เครื่องทดสอบ DC และ Stepper Motor: 12 ขั้นตอน (พร้อมรูปภาพ)

2024 ผู้เขียน: John Day | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-01-30 13:03

เมื่อสองสามเดือนก่อน เพื่อนของฉันได้มอบเครื่องพิมพ์อิงค์เจ็ตและเครื่องถ่ายเอกสารที่ใช้แล้วทิ้งให้ฉันสองสามเครื่อง ฉันสนใจที่จะเก็บเกี่ยวหน่วยแหล่งพลังงาน สายเคเบิล เซ็นเซอร์ และโดยเฉพาะมอเตอร์ ฉันกู้คืนสิ่งที่ฉันทำได้และต้องการทดสอบชิ้นส่วนทั้งหมดเพื่อให้แน่ใจว่าใช้งานได้จริง มอเตอร์บางตัวได้รับการจัดอันดับที่ 12V บางตัวที่ 5V บางตัวเป็นสเต็ปเปอร์และบางตัวเป็นมอเตอร์กระแสตรง ถ้าฉันมีแค่อุปกรณ์ที่สามารถเชื่อมต่อมอเตอร์ ตั้งค่าความถี่ รอบการทำงาน และเลือกวิธีการก้าวเพื่อทดสอบได้

ฉันตัดสินใจสร้างมันโดยไม่ต้องใช้ตัวประมวลผลสัญญาณดิจิตอลหรือไมโครคอนโทรลเลอร์ 555 หรือ tl741 ที่อ่อนน้อมถ่อมตนเป็นออสซิลเลเตอร์ 4017 เคาน์เตอร์และลอจิกเกตมากมายสำหรับโหมดสเต็ปเปอร์มอเตอร์ ตอนแรกฉันสนุกมากๆ กับการออกแบบวงจร รวมถึงการออกแบบแผงด้านหน้าของอุปกรณ์ด้วย ฉันพบกล่องชาไม้อย่างดีสำหรับใส่ทุกอย่างไว้ข้างใน ฉันได้แบ่งวงจรออกเป็นสี่ส่วนและเริ่มทดสอบบนเขียงหั่นขนม ในไม่ช้าสัญญาณแรกของความคับข้องใจก็ปรากฏขึ้น มันเป็นระเบียบ ประตูจำนวนมาก ไอซีจำนวนมาก สายไฟ มันทำงานไม่ถูกต้องและฉันกำลังคิดอยู่ระหว่างสองตัวเลือก: เพื่อให้ง่ายมากๆ - สำหรับมอเตอร์กระแสตรงเท่านั้น หรือวางไว้ข้าง ๆ แล้วเสร็จในบางครั้งในภายหลัง … ฉันเลือกตัวเลือกที่สอง

ขั้นตอนที่ 1: ทฤษฎีการควบคุม DC และ Stepper

มอเตอร์กระแสตรง

วิธีที่ใช้กันทั่วไปในการควบคุมมอเตอร์กระแสตรงคือผ่านมอดูเลตความกว้างพัลส์ (PWM) ที่เรียกว่า PWM ถูกนำไปใช้กับสวิตช์เฉพาะและเปิดและปิดมอเตอร์ ในภาพ คุณสามารถเห็นระยะเวลาการสลับที่ระบุและความสัมพันธ์กับความถี่ เวลาเปลี่ยนจะถูกระบุด้วย รอบการทำงานถูกกำหนดให้เป็นเวลาเปลี่ยนหารด้วยระยะเวลาทั้งหมด หากเรารักษาความถี่ให้คงที่ วิธีเดียวที่จะเปลี่ยนรอบการทำงานคือเปลี่ยนเวลาให้ตรง ด้วยการเพิ่มรอบการทำงาน ค่าเฉลี่ยของแรงดันไฟฟ้าที่ใช้กับมอเตอร์ก็เพิ่มขึ้นเช่นกัน เนื่องจากแรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้น กระแสที่สูงขึ้นจะไหลผ่านมอเตอร์กระแสตรงและโรเตอร์หมุนเร็วขึ้น

