Precíziós műszerhajtás - COMMODORE flopimotorral

IPARI ELEKTRONIKA

Precíziós műszerhajtás - COMMODORE flopimotorral

Pálinkás Tibor gépészmérnök, tpalinkas@radiovilag.hu

A feladat egy precíziós, golyós ágyazású, golyósorsóval mozgatható SKF műszerasztal egyenletes, de beállítható sebességgel történő működtetése (mindkét irányban, végállásérzékelőtől végállásérzékelőig), illetve elmozdulásának 0,1 mm felbontással való mérése volt. A rendszer vezérlését egy analóg be- és kimenetekkel, valamint be-/kimeneti portokkal rendelkező univerzális gyári illesztőkártyán keresztül, PC-vel kellett megoldani úgy, hogy a külső áramkörök eszközigénye, költsége minél kisebb legyen. Az alábbiakban az ehhez kifejlesztett áramköri egységet mutatom be. Vagy a teljes áramkört, vagy annak részmegoldásait más célokra is fel lehet használni.

A hajtásrendszer felépítésére a kínálkozó megoldások közül a legfeljebb 1%-os sebességingadozást biztosító legolcsóbb (azaz gyakorlatilag ingyenes) utat választottam: a golyósorsóhoz tengelykapcsolón keresztül illesztett precíziós fogaskerék-hajtóműbe egy régen leselejtezett COMMODORE flopiegység forgatómotorjával hajtottam be. Ezt a tachogenerátoros motort a hozzá tartozó fordulatszám-stabilizáló áramkörrel a Hobby Elektronika 2001/2. számában részletesen ismertettem; a továbbiakban csak utalok rá. A hajtóművel és kapcsolódó finommechanikai rendszerrel szintén nem foglalkozom, csupán annyit említek meg, hogy a motor tengelyéről óvatosan eltávolított domború szíjtárcsa helyére egy nagy osztáspontosságú fogaskerék került.

Áramköri felépítés

Tápegység, motormeghajtó áramkör

A hajtásvezérlés/elmozdulásmérés áramköreinek teljes kapcsolási rajza az 1. ábrán látható.
A hálózati feszültség a CS1-LC zavarszűrős készülékcsatlakozón, a K hálózati kapcsolón és a két olvadóbiztosítón keresztül jut a Tr nyáktrafó primerjébe. A két szekundertekercs két, galvanikusan független DC táprendszert szolgál ki.
A motormeghajtó áramkör a Gr/C1 táprészről kapja az áramellátását, azaz a UM, kb. 12 V-os stabilizálatlan egyenfeszültséget. Látható, hogy az IC3-on alapuló motorvezérlés zömében az eredeti panelből kiforrasztott alkatrészekből épül fel. A szükségtelen áramköri részleteket - az eredeti panelen a Q1 köré épült tiltóáramkört és a Q3-on alapuló, a motor áramát korlátozó áramkört - kihagytam. (A vezérlést a következőkben leírtak szerint oldottam meg, a túláramot pedig a tápegység kis terhelhetősége korlátozza. Megjegyzem továbbá, hogy a Hobby-cikkben szereplő kapcsolási rajzról az itt C21, eredetileg C4 jelű kondenzátor sajnos, lemaradt.)
A tachogenerátor egyenirányító hídjában (D5...8) ezúttal Schottky-diódák szerepelnek. A konkrét feladatban ui. a motort olyan alacsony fordulatszámon (is) kell járatni, amelynél az IC3 1. lábán csak így biztosítható a megfelelő jelszint. A fordulatszám egyébként az M1 és az M2 mérőpontpárra kapcsolt frekvenciamérővel lehetséges: a hertzben kijelzett frekvenciát 3-mal osztva megkapjuk a motor percenkénti fordulatszámát.
Mivel a motor fordulatszámát külső DC-szinttel kell vezérelni, az eredeti panelen levő, R2, R10, VR1 jelű impulzusszélesség-beállító ellenálláslánc helyett az IC2d feszültségvezérelt áramgenerátort iktattam be az IC3 3. és 8. kivezetése közé. A galvanikusan leválasztott táplálás előnye éppen itt mutatkozik meg: egy viszonylag bonyolult felépítésű, precíziós ellenálláshálózattal rendelkező földelt terhelésű (pl. Howland-féle) áramgenerátor helyett a legegyszerűbb „elemi” OPA-s áramgenerátor is megfelel. Az IC2 szimmetrikus tápellátását a D1, D2, C2, C3 táprész 12 V-os nyers feszültségéből a D3, R12 és a D4, R13 biztosítja (névlegesen 8,2 V). Tapasztalataim szerint a +1...5 V-os vezérlőfeszültség-tartományban a motor fordulatszám-átfogása mintegy 1:4,5. A fordulatszámtartomány a C8 cseréjével eltolható.
A motorvezérlő logika +5 V-os tápfeszültsége az IC1 kimenetén áll elő. Azért nem pl. egy 78L05-öt használtam erre a célra, mert a +5 V-os feszültség egyben az analóg útmérőrendszer referenciafeszültsége (lásd később!).

