جهاز اختبار DC و Stepper Motor: 12 خطوة (مع صور)

2024 مؤلف: John Day | [email protected]. آخر تعديل: 2024-01-30 07:37

قبل بضعة أشهر ، أعطاني صديق لي عددًا من طابعات نفث الحبر وآلات نسخ مهملة. كنت مهتمًا بحصاد وحدات مصدر الطاقة والكابلات وأجهزة الاستشعار وخاصة المحركات. لقد أنقذت ما استطعت وأردت اختبار جميع الأجزاء للتأكد من أنها تعمل. تم تصنيف بعض المحركات عند 12 فولت ، وبعضها عند 5 فولت ، وكان البعض الآخر عبارة عن محركات متدرجة والبعض الآخر كان محركات التيار المستمر. إذا كان لدي جهاز فقط ، حيث يمكنني ببساطة توصيل المحرك ، وتعيين التردد ودورة العمل وتحديد طريقة التدرج لاختبارها.

قررت أن أبنيها بدون استخدام معالج إشارة رقمي أو متحكم دقيق. المتواضع 555 أو TL741 كمذبذب ، عداد 4017 والعديد من البوابات المنطقية لأنماط المحركات السائر. في البداية كان لدي الكثير من المرح في تصميم الدائرة ، وكذلك تصميم اللوحة الأمامية للجهاز. لقد وجدت صندوق شاي خشبي لائق لوضع كل شيء بالداخل. لقد قسمت الدوائر إلى أربعة أجزاء وبدأت في اختبارها على لوح التجارب. سرعان ما ظهرت أولى علامات الإحباط. كانت الفوضى. الكثير من البوابات ، الكثير من الدوائر المتكاملة ، الأسلاك. لم يعمل بشكل صحيح وكنت أفكر بين خيارين: لجعله بسيطًا للغاية - فقط لمحركات التيار المستمر ، أو وضعه جانبًا وإنهائه في بعض الأحيان لاحقًا … اخترت الخيار الثاني.

الخطوة 1: نظرية التحكم في التيار المستمر والخطوة

محرك بتيار مستمر

الطريقة الأكثر شيوعًا للتحكم في محرك التيار المستمر هي من خلال ما يسمى بتعديل عرض النبضة (PWM). يتم تطبيق PWM على مفتاح معين ويقوم بتشغيل وإيقاف المحرك. في الصورة يمكنك رؤية فترة التبديل المشار إليها وعلاقتها بالتردد ، كما يشار إلى وقت التبديل. تعرف دورة الخدمة بأنها وقت التبديل مقسومًا على الفترة الإجمالية. إذا أبقينا التردد ثابتًا ، فإن الطريقة الوحيدة لتغيير دورة العمل هي تغيير الوقت في الوقت المحدد. من خلال زيادة دورة التشغيل ، تزداد أيضًا القيمة المتوسطة للجهد المطبق على المحرك. نظرًا لارتفاع الجهد ، يتدفق تيار أعلى عبر محرك التيار المستمر ويدور الدوار بشكل أسرع.

لكن ما التردد للاختيار؟ للإجابة على هذا السؤال ، دعنا نلقي نظرة فاحصة على ماهية محرك التيار المستمر في الواقع. بالتساوي ، يمكن وصفه بأنه مرشح RL (تجاهل EMF الخلفي للحظة فقط). إذا تم تطبيق جهد على المحرك (مرشح RL) ، فإن التيار يزداد مع ثابت الوقت tau الذي يساوي L / R. في حالة التحكم في PWM ، عند إغلاق المفتاح ، يزداد التيار المتدفق عبر المحرك و ينخفض خلال الوقت الذي يكون فيه المفتاح مغلقًا. في هذه المرحلة ، يكون للتيار نفس الاتجاه كما كان من قبل ويتدفق عبر الصمام الثنائي flyback. تتميز المحركات ذات القدرة الأعلى بمحاثة أعلى وبالتالي فهي ذات وقت ثابت أعلى من المحركات الأصغر. إذا كان التردد منخفضًا عند تشغيل المحرك الصغير ، فهناك انخفاض سريع في التيار أثناء وقت إيقاف التشغيل ، متبوعًا بزيادة كبيرة أثناء وقت التشغيل. يتسبب هذا التموج الحالي أيضًا في تموج عزم دوران المحرك. لا نريد ذلك. لذلك ، عند تشغيل محركات أصغر ، يجب أن يكون تردد PWM أعلى. سنستخدم هذه المعرفة في التصميم في خطوات لاحقة.

