Penguji Motor DC dan Stepper: 12 Langkah (dengan Gambar)

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Terakhir diubah: 2024-01-30 09:54

Beberapa bulan yang lalu, seorang teman saya memberi saya beberapa printer inkjet dan mesin fotokopi bekas. Saya tertarik untuk memanen unit sumber daya, kabel, sensor, dan terutama motor mereka. Saya menyelamatkan apa yang saya bisa dan saya ingin menguji semua bagian untuk memastikan mereka berfungsi. Beberapa motor diberi nilai 12V, beberapa di 5V, beberapa stepper dan lainnya adalah motor DC. Kalau saja saya punya perangkat, di mana saya bisa menghubungkan motor, mengatur frekuensi, siklus kerja, dan memilih metode loncatan untuk mengujinya.

Saya memutuskan untuk membangunnya tanpa menggunakan prosesor sinyal digital, atau mikrokontroler. 555 atau tl741 yang sederhana sebagai osilator, pencacah 4017 dan banyak gerbang logika untuk mode motor stepper. Pada awalnya saya bersenang-senang merancang sirkuit, serta mendesain panel depan untuk perangkat. Saya telah menemukan kotak teh kayu yang layak untuk memasukkan semuanya ke dalam. Saya telah membagi sirkuit menjadi empat bagian dan mulai mengujinya di papan tempat memotong roti. Segera, tanda-tanda frustrasi pertama muncul. Itu berantakan. Banyak gerbang, banyak IC, kabel. Itu tidak bekerja dengan baik dan saya berpikir di antara dua opsi: Untuk membuatnya sangat sederhana - hanya untuk motor DC, atau mengesampingkannya dan menyelesaikannya kadang-kadang nanti … Saya memilih opsi kedua.

Langkah 1: Teori Pengendalian DC dan Stepper

Motor DC

Cara paling umum untuk mengontrol motor DC adalah melalui apa yang disebut modulasi lebar pulsa (PWM). PWM diterapkan ke sakelar tertentu dan menghidupkan dan mematikan motor. Pada gambar Anda dapat melihat periode switching yang ditunjukkan dan hubungannya dengan frekuensi, waktu switching juga ditunjukkan. Siklus kerja didefinisikan sebagai waktu switching dibagi dengan total periode. Jika kita menjaga frekuensi tetap konstan, satu-satunya cara untuk mengubah siklus kerja adalah dengan mengubah waktu yang tepat. Dengan meningkatkan siklus kerja, nilai rata-rata tegangan yang diterapkan pada motor juga meningkat. Karena tegangan yang lebih tinggi, arus yang lebih tinggi mengalir melalui motor DC dan rotor berputar lebih cepat.

Tapi frekuensi apa yang harus dipilih? Untuk menjawab pertanyaan ini, mari kita lihat lebih dekat apa itu motor dc sebenarnya. Secara setara, ini dapat digambarkan sebagai filter RL (mengabaikan kembali EMF untuk sesaat). Jika tegangan diberikan ke motor (filter RL), arus meningkat dengan konstanta waktu tau yang sama dengan L / R. Dalam kasus kontrol PWM, ketika sakelar ditutup, arus yang mengalir melalui motor meningkat dan berkurang selama sakelar dimatikan. Pada titik ini, arus memiliki arah yang sama seperti sebelumnya dan mengalir melalui dioda flyback. Motor dengan daya yang lebih tinggi memiliki induktansi yang lebih tinggi dan dengan demikian konstanta waktu yang lebih tinggi daripada motor yang lebih kecil. Jika frekuensi rendah saat motor kecil dihidupkan, ada penurunan arus yang cepat selama waktu mati, diikuti oleh peningkatan besar selama waktu hidup. Riak arus ini juga menyebabkan torsi motor beriak. Kami tidak ingin itu. Oleh karena itu, ketika menyalakan motor yang lebih kecil, frekuensi PWM harus lebih tinggi. Kami akan menggunakan pengetahuan ini dalam desain di langkah selanjutnya.

Motor langkah

Jika kita ingin mengontrol motor stepper unipolar, yang digunakan dalam hobi elektronik, kita memiliki 3 pilihan kontrol dasar (mode) - Wave drive (WD), Half Step (HS) dan Full Step (FS). Urutan mode individu dan posisi rotor ditunjukkan pada gambar (untuk kesederhanaan, saya telah menunjukkan motor dengan dua pasang kutub). Dalam hal ini, Wave Drive dan Full Step menyebabkan rotor berputar 90 derajat dan dapat dicapai dengan mengulangi 4 keadaan. Dalam mode Setengah Langkah, kita membutuhkan urutan 8 status.