Vezérlőlogika

A motorvezérlő rész alapja a 2 db „egybites tároló”, azaz bistabil multivibrátor (G1, G2; G3, G4). A tárolókat hárombemenetű diódás ÉS kapuk (R28, D13...15, R33, D16...18) bármelyik bemenetének L-re húzásával lehet törölni. Bekapcsolás után az R31, R32, C16 tag gondoskodik a flipflopok automatikus alaphelyzetbe állításáról, de ez bármikor kézzel is megtehető az előlapi STOP gomb működtetésével. A számítógép is reszetelheti a tárolókat a G6 Schmitt-triggeren keresztül érkező STOP impulzussal. A beírt tárolók akkor is alaphelyzetbe billennek, amikor az OC1 vagy az OC2 IR „optovilla” - ezek a végállásérzékelők - rését a mozgó műszerelemre szerelt zászló eltakarja. Ekkor a G9 vagy a G10 kimenete H szintre billen, a T6 vagy a T7 telítésbe vezérlődik és az L szintre kerülő kollektorfeszültsége törli a megfelelő tárolót. Ezen inverterek kimeneti jelei - mint végállás-státusok - a számítógépes kártya két bemeneti portvonalára is kijutnak.
„Mellékesen” világítani kezd a LED3 vagy a LED5, háromszögletű piros LED, indikálva a végállást. A pozícióindikátor része a LED4, D19, D20 diódalánc is. Ha sem a T6, sem a T7 nem aktív, akkor a négyzet alakú, sárga LED4 világít, jelezve a mozgó egység közbenső helyzetét és - ha egyidejűleg más LED nem világít - a rendszer bekapcsolt állapotát is. Amennyiben bármelyik végállásjelző LED működik, a LED-ek közös anódpontja olyan alacsony potenciálra kerül, hogy a két sorba kötött dióda a LED4 működését megakadályozza.
A végállásérzékelők LED-jének stabil munkapontját a T3, R22 áramgenerátor biztosítja. Az R22-t úgy kell megválasztani, hogy a sorba kapcsolt infravörös LED-eken mintegy 10 (8...12) mA folyjon.
Amíg a flipflopok R törlő bemenetei statikus bemenetek, addig az S beíró bemenetük dinamikus, ui. a portra kapcsolt G7, ill. G8 Schmitt-trigger kimenetéről a C14, ill. a C15 kondenzátorral le vannak választva. Az S bemenetek nyugalmi H szintjét az R29 és az R34 biztosítja. A megoldást egyrészt biztonságtechnikai megfontolás indokolja: ha pl. programfutási hiba miatt bármelyik „start” jel tartósan H szintre „akad ki”, a tárolókat a STOP gombbal akkor is lehessen törölni. Másrészt, ha a végállásérzékelők egyike reszetelte valamelyik flipflopot, azt ne lehessen addig beírni, amíg a mozgó elem az adott véghelyzetben tartózkodik.
A vezérlő program az „Áll/-megy” kimenet állapotát beolvasva győződhet meg arról, hogy valamelyik flipflop be van-e billentve. Ha ugyanis bármelyik Q kimenet H szintű, akkor az R27, D11, D12 VAGY kapun keresztül a G5 bemenete is H szintűvé válik, a kimenete pedig L-re ugrik.
A flipflopok Q kimenete 1-1 tranzisztort (T4, T5) vezérelhet telítésbe, az R25, ill. az R26 bázisáram-korlátozó ellenálláson keresztül. A tranzisztorok kollektorköri komplexuma némileg szokatlan: a jelfogó tekercse és az annak működését jelző LED sorosan kapcsolódik egymáshoz. Azért így oldottam meg, mert a LED1, 2 pozíciójában alkalmazott zöld, háromszög profilú LED-ek is kb. 20 mA-nél, azaz nagyjából a relétekercsek névleges működtetőáramánál adnak megfelelő fényerőt, így felére csökkenthető a fokozatok áramfelvétele a szokásos, jelfogóval párhuzamosan kötött LED-ekkel szemben. A megadott jelfogótípus helyett egyébként bármilyen 6...9 V-os, 20...25 mA áramfelvételű miniatűr, egymorzés típus megfelel, legfeljebb a relék eltérő lábelrendezése miatt a nyák kis részletét át kell tervezni, ill. az R23 és az R24 értékét kell módosítani.
A jelfogók a mintegy 100 mA maximális áramfelvételű motor bekapcsolására, ill. a forgásirányának meghatározására szolgálnak. Ha mindkét jelfogó elengedett állapotban van, akkor a motor kivezetései azonos potenciálon, a T2 kollektorpotenciálján vannak, így a motor nem működik. Ha valamelyik jelfogó meghúz, akkor a hozzá tartozó motorkivezetés -UM-re kerül, így a motor tengelye vagy az egyik, vagy a másik irányban forog. Ha pl. programhiba folytán mindkét flipflop egyidejűleg beíródna, így mindkét relé meghúzna, akkor sem történne katasztrofális meghibásodás, hiszen ilyenkor is azonos (-UM) potenciálra kerülnek a motor kivezetései.
A motor üzemét és forgásirányát a LED1, ill. a LED2 előlapi LED jelzi. Az előbbi vezérlési hiba szembetűnő, hiszen akkor mindkét LED világít!