السائر المحركات

إذا أردنا التحكم في محرك متدرج أحادي القطب ، يُستخدم في إلكترونيات الهوايات ، فلدينا خيار من 3 خيارات تحكم أساسية (أوضاع) - محرك الموجة (WD) ، ونصف الخطوة (HS) والخطوة الكاملة (FS). يشار إلى تسلسل الأوضاع الفردية وموضع الدوار في الشكل (للتبسيط ، أشرت إلى محرك به زوجين من الأعمدة). في هذه الحالة ، يتسبب Wave Drive و Full Step في دوران الدوار 90 درجة ويمكن تحقيقه بتكرار 4 حالات. في وضع نصف الخطوة ، نحتاج إلى سلسلة من 8 حالات.

يعتمد اختيار الوضع على متطلبات النظام - إذا احتجنا إلى عزم دوران كبير ، فإن الخيار الأفضل هو Full Step ، إذا كان عزم دوران أقل كافيًا وربما نقوم بتشغيل دارتنا من البطارية ، يفضل وضع محرك الموجة. في التطبيقات التي نريد فيها تحقيق أعلى دقة زاويّة وحركة سلسة ، يُعد وضع Half Drive خيارًا مثاليًا. يكون عزم الدوران في هذا الوضع أقل بنسبة 30٪ تقريبًا من وضع القيادة الكاملة.

الخطوة 2: مخطط الدائرة

تصف هذه الميم البسيطة بشكل مناسب عملية تفكيري أثناء التصميم.

يصف الجزء العلوي من الرسم التخطيطي مصدر الطاقة - محول 12 فولت ، والذي يتم تقليله إلى 5 فولت بواسطة منظم خطي. أردت أن أكون قادرًا على اختيار أقصى جهد اختبار للمحرك (MMTV) - إما 12 أو 5 فولت. سوف يتجاوز مقياس التيار الداخلي دوائر التحكم ويقيس تيار المحرك فقط. سيكون من الملائم أيضًا أن تكون قادرًا على التبديل بين قياس التيار الداخلي والخارجي باستخدام مقياس متعدد.

سيعمل المذبذب في وضعين: الأول هو تردد ثابت ودورة عمل متغيرة ، والثاني هو تردد متغير. يمكن ضبط كل من هذه المعلمات باستخدام مقاييس الجهد ، وسوف يقوم مفتاح دوار واحد بتبديل الأوضاع والنطاقات. سيشمل النظام أيضًا مفتاحًا بين الساعة الداخلية والخارجية عبر موصل مقبس مقاس 3.5 ملم. سيتم أيضًا توصيل الساعة الداخلية باللوحة عبر مقبس مقاس 3.5 ملم. مفتاح واحد وزر لتمكين / تعطيل الساعة. سيكون سائق محرك التيار المستمر سائق mosfet رباعي N- قناة. سيتم تغيير الاتجاه باستخدام مفتاح dpdt الميكانيكي. سيتم توصيل وصلات المحرك عبر مقابس الموز.

سيتم التحكم في تسلسل محرك السائر بواسطة اردوينو ، والذي سيتعرف أيضًا على 3 أوضاع تحكم محددة بواسطة مفتاح dip. سيكون سائق محرك السائر uln2003. سيتحكم Arduino أيضًا في 4 مصابيح LED تمثل الرسوم المتحركة لملفات المحرك التي تعمل بالطاقة في هذه الأوضاع. سيتم توصيل محرك السائر بجهاز الاختبار عبر مقبس ZIF.

الخطوة 3: المخططات

الخطط مقسمة إلى خمسة أجزاء. تمثل الدوائر المؤطرة في مربعات زرقاء المكونات التي ستكون على اللوحة.