Pilihan mode tergantung pada persyaratan sistem - jika kita membutuhkan torsi besar, pilihan terbaik adalah Langkah Penuh, jika torsi yang lebih rendah cukup dan mungkin kita memberi daya pada sirkuit kita dari baterai, mode penggerak gelombang lebih disukai. Dalam aplikasi di mana kita ingin mencapai resolusi sudut tertinggi dan gerakan paling halus, mode Half Drive adalah pilihan ideal. Torsi dalam mode ini sekitar 30% lebih rendah daripada mode Full Drive.

Langkah 2: Diagram Sirkuit

Meme sederhana ini dengan tepat menggambarkan proses berpikir saya selama desain.

Bagian atas diagram menggambarkan catu daya - adaptor 12 volt, yang dikurangi menjadi 5 volt oleh regulator linier. Saya ingin dapat memilih tegangan uji maksimum motor (MMTV) - baik 12 atau 5 volt. Built-in ammeter akan melewati sirkuit kontrol dan hanya mengukur arus motor. Juga akan lebih mudah untuk dapat beralih antara pengukuran arus internal dan eksternal menggunakan multimeter.

Osilator akan beroperasi dalam dua mode: yang pertama adalah frekuensi konstan dan siklus tugas variabel, dan yang kedua adalah frekuensi variabel. Kedua parameter ini akan dapat diatur menggunakan potensiometer, dan satu sakelar putar akan beralih mode dan rentang. Sistem ini juga akan menyertakan sakelar antara jam internal dan eksternal melalui konektor jack 3,5 mm. Jam internal juga akan terhubung ke panel melalui jack 3,5 mm. Satu sakelar dan tombol untuk mengaktifkan/menonaktifkan jam. Driver motor DC akan menjadi driver mosfet N-channel kuadran tunggal. Arah akan diubah menggunakan sakelar dpdt mekanis. Kabel motor akan dihubungkan melalui jack pisang.

Urutan motor stepper akan dikendalikan oleh arduino, yang juga akan mengenali 3 mode kontrol yang ditentukan oleh sakelar celup. Pengemudi motor stepper akan menjadi uln2003. Arduino juga akan mengontrol 4 LED yang akan mewakili animasi gulungan motor bertenaga dalam mode ini. Motor stepper akan terhubung ke tester melalui soket ZIF.

Langkah 3: Skema

Skema dibagi menjadi lima bagian. Sirkuit yang dibingkai dalam kotak biru mewakili komponen yang akan ada di panel.

1. Sumber Daya listrik
2. Osilator
3. Pengemudi DC
4. Driver Arduino Stepper
5. Driver Stepper Gerbang Logika

Lembar no. 5 adalah alasan mengapa saya membiarkan proyek ini berbohong. Sirkuit ini membentuk urutan untuk mode kontrol yang disebutkan sebelumnya - WD, HS dan FS. Bagian ini digantikan oleh arduino secara lengkap di lembar nr. 4. Skema Eagle lengkap juga terlampir.

Langkah 4: Komponen dan Alat yang Diperlukan

Komponen dan alat yang diperlukan:

• Multimeter
• kaliper
• Pemotong karton
• penanda
• Pinset
• tang halus
• Tang potong
• Tang pengupasan kawat
• Besi solder
• Pateri
• kolofoni
• Kabel (24 awg)
• 4x saklar spdt
• Saklar 2x dpdt
• 4x dongkrak pisang
• Tekan tombol
• soket ZIF
• Jack 2x3,5 mm
• konektor DC
• Arduino nano
• Sakelar DIP 3 kutub
• 2x3mm LED
• 5x5mm LED
• LED dua warna
• Tombol potensiometer
• soket DIP
• PCB universal
• konektor Dupont
• Ikatan kabel plastik

Dan

• Potensiometer
• Resistor
• Kapasitor

dengan nilai yang Anda pilih, sesuai dengan rentang frekuensi dan kecerahan LED.

Langkah 5: Desain Panel Depan

Penguji ditempatkan di kotak teh kayu tua. Pertama saya mengukur dimensi internal dan kemudian saya memotong persegi panjang dari karton keras, yang berfungsi sebagai templat untuk penempatan komponen. Ketika saya senang dengan penempatan bagian-bagiannya, saya mengukur setiap posisi lagi dan membuat desain panel di Fusion360. Saya membagi panel menjadi 3 bagian yang lebih kecil, untuk kemudahan dalam pencetakan 3D. Saya juga merancang dudukan berbentuk L untuk memasang panel ke sisi dalam kotak.

Langkah 6: Pencetakan 3D dan Lukisan Semprot

Panel dicetak menggunakan printer Ender-3, dari bahan sisa yang saya miliki di rumah. Itu adalah petg pink transparan. Setelah mencetak, saya menyemprot panel dan dudukan dengan cat akrilik hitam matt. Untuk cakupan lengkap, saya menerapkan 3 lapis, meletakkannya di luar selama beberapa jam hingga kering dan berventilasi selama sekitar setengah hari. Hati-hati, asap cat bisa berbahaya. Selalu gunakan hanya di ruangan berventilasi.