แต่จะเลือกความถี่อะไร? เพื่อตอบคำถามนี้ เรามาดูรายละเอียดกันดีกว่าว่าจริง ๆ แล้วมอเตอร์กระแสตรงคืออะไร ในทำนองเดียวกัน มันสามารถอธิบายได้ว่าเป็นตัวกรอง RL (ละเลย EMF กลับชั่วขณะหนึ่ง) หากใช้แรงดันไฟฟ้ากับมอเตอร์ (ตัวกรอง RL) กระแสจะเพิ่มขึ้นด้วยค่าคงที่เวลา tau ที่เท่ากับ L / R ในกรณีของการควบคุม PWM เมื่อปิดสวิตช์กระแสไฟที่ไหลผ่านมอเตอร์จะเพิ่มขึ้นและ ลดลงในช่วงเวลาที่ปิดสวิตช์ ณ จุดนี้ กระแสมีทิศทางเดิมและไหลผ่านฟลายแบ็คไดโอด มอเตอร์ที่มีกำลังสูงจะมีค่าความเหนี่ยวนำสูงกว่า ดังนั้นจึงมีค่าคงที่เวลาสูงกว่ามอเตอร์ขนาดเล็ก หากความถี่ต่ำเมื่อขับเคลื่อนมอเตอร์ขนาดเล็ก กระแสไฟจะลดลงอย่างรวดเร็วในช่วงเวลาปิดสวิตช์ ตามด้วยการเพิ่มขึ้นอย่างมากในช่วงเวลาเปิดเครื่อง ระลอกปัจจุบันนี้ยังทำให้แรงบิดของมอเตอร์กระเพื่อม เราไม่ต้องการสิ่งนั้น ดังนั้นเมื่อจ่ายไฟให้กับมอเตอร์ขนาดเล็ก ความถี่ PWM ควรสูงขึ้น เราจะใช้ความรู้นี้ในการออกแบบในขั้นตอนต่อไป

สเต็ปเปอร์มอเตอร์

หากเราต้องการควบคุมสเต็ปเปอร์มอเตอร์แบบ unipolar ที่ใช้ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับงานอดิเรก เรามีตัวเลือกการควบคุมพื้นฐาน 3 แบบ (โหมด) - Wave drive (WD), Half Step (HS) และ Full Step (FS) ลำดับของแต่ละโหมดและตำแหน่งของโรเตอร์แสดงอยู่ในรูปภาพ (เพื่อความเรียบง่าย ฉันได้ระบุมอเตอร์ที่มีเสาสองคู่) ในกรณีนี้ Wave Drive และ Full Step ทำให้โรเตอร์หมุน 90 องศา และสามารถทำได้โดยทำซ้ำ 4 สถานะ ในโหมด Half Step เราจำเป็นต้องมีลำดับ 8 สถานะ

ทางเลือกของโหมดขึ้นอยู่กับความต้องการของระบบ - หากเราต้องการแรงบิดขนาดใหญ่ ทางเลือกที่ดีที่สุดคือ Full Step หากแรงบิดที่ต่ำกว่าเพียงพอและบางทีเราอาจจ่ายไฟให้กับวงจรของเราจากแบตเตอรี่ โหมดขับเคลื่อนด้วยคลื่นก็เป็นตัวเลือกที่ดีกว่า ในการใช้งานที่ต้องการความละเอียดเชิงมุมสูงสุดและการเคลื่อนไหวที่ราบรื่นที่สุด โหมด Half Drive เป็นตัวเลือกที่เหมาะสมที่สุด แรงบิดในโหมดนี้ต่ำกว่าในโหมด Full Drive ประมาณ 30%

ขั้นตอนที่ 2: แผนภาพวงจร

มีมง่ายๆ นี้อธิบายกระบวนการคิดของฉันได้อย่างเหมาะสมระหว่างการออกแบบ

ส่วนบนของไดอะแกรมอธิบายแหล่งจ่ายไฟ - อะแดปเตอร์ 12 โวลต์ซึ่งลดลงเหลือ 5 โวลต์โดยตัวควบคุมเชิงเส้น ฉันต้องการเลือกแรงดันทดสอบสูงสุดของมอเตอร์ (MMTV) - 12 หรือ 5 โวลต์ แอมมิเตอร์ในตัวจะข้ามวงจรควบคุมและวัดเฉพาะกระแสของมอเตอร์เท่านั้น นอกจากนี้ยังสะดวกที่จะสลับไปมาระหว่างการวัดกระแสภายในและภายนอกโดยใช้มัลติมิเตอร์