1. مزود الطاقة
2. مذبذب
3. سائق DC
4. اردوينو السائر سائق
5. المنطق بوابات السائر سائق

ورقة عدد. 5 هو سبب ترك هذا المشروع كاذبًا. تشكل هذه الدوائر تسلسلات لأنماط التحكم المذكورة سابقًا - WD و HS و FS. تم استبدال هذا الجزء بـ arduino بالكامل في الورقة nr. 4. يتم إرفاق مخططات النسر الكاملة أيضًا.

الخطوة 4: المكونات والأدوات الضرورية

المكونات والأدوات اللازمة:

• المقياس المتعدد
• الفرجار
• قطع الكرتون
• علامة
• ملاقيط
• كماشة جميلة
• كماشة القطع
• كماشة تجريد الأسلاك
• لحام حديد
• جندى
• كولوفوني
• الأسلاك (24 AWG)
• 4x spdt التبديل
• 2x dpdt التبديل
• 4x موز جاك
• اضغط الزر
• مقبس ZIF
• مقبس 2x 3.5 ملم
• موصل DC
• اردوينو نانو
• مفتاح DIP ثلاثي الأقطاب
• 2x 3 مم LED
• 5x 5 مم LED
• ثنائي اللون LED
• مقابض الجهد
• مآخذ DIP
• عالمي ثنائي الفينيل متعدد الكلور
• موصلات دوبونت
• روابط الكابلات البلاستيكية

و

• مقاييس الجهد
• المقاومات
• المكثفات

مع القيم التي اخترتها ، والتي تتوافق مع نطاقات التردد وسطوع المصابيح.

الخطوة 5: تصميم اللوحة الأمامية

تم وضع جهاز الاختبار في علبة شاي خشبية قديمة. أولاً ، قمت بقياس الأبعاد الداخلية ثم قمت بقص مستطيل من الورق المقوى الصلب ، والذي كان بمثابة قالب لوضع المكونات. عندما كنت سعيدًا بوضع الأجزاء ، قمت بقياس كل موضع مرة أخرى وقمت بتصميم لوحة في Fusion360. قسمت اللوحة إلى 3 أجزاء أصغر ، من أجل التبسيط في الطباعة ثلاثية الأبعاد. لقد صممت أيضًا حاملًا على شكل حرف L لتثبيت الألواح على الجوانب الداخلية للصندوق.

الخطوة 6: الطباعة ثلاثية الأبعاد والرسم بالرش

تمت طباعة الألواح باستخدام طابعة Ender-3 ، من المواد المتبقية التي أمتلكها في المنزل. كان حيوان أليف وردي شفاف. بعد الطباعة ، قمت برش الألواح والحوامل بطلاء أكريليك أسود غير لامع. للحصول على تغطية كاملة ، قمت بتطبيق 3 طبقات ، ووضعتها في الخارج لبضع ساعات حتى تجف وتهوي لمدة نصف يوم تقريبًا. كن حذرا ، أبخرة الطلاء يمكن أن تكون ضارة. استخدمها دائمًا فقط في غرفة جيدة التهوية.

الخطوة 7: لوحة الأسلاك

أنا شخصياً ، الجزء المفضل لدي ، ولكنه الجزء الأكثر استنفادًا للوقت (أعتذر مقدمًا لعدم استخدام أنابيب الانكماش ، كنت في أزمة زمنية - وإلا كنت سأستخدمها بالتأكيد).

تساعد الأقواس القابلة للتعديل كثيرًا عند تركيب اللوحات والتعامل معها. من الممكن أيضًا استخدام ما يسمى باليد الثالثة ، لكنني أفضل حاملها. غطيت مقابضها بقطعة قماش حتى لا تتعرض اللوحة للخدش أثناء العمل.

لقد قمت بإدخال وفك جميع المفاتيح ومقاييس الجهد ومصابيح LED والموصلات الأخرى في اللوحة. بعد ذلك ، قمت بتقدير طول الأسلاك التي ستربط المكونات الموجودة على اللوحة وكذلك تلك التي سيتم استخدامها للاتصال بلوحة الدوائر المطبوعة. تميل هذه إلى أن تكون أطول قليلاً ومن الجيد تمديدها قليلاً.