Langkah 7: Pengkabelan Panel

Secara pribadi, favorit saya, tetapi bagian yang paling memakan waktu (saya minta maaf sebelumnya karena tidak menggunakan tabung susut, saya berada dalam krisis waktu - jika tidak, saya pasti akan menggunakannya).

Braket yang dapat disesuaikan sangat membantu saat memasang dan menangani panel. Dimungkinkan juga untuk menggunakan apa yang disebut tangan ketiga, tetapi saya lebih suka dudukannya. Saya menutupi pegangannya dengan kain tekstil agar panel tidak tergores selama bekerja.

Saya memasukkan dan memasang semua sakelar dan potensiometer, LED, dan konektor lainnya ke dalam panel. Selanjutnya saya perkirakan panjang kabel yang akan menghubungkan komponen pada panel dan juga kabel yang akan digunakan untuk menyambung ke pcb. Ini cenderung sedikit lebih lama dan bagus untuk memperpanjangnya sedikit.

Saya hampir selalu menggunakan fluks solder cair saat menyolder konektor. Saya menerapkan sedikit ke pin dan kemudian timah dan menghubungkannya ke kawat. Fluks menghilangkan logam teroksidasi dari permukaan, membuatnya lebih mudah untuk menyolder sambungan.

Langkah 8: Konektor Panel-Papan

Untuk menghubungkan panel ke pcb, saya menggunakan konektor tipe dupont. Mereka tersedia secara luas, murah dan, yang paling penting, cukup kecil untuk muat dengan nyaman di dalam kotak yang dipilih. Kabel diatur sesuai dengan skema, berpasangan, kembar tiga atau kembar empat. Mereka diberi kode warna agar mudah diidentifikasi dan mudah dihubungkan. Pada saat yang sama, praktis untuk masa depan agar tidak tersesat dalam jalinan kabel yang seragam. Akhirnya, mereka diamankan secara mekanis dengan ikatan kabel plastik.

Langkah 9: PCB

Karena bagian dari diagram yang berada di luar panel tidak luas, saya memutuskan untuk membuat rangkaian pada PCB universal. Saya menggunakan pcb biasa berukuran 9x15 cm. Saya menempatkan kapasitor input bersama dengan regulator linier dan heatsink di sisi kiri. Selanjutnya, saya memasang soket untuk IC 555, penghitung 4017 dan driver ULN2003. Soket untuk pencacah 4017 akan tetap kosong karena fungsinya diambil alih oleh arduino. Di bagian bawah ada driver untuk N-channel MOSFET F630.

Langkah 10: Arduino

Koneksi sistem dengan arduino didokumentasikan dalam lembar skema nr. 4. susunan pin berikut digunakan:

• 3 input digital untuk sakelar DIP - D2, D3, D12
• 4 output digital untuk indikator LED - D4, D5, D6, D7
• 4 output digital untuk driver stepper - D8, D9, D10, D11
• Satu input analog untuk potensiometer - A0

Indikator LED yang mewakili belitan motor individu, menyala perlahan daripada belitan yang benar-benar bertenaga. Jika kecepatan berkedip LED sesuai dengan belitan motor, kita akan melihatnya sebagai penerangan terus menerus dari semuanya. Saya ingin mencapai representasi sederhana yang jelas dan perbedaan antara mode individu. Oleh karena itu, indikator LED dikontrol secara independen pada interval 400 ms.

Fungsi untuk mengendalikan motor stepper dibuat oleh penulis Cornelius di blognya.

Langkah 11: Perakitan dan Pengujian

Akhirnya, saya menghubungkan semua panel ke PCB dan mulai menguji tester. Saya mengukur osilator dan rentangnya dengan osiloskop, serta kontrol frekuensi dan siklus kerja. Saya tidak punya masalah besar, satu-satunya perubahan yang saya buat adalah menambahkan kapasitor keramik secara paralel ke kapasitor elektrolit input. Kapasitor tambahan memberikan redaman gangguan frekuensi tinggi yang dimasukkan ke dalam sistem oleh elemen parasit dari kabel adaptor DC. Semua fungsi penguji berfungsi sesuai kebutuhan.

Langkah 12: Keluar

Sekarang saya akhirnya bisa menguji semua motor yang berhasil saya selamatkan selama bertahun-tahun.

Jika Anda tertarik dengan teori, skema, atau apa pun tentang penguji, jangan ragu untuk menghubungi saya.

Terima kasih telah membaca dan waktu Anda. Tetap sehat dan aman.