ออสซิลเลเตอร์จะทำงานในสองโหมด: โหมดแรกคือความถี่คงที่และรอบหน้าที่ผันแปร และโหมดที่สองคือความถี่ผันแปร พารามิเตอร์ทั้งสองนี้สามารถตั้งค่าได้โดยใช้โพเทนชิโอมิเตอร์ และสวิตช์แบบหมุนหนึ่งตัวจะเป็นโหมดและช่วงการสลับ ระบบจะรวมสวิตช์ระหว่างนาฬิกาภายในและภายนอกผ่านขั้วต่อแจ็ค 3.5 มม. นาฬิกาภายในจะเชื่อมต่อกับแผงควบคุมผ่านแจ็ค 3.5 มม. หนึ่งสวิตช์และปุ่มเพื่อเปิด/ปิดนาฬิกา ตัวขับมอเตอร์กระแสตรงจะเป็นตัวขับมอสเฟต N-channel แบบเดี่ยว ทิศทางจะเปลี่ยนโดยใช้สวิตช์ dpdt เชิงกล ขั้วมอเตอร์จะเชื่อมต่อผ่านแจ็คกล้วย

ลำดับของสเต็ปเปอร์มอเตอร์จะถูกควบคุมโดย Arduino ซึ่งจะรับรู้ 3 โหมดการควบคุมที่ระบุโดยสวิตช์จุ่ม ไดรเวอร์ของสเต็ปเปอร์มอเตอร์จะเป็น uln2003 Arduino จะควบคุม LED 4 ดวงซึ่งจะแสดงภาพเคลื่อนไหวของขดลวดมอเตอร์ที่ขับเคลื่อนด้วยในโหมดเหล่านี้ สเต็ปเปอร์มอเตอร์จะเชื่อมต่อกับเครื่องทดสอบผ่านซ็อกเก็ต ZIF

ขั้นตอนที่ 3: แผนผัง

แผนผังแบ่งออกเป็นห้าส่วน วงจรที่อยู่ในกรอบสีน้ำเงินแสดงถึงส่วนประกอบที่จะอยู่บนแผงควบคุม

1. พาวเวอร์ซัพพลาย
2. ออสซิลเลเตอร์
3. ไดร์เวอร์ DC
4. ไดร์เวอร์ Arduino Stepper
5. ลอจิกเกตส์ Stepper Driver

แผ่นหมายเลข 5 เป็นเหตุผลที่ฉันออกจากโครงการนี้โดยโกหก วงจรเหล่านี้สร้างลำดับสำหรับโหมดควบคุมที่กล่าวถึงก่อนหน้านี้ - WD, HS และ FS ส่วนนี้ถูกแทนที่ด้วย arduino อย่างสมบูรณ์ในแผ่น nr 4. แนบแผนผัง Eagle ที่สมบูรณ์ด้วย

ขั้นตอนที่ 4: ส่วนประกอบและเครื่องมือที่จำเป็น

ส่วนประกอบและเครื่องมือที่จำเป็น:

• มัลติมิเตอร์
• คาลิปเปอร์
• เครื่องตัดกระดาษแข็ง
• เครื่องหมาย
• แหนบ
• คีมปากแหลม
• คีมตัด
• คีมปอกสายไฟ
• หัวแร้ง
• ประสาน
• Colophony
• สายไฟ (24 awg)
• สวิตช์ spdt 4x
• สวิตช์ dpdt 2x
• แจ็คกล้วย 4x
• ปุ่มกด
• ซ็อกเก็ต ZIF
• แจ็ค 2x 3.5 มม.
• ขั้วต่อ DC
• Arduino นาโน
• สวิตช์ DIP 3 ขั้ว
• 2x3 มม. LED
• LED 5x 5 มม.
• LED สองสี
• ลูกบิดโพเทนชิออมิเตอร์
• ซ็อกเก็ต DIP
• PCB สากล
• ขั้วต่อดูปองท์
• สายรัดพลาสติก