أنا دائمًا ما أستخدم تدفق اللحام السائل عند موصلات اللحام. أضع كمية صغيرة على الدبوس ثم قصدير وأوصله بالسلك. يزيل التدفق أي معدن مؤكسد من الأسطح ، مما يجعل لحام المفصل أسهل بكثير.

الخطوة 8: موصلات لوحة اللوحة

لتوصيل اللوحة بجهاز ثنائي الفينيل متعدد الكلور ، استخدمت موصلات نوع دوبونت. إنها متوفرة على نطاق واسع ورخيصة ، والأهم من ذلك أنها صغيرة بما يكفي لتناسب الصندوق المختار بشكل مريح. يتم ترتيب الكابلات وفقًا للمخطط ، في أزواج أو ثلاثة توائم أو أربع توائم. يتم تمييزها بالألوان بحيث يسهل التعرف عليها ويسهل الاتصال بها. في الوقت نفسه ، من العملي ألا يضيع المستقبل في تشابك موحد من الأسلاك. أخيرًا ، يتم تأمينها ميكانيكيًا برباط كبل بلاستيكي.

الخطوة 9: ثنائي الفينيل متعدد الكلور

نظرًا لأن جزء الرسم التخطيطي الموجود خارج اللوحة ليس واسع النطاق ، فقد قررت إنشاء دائرة على ثنائي الفينيل متعدد الكلور عالمي. لقد استخدمت ثنائي الفينيل متعدد الكلور عادي 9x15 سم. لقد وضعت مكثفات الإدخال مع المنظم الخطي والمبدد الحراري على الجانب الأيسر. بعد ذلك ، قمت بتثبيت مآخذ توصيل لـ IC 555 و 4017 و ULN2003 driver. سيظل مقبس العداد 4017 فارغًا حيث تتولى اردوينو وظيفته. يوجد في الجزء السفلي برنامج تشغيل لقناة N-channel mosfet F630.

الخطوة 10: اردوينو

تم توثيق اتصال النظام بالاردوينو في صحيفة المخططات العددية. 4. تم استخدام الترتيب التالي للمسامير:

• 3 مداخل رقمية لمفتاح DIP - D2 ، D3 ، D12
• 4 مخرجات رقمية لمؤشرات LED - D4 ، D5 ، D6 ، D7
• 4 مخرجات رقمية لمحرك السائر - D8 ، D9 ، D10 ، D11
• مدخل تناظري واحد لمقياس الجهد - A0

مؤشرات LED التي تمثل لفات المحرك الفردية ، تضيء ببطء أكثر من تشغيل اللفات بالفعل. إذا كانت سرعة وميض مصابيح LED تتوافق مع لفات المحرك ، فسنرى أنها إضاءة مستمرة لكل منهم. أردت أن أحقق تمثيلًا بسيطًا وواضحًا والاختلافات بين الأوضاع الفردية. لذلك ، يتم التحكم في مؤشرات LED بشكل مستقل على فترات 400 مللي ثانية.

تم إنشاء وظائف التحكم في محرك السائر بواسطة المؤلف كورنيليوس على مدونته.

الخطوة 11: التجميع والاختبار

أخيرًا ، قمت بتوصيل جميع اللوحات بـ PCB وبدأت في اختبار جهاز الاختبار. قمت بقياس المذبذب ونطاقاته باستخدام راسم الذبذبات ، بالإضافة إلى التحكم في التردد ودورة العمل. لم يكن لدي أي مشاكل كبيرة ، كان التغيير الوحيد الذي قمت به هو إضافة مكثفات سيراميك بالتوازي مع مكثفات التحليل الكهربائي للإدخال. يوفر المكثف المضاف توهينًا للتداخل عالي التردد الذي يتم إدخاله في النظام بواسطة العناصر الطفيلية لكابل محول التيار المستمر. تعمل جميع وظائف المختبر على النحو المطلوب.

الخطوة 12: الخاتمة

الآن يمكنني أخيرًا اختبار جميع المحركات التي تمكنت من إنقاذها على مر السنين.

إذا كنت مهتمًا بالنظرية أو المخطط أو أي شيء يتعلق بالاختبار ، فلا تتردد في الاتصال بي.

شكرا للقراءة ووقتك. حافظ على صحتك وأمانك.