο εύκολη τη συγκόλληση του συνδέσμου.

Βήμα 8: Συνδέσεις πίνακα-πίνακα

Για να συνδέσω τον πίνακα στο pcb, χρησιμοποίησα συνδετήρες τύπου dupont. Είναι ευρέως διαθέσιμα, φθηνά και, το σημαντικότερο, αρκετά μικρά για να χωρέσουν άνετα στο επιλεγμένο κουτί. Τα καλώδια είναι διατεταγμένα σύμφωνα με το σχήμα, σε ζεύγη, τρίδυμα ή τετράδυμα. Είναι χρωματικά κωδικοποιημένα για εύκολη αναγνώριση και εύκολη σύνδεση. Ταυτόχρονα, είναι πρακτικό για το μέλλον να μην χαθείτε σε ένα ομοιόμορφο κουβάρι καλωδίων. Τέλος, στερεώνονται μηχανικά με πλαστικούς δεσμούς καλωδίων.

Βήμα 9: PCB

Δεδομένου ότι το τμήμα του διαγράμματος που βρίσκεται έξω από τον πίνακα δεν είναι εκτεταμένο, αποφάσισα να κάνω ένα κύκλωμα σε ένα καθολικό pcb. Χρησιμοποίησα ένα κανονικό pcb 9x15 cm. Τοποθέτησα τους πυκνωτές εισόδου μαζί με τον γραμμικό ρυθμιστή και την ψύκτρα στην αριστερή πλευρά. Στη συνέχεια, εγκατέστησα υποδοχές για προγράμματα οδήγησης IC 555, 4017 και ULN2003. Η υποδοχή για τον μετρητή 4017 θα παραμείνει κενή καθώς η λειτουργία της αναλαμβάνεται από το arduino. Στο κάτω μέρος υπάρχει πρόγραμμα οδήγησης για το κανάλι N mosfet F630.

Βήμα 10: Arduino

Η σύνδεση του συστήματος με το arduino τεκμηριώνεται στο σχηματικό φύλλο αριθ. 4. χρησιμοποιήθηκε η ακόλουθη διάταξη καρφίτσες:

• 3 ψηφιακές εισόδους για διακόπτη DIP - D2, D3, D12
• 4 ψηφιακές έξοδοι για δείκτες LED - D4, D5, D6, D7
• 4 ψηφιακές έξοδοι για πρόγραμμα οδήγησης stepper - D8, D9, D10, D11
• Μία αναλογική είσοδος για ποτενσιόμετρο - A0

Οι ενδεικτικές λυχνίες LED που αντιπροσωπεύουν τις μεμονωμένες περιελίξεις του κινητήρα, ανάβουν αργά από ό, τι στην πραγματικότητα τροφοδοτούνται οι περιελίξεις. Εάν η ταχύτητα αναβοσβήματος των LED αντιστοιχεί στις περιελίξεις του κινητήρα, θα το βλέπαμε ως συνεχή φωτισμό όλων αυτών. Wantedθελα να επιτύχω μια σαφή απλή αναπαράσταση και διαφορές μεταξύ των επιμέρους τρόπων. Επομένως, οι δείκτες LED ελέγχονται ανεξάρτητα σε διαστήματα 400 ms.

Οι λειτουργίες για τον έλεγχο του βηματικού κινητήρα δημιουργήθηκαν από τον συγγραφέα Κορνήλιο στο ιστολόγιό του.

Βήμα 11: Συναρμολόγηση και δοκιμή

Τέλος, ένωσα όλα τα πάνελ στο pcb και άρχισα να δοκιμάζω τον ελεγκτή. Μέτρησα τον ταλαντωτή και τις περιοχές του με παλμογράφο, καθώς και έλεγχο συχνότητας και κύκλου λειτουργίας. Δεν είχα κανένα μεγάλο πρόβλημα, η μόνη αλλαγή που έκανα ήταν να προσθέσω κεραμικούς πυκνωτές παράλληλα με τους ηλεκτρολυτικούς πυκνωτές εισόδου. Ο πρόσθετος πυκνωτής παρέχει εξασθένηση των παρεμβολών υψηλής συχνότητας που εισάγονται στο σύστημα από παρασιτικά στοιχεία του καλωδίου προσαρμογέα DC. Όλες οι λειτουργίες του ελεγκτή λειτουργούν όπως απαιτείται.

Βήμα 12: Outro

Τώρα μπορώ επιτέλους να δοκιμάσω απλά όλους τους κινητήρες που κατάφερα να σώσω όλα αυτά τα χρόνια.

Εάν ενδιαφέρεστε για τη θεωρία, το σχέδιο ή οτιδήποτε σχετικά με τον ελεγκτή, μη διστάσετε να επικοινωνήσετε μαζί μου.

Ευχαριστώ για το διάβασμα και τον χρόνο σας. Μείνετε υγιείς και ασφαλείς.