Borstlösa likströmsmotorer BLDC och stegmotorer är vanliga "ställdon" för inbyggd elektronik. Tänker Du göra ett program som styr sådana komponenter kan börja med att laborera och undersöka en BLDC motor från en diskettenhet. Laborerar Du i skolans labsal så finns det oscilloskop och andra mätinstrument på plats. Laborerar Du hemma kan Du behöva få låna en väska med en Fluke123 scopemeter.

"Hands On", givare och ställdon i en diskettenhet

Vad finns att se i en diskettenhet?

En diskettenhet är ju inte längre någon "het" spetsprodukt, men en sådan är ändå fullspäckad med intressanta givare och ställdon. Det kan därför vara värt att studera vad som finns inuti diskettenheten.

Man kan lugnt utgå från att skolan fått dom till ett "bra pris".
- Mycket sensorer för lite pengar ...

Diskettenheten består av ett metallchassie, ett kretskort, en pannkaksmotor, en stegmotor, magnetiskt tonhuvud mm.

Försöksutrustning

Pannkaksmotorn

Pannkaksmotorns blockdiagram. Trefaslindning, rotormagnet, Hallgivare, logiknät, kommutering - trefasspänning.

Magnetfältet från en trefaslindning vrider en rotormagnet. Tre Hallgivare indikerar rotorpositionen, och ett logiknät "beräknar" hela tiden "nästa" position. Matningsspänningen, en likspänning, "hackas" av sex switchar till den trefasliknande spänningen. Motorn kommer att rotera precis så snabbt att generatoremken i lindningen "matchar" trefasspänningen.

Kopplingsdäcket

Kretsschema

Inuti locket/rotorn finns en remsa av billig mångpolig magnettejp.

• Känn efter med nageln - det är en mjuk magnet av plastmaterial.

På kretskortet finns en trefaslindning. Tre st faslindningar är lindade runt de 12 utpräglade polerna. Trefaslindningen är 4-polig (12/3=4 dvs. två polpar N-S-N-S). Detta ger en elektrisk "nedväxling" av varvtalet i jämförelse med en tvåpolig motor (6/3=2 dvs. ett polpar N-S). Lindningarna är Y-kopplade.

• Y-kopplade lindningar har en gemensam ihopkopplingspunkt - sök efter denna. (Eventuellt gömd)
• Räkna de utpräglade polerna och övertyga dig om att lindningens poltal är 4.

Lindningens poltal

Mellan de utpräglade polerna finns tre Hallgivare.

• Sök reda på Hallgivarna. 120° eller 60° vinkel mellan givarna förekommer, vilken vinkel är det som används här?
• Lindningens polytor är kortare vid Hallgivarna än övriga polytor - gissa varför?

Induktiv pulsgivare - magnet på rotorn.

• Sök reda på den induktiva pulsgivaren på kretskortet - och motsvarande index-position med magnet på locket/rotorn.

Takometerlindning - för hastighetsreglering.

• Sök reda på takometerlindningen på kretskortet och övertyga dig om att den hamnar direkt under magnet-tejpen när motorn är ihopmonterad.
• Kan man se att lindningen i själva verket består av två del-lindningar i "anti"-serie?

Montera ihop motorn.

• Provkör motorn med knapparna EN FWD/REW BRAKE.

På kopplingsdäcket finns tre röda lysdioder som indikerar logiknivåerna från Hallgivarna, och tre tvåfärgs lysdioder röd/grön som indikerar trefasspänningarnas polaritet ( fasspänningen ). För trafasspänningen gäller det alltid att det är en utgång som är positiv, rött ljus, och en utgång som är negativ, grönt ljus, medan en tredje utgång är 0, avslagen.
Starta motorn med skjutströmställaren EN, men bromsa den med fingrarna.

• Tillåt motorn att ta steg för steg medan du fyller i kommuteringstabellen. ( sekvensen kommer att upprepa sig efter sex steg ).

• Byt riktning med skjutströmställaren FWD/REW ( och byt riktningen på de steg motorn tar ). Kontrollera om sekvensen nu följer den "omvända" ordningen i tabellen.

Hallgivare: röd="1"			Trefas: röd="+", grön="-", "0"
H1	H2	H3	OUT3	OUT2	OUT1

Detta är den "sanningstabell" som gör att motorstyrningskretsen "jagar" rotorn varvet runt, så fort som möjligt, fram eller back.