และ

• โพเทนชิโอมิเตอร์
• ตัวต้านทาน
• ตัวเก็บประจุ

ด้วยค่าที่คุณเลือก ซึ่งสอดคล้องกับช่วงความถี่และความสว่างของ LED

ขั้นตอนที่ 5: การออกแบบแผงด้านหน้า

ผู้ทดสอบวางในกล่องชาไม้เก่า ขั้นแรก ฉันวัดขนาดภายในแล้วจึงตัดสี่เหลี่ยมผืนผ้าออกจากกระดาษแข็ง ซึ่งทำหน้าที่เป็นแม่แบบสำหรับการจัดวางส่วนประกอบ เมื่อฉันพอใจกับการจัดวางชิ้นส่วน ฉันวัดแต่ละตำแหน่งอีกครั้งและสร้างการออกแบบแผงใน Fusion360 ฉันแบ่งแผงหน้าจอออกเป็น 3 ส่วนเล็กๆ เพื่อความง่ายในการพิมพ์ 3 มิติ ฉันยังออกแบบตัวยึดรูปตัว L สำหรับยึดแผงเข้ากับด้านในของกล่องด้วย

ขั้นตอนที่ 6: การพิมพ์ 3 มิติและการพ่นสี

แผงถูกพิมพ์โดยใช้เครื่องพิมพ์ Ender-3 จากวัสดุที่เหลือที่บ้าน มันเป็นสัตว์เลี้ยงสีชมพูใส หลังจากพิมพ์ ฉันพ่นแผงและที่ยึดด้วยสีอะครีลิคสีดำด้าน เพื่อความครอบคลุมทั้งหมด ฉันทา 3 ชั้น วางไว้ข้างนอกสองสามชั่วโมงเพื่อให้แห้งและระบายอากาศประมาณครึ่งวัน ระวัง ควันสีอาจเป็นอันตรายได้ ใช้เฉพาะในห้องที่มีอากาศถ่ายเทเท่านั้น

ขั้นตอนที่ 7: การเดินสายไฟแผง

โดยส่วนตัวแล้ว ฉันชอบ แต่ส่วนที่ใช้เวลานานที่สุด (ฉันขอโทษล่วงหน้าที่ไม่ได้ใช้ท่อหด ฉันอยู่ในภาวะวิกฤติ - ไม่อย่างนั้นฉันจะใช้มันแน่นอน)

ขายึดแบบปรับได้ช่วยได้มากเมื่อติดตั้งและจัดการแผง นอกจากนี้ยังสามารถใช้มือที่สามที่เรียกว่าได้ แต่ฉันชอบที่ยึด ฉันคลุมที่จับด้วยผ้าสิ่งทอเพื่อไม่ให้แผงเป็นรอยขีดข่วนระหว่างทำงาน

ฉันเสียบและขันสวิตช์และโพเทนชิโอมิเตอร์ ไฟ LED และขั้วต่ออื่นๆ ทั้งหมดลงในแผงแล้ว ต่อจากนี้ ฉันประเมินความยาวของสายไฟที่จะเชื่อมต่อส่วนประกอบต่างๆ บนแผงควบคุมและสายที่จะใช้เชื่อมต่อกับ pcb สิ่งเหล่านี้มักจะใช้เวลานานกว่าเล็กน้อยและควรขยายอีกเล็กน้อย

ฉันมักจะใช้ฟลักซ์บัดกรีเหลวเมื่อทำการบัดกรีคอนเนคเตอร์ ฉันใช้จำนวนเล็กน้อยกับพินแล้วดีบุกแล้วเชื่อมต่อกับลวด ฟลักซ์ขจัดโลหะออกซิไดซ์ออกจากพื้นผิว ทำให้บัดกรีข้อต่อได้ง่ายขึ้นมาก

ขั้นตอนที่ 8: ตัวเชื่อมต่อแผงบอร์ด

ในการเชื่อมต่อพาเนลกับ pcb ฉันใช้ตัวเชื่อมต่อแบบดูปองท์ มีจำหน่ายทั่วไป ราคาถูก และที่สำคัญที่สุด มีขนาดเล็กพอที่จะใส่ลงในกล่องที่เลือกได้อย่างสบาย สายเคเบิลถูกจัดเรียงตามแบบแผน เป็นคู่ แฝดสามหรือสี่เท่า มีรหัสสีเพื่อให้สามารถระบุได้ง่ายและเชื่อมต่อได้ง่าย ในขณะเดียวกันก็เป็นประโยชน์สำหรับอนาคตที่จะไม่หลงทางในสายไฟที่พันกัน ในที่สุด พวกเขาจะยึดด้วยกลไกด้วยสายรัดพลาสติก

ขั้นตอนที่ 9: PCB

เนื่องจากส่วนของไดอะแกรมที่อยู่นอกแผงนั้นไม่กว้างขวาง ฉันจึงตัดสินใจสร้างวงจรบน pcb สากล ฉันใช้ pcb ขนาด 9x15 ซม. ปกติ ฉันวางตัวเก็บประจุอินพุตพร้อมกับตัวควบคุมเชิงเส้นและฮีทซิงค์ทางด้านซ้าย ต่อจากนั้น ฉันติดตั้งซ็อกเก็ตสำหรับตัวนับ IC 555, 4017 และไดรเวอร์ ULN2003 ซ็อกเก็ตสำหรับตัวนับ 4017 จะยังคงว่างอยู่เนื่องจาก Arduino ทำหน้าที่แทน ส่วนล่างมีไดรเวอร์สำหรับ N-channel mosfet F630

ขั้นตอนที่ 10: Arduino

การเชื่อมต่อของระบบกับ Arduino ได้รับการบันทึกไว้ในเอกสารแผนผัง nr 4. ใช้การจัดเรียงพินต่อไปนี้:

• อินพุตดิจิตอล 3 ช่องสำหรับสวิตช์ DIP - D2, D3, D12
• เอาต์พุตดิจิตอล 4 ช่องสำหรับไฟแสดงสถานะ LED - D4, D5, D6, D7
• เอาต์พุตดิจิตอล 4 ช่องสำหรับไดรเวอร์ stepper - D8, D9, D10, D11
• หนึ่งอินพุตแบบอะนาล็อกสำหรับโพเทนชิออมิเตอร์ - A0

ไฟ LED ที่แสดงถึงขดลวดของมอเตอร์แต่ละตัว สว่างช้ากว่าที่จ่ายไฟจริงของขดลวด หากความเร็วของไฟ LED กะพริบสอดคล้องกับขดลวดของมอเตอร์ เราจะเห็นว่ามันเป็นการส่องสว่างอย่างต่อเนื่องของพวกมันทั้งหมด ฉันต้องการได้ภาพที่ชัดเจนและความแตกต่างระหว่างแต่ละโหมด ดังนั้น ไฟ LED จึงถูกควบคุมอย่างอิสระที่ช่วง 400 ms

ฟังก์ชันสำหรับควบคุมสเต็ปเปอร์มอเตอร์ถูกสร้างขึ้นโดยผู้เขียน Cornelius ในบล็อกของเขา

ขั้นตอนที่ 11: การประกอบและการทดสอบ

ในที่สุด ฉันเชื่อมต่อพาเนลทั้งหมดกับ pcb และเริ่มทดสอบผู้ทดสอบ ฉันวัดออสซิลเลเตอร์และพิสัยของมันด้วยออสซิลโลสโคป เช่นเดียวกับการควบคุมความถี่และรอบการทำงาน ฉันไม่มีปัญหาอะไรมาก การเปลี่ยนแปลงอย่างเดียวที่ฉันทำคือเพิ่มตัวเก็บประจุเซรามิกขนานกับตัวเก็บประจุอิเล็กโทรไลต์อินพุต ตัวเก็บประจุที่เพิ่มเข้ามาช่วยลดทอนสัญญาณรบกวนความถี่สูงที่นำเข้าสู่ระบบโดยองค์ประกอบที่เป็นกาฝากของสายอะแดปเตอร์ DC ฟังก์ชันทดสอบทั้งหมดทำงานตามต้องการ

ขั้นตอนที่ 12: Outro

ในที่สุด ตอนนี้ฉันก็สามารถทดสอบมอเตอร์ทั้งหมดที่ฉันจัดการเพื่อกอบกู้มาหลายปีได้แล้ว

หากคุณสนใจในทฤษฎี โครงร่าง หรืออะไรก็ตามเกี่ยวกับผู้ทดสอบ อย่าลังเลที่จะติดต่อฉัน

ขอบคุณสำหรับการอ่านและเวลาของคุณ มีสุขภาพดีและปลอดภัย