• Stoppa motorn med EN och vrid rotorn från index-magnetens läge ett helt varv. Följ någon (valfritt vilken) av Hallgivar-lysdioderna, och räkna antalet gånger den lyser per varv. Detta är magnetens "polpartal" (...-N-S-...).

Magnetens polpartal

Mätningar med Scopemeter Indexpulsen Kör motorn med EN. Studera pulsen från den induktiva givaren. "En per varv".

Scopemeter 123 manual

Hallspänningen Kör motorn med EN.

• Vilken kurvform har spänningen?
• Vilket effektiv-värde har spänningen? (VAC)
• Vilken frekvens har Hall-spänningen? (Hz)

• Bromsa motorn med fingrarna - påverkas amplituden ja/nej ?

Effektiv-värde	Frekvens
UAC [mV]	f [Hz]

• Motorns varvtal [varv/sek] får man genom att dividera  f  med magnetens polpartal.

Tako-spänning Kör motorn med EN.

I en diskettenhet är det viktigt att disketten snurrar med rätt hastighet, även om mekaniken skulle "kärva". Takometerfrekvensen visar hela tiden det ögonblickliga varvtalet.

• Vilken kurvform har spänningen?
• Vilket effektiv-värde har spänningen? (VAC)
• Vilken frekvens har Tako-spänningen? (Hz)

• Bromsa motorn med fingrarna - påverkas amplituden ja/nej ?

f  [Hz]

En fråga inställer sig. Varför har spänningen i tako-lindningen en helt annan frekvens än den från Hallgivaren?

Mer mätningar med Scopemeter

Motorns trefas-spänning Kör motorn med EN och studera en av spänningarna (huvudspänning).

• Växla mellan EN, STOP-RUN, och studera spänningen.
• Vilken verkan har BRAKE-knappen.

Med Scopemetern ser man pulserna som driver ström genom lindningarna, överlagrade med den spänning som induceras tillbaka i spolarna från den roterande magneten, generatoremken.
Slår man av spänningen till motorn med EN, ser man bara den sinusformade generatoremken.
Motorn antar det varvtal där generatoremk "matchar" spänningspulserna. Varvtalet blir proportionellt mot matningsspänningen precis som för en "vanlig" likströmsmotor.

(Motorkretsens strömbegränsning Kör motorn med EN.)

Motorstyrningskretsen har inbyggd strömbegränsning. (Vem skulle vilja vara utan den funktionen på en lab-utrustning?) Strömmen mäts med ett 1 Ohms motstånd, och när den når 1 A börjar kretsen att "hacka" för att hålla det maxvärdet.

• Bromsa/håll rotorn med fingrarna och studera strömbegränsningen.

(Scopemetern har ett strömmätningsområde för en 1 Ohm shunt, 1V/1A, som man skulle kunna använda för att mäta strömmen.)

Följa John ...

Slå dig ihop med en granngrupp. Dela kontakterna på regnbågskablarna (Brun/Röd/Orange/Gul/Grön) och koppla grannens Hallgivare till din motorstyrningskrets (lika färger till varandra). Låt båda kopplingsdäcken ha sina batterier inkopplade, Du har EN på, och grannen EN av.

• När grannen vrider sin rotor, så följer din med! (Dämpa din rotor lite med fingrarna så blir rörelsen stabilare).

Korsvis ...

Det är naturligtvis inte meningen att utrustningarna skall kopplas ihop korsvis, men Du kan självklart inte låta bli!

• Vad händer? Båda EN, och inställda för samma riktning respektive olika riktningar?

Koppla nu bort batterierna.

Försöksutrustning

Stegmotorn

Stegmotorn och pulsgivaren använder samma Gray-kod. De passar som "hand i handske" och kan därför kopplas mer eller mindre direkt till varandra.

Utförande

Stegmotorn

På diskettenheten finns en stegmotor som positionerar läs/skriv-huvudet till aktuellt spår på disketten.

Stegmotorn har utförts med många poler så att inte linjärskruven ska behöva tillverkas med så fin gänga. Släden med Läs/skriv-huvudet behöver två pulser för att förflyttas från ett spår till det nästföljande.

• För detta experiment ska kopplingsdäcket med pulsgivare och drivkretsar ta sin matningsspänning från BLDC kopplingsdäcket. Anslut två ledningar, spänning och jord mellan båda kopplingsdäcken. Se figuren. Anslut stegmotorns två kontakter till kopplingsdäcket för att prova stegmotorns funktion.

• Vad händer om man positionerar läs/skriv-huvudet förbi ändlägena?

På diskett-tiden var det naturligtvis nödvändigt att kunna formattera en diskett i en dator, och använda den i en annan.

• Ser du några "justeringsanordningar" som finns för att göra detta möjligt?

Tid över?

Mekanismer

Många funktioner lämpar sig bäst (billigast och enklast) att realisera med mekaniska mekanismer. Det bockade plåtchassiet inrymmer mängder av sådana funktioner, som kan vara intressanta att studera - om tiden tillåter.

Undersök hur man löst funktionerna kring inmatning och utmatning av en diskett!

• Hur förhindrar man att disketten sätts i felaktigt?
• Undersök hur diskettens utformning samverkar med diskettenheten.

Mönsterkortet

Om tiden tillåter kan det även vara intressant att studera kretskortet.

Man kallar ett kretskort utan de påmonterade komponenterna för ett mönsterkort. Mönsterkortet är gjort av en glasfiberlaminerad plast som är elektriskt isolerande. På ytan av det isolerande materialet finns elektriska ledningsbanor av koppar som bildar förbindelse mellan komponenterna. Jordledaren brukar utföras som en sammanhängande yta, ett jordplan. Komponenterna kan vara monterade i hål genom kortet, men numera är det vanligast med komponenter som monteras direkt på ledningsmönstrets yta, sk. ytmontering. Ofta måste man på ett kort kombinera de två metoderna.

Kortet kan bestå av flera lager med ledningsmönster. De olika lagren förbinds med varandra med metalliserade hål i kortet. Det billigaste är naturligtvis att använda enkelsidiga mönsterkort, men då måste man ge kortet en sådan layout så att ledningarna aldrig korsar varandra på kortet. För att undvika korsande ledningar kan man montera sk. nollohmsmotstånd (Jumper). Detta är en "ledningstråd" i komponentkapsel som kan monteras maskinellt som de övriga komponenterna. På kortet brukar man screentrycka komponentbeteckningar och signalnamn med vit färg. Detta är till hjälp vid montering av komponenterna och vid reparation/felsökning.

På ledningsmönstret kan det finnas speciella testpunkter. Med hjälp av fjäderbelastade kontaktben kan man vid produktionen snabbt komma åt att testa olika funktioner på kortet. Det kan även finnas lödpunkter som placerats så nära varandra att man kan sammanbinda dem med en droppe lödtenn (soldered jumper). På det sättet kan man enkelt "programmera" elektronikkretsarna med anpassade inställningar för olika ändamål.

• Är kretskortet dubbelsidigt eller enkelsidigt?
• Används ytmonterade eller hålmonterade komponenter (eller möjligen båda sorterna)?
• Kan Du hitta något "nollohmsmotstånd"?
• Är kretskortets jordplan anslutet till mekanikchassiet? I så fall hur?
• Finns det några testpunkter på kretskortet?
• Finns det några inställningspunkter (soldered jumpers)?

Ansluta labutrustningen till PIC-processor

BLDC motorn

BLDC motorn arbetar med högre spänning och med högre ström än vad PIC-processor utrustningen är gjord för. Labbdäcket med BLDC motorn skall därför drivas med sitt eget spänningsaggregat, och PIC-processorn ska drivas från PICKit2 programmeraren. Utrustningarnas jord kopplas ihop (men inte matningsspänningarna).

Plocka bort de tre strömställarna från labbkopplingsdäcket och anslut ledningar för att PIC-processorn ska kunna styra dessa funktioner EN FWD/REV BRK. Om EN är en PWM signal så kan dessutom motorns hastighet styras med denna. (När utrustningen lämnas tillbaka skall strömställarna återställas). Vill man veta motorns hastighet kan man få information om denna genom att koppla en ledning till någon av Hallgivarnas lysdioder (H1 eller H2 eller H3).

 BLDC-Lab-5pins.fzpz

Stegmotorn

Stegmotorn kan komma att dra mer ström än vad PICKit2 levererar från USB-uttaget. PIC-processorn skall drivas från USB-programmeraren medan stegmotor-kopplingsdäcket skall drivas från BLDC-labbdäcket och dess spänningsaggregat. Utrustningarnas jord kopplas ihop (men inte matningsspänningarna). För att kunna styra stegmotorn från PIC-processorn så tar man bort två ledningar (se kryssen) från pulsgivaren och ansluter PIC-processorns portpinnar och jord till stegmotor-kopplingsdäcket. Se figuren.

Komponenter

 L6235.pdf   ST L6235 Typical application