Analóg elmozdulásmérés

A feladat részét képezte az abszolút asztalpozíció mérése, kb. 200 mm-es tartományban, 0,1 mm felbontással. Mivel az illesztőkártyának analóg bemenetei is vannak, amelyek 12 bites A/D-khez csatlakoznak, a legegyszerűbb megoldásnak valamilyen analóg útadó kínálkozott. Persze, ezt is a lehető legalacsonyabb költségből kellett kihozni. Mivel éppen adódott egy leselejtezett régi, analóg EMG-plotter, az abból kiépített rövidebb (Y) elmozdulásmérő ellenállást használtam fel, a hozzá tartozó leszedőkefével.
A mérőellenállás egy bakelit csíkba munkált két párhuzamos horonyba fektetett és beragasztott, tekercselt huzalellenállásból áll. Az ilyen felépítésű „tolóellenállás” linearitása nagyon jó, sokkal jobb, mint a hasonló méréstartományú, de igen drága differenciáltranszformátoroké. Ráadásul a hozzá illeszthető jelátalakító áramkör is összehasonlíthatatlanul egyszerűbb azokénál.
Az OPA-s áramkör alapja az IC2a, amely a mérőellenállás szempontjából áramgenerátorként viselkedik. Az ellenálláson átfolyó áramot - függetlenül annak pillanatnyi ellenállásától - a referenciafeszültség (ebben a konkrét esetben +5 V) és az R5, P1 soros eredője határozza meg.
A mintapéldányban a mérőellenállás 3,2 k-os, az áramgenerátort pedig a P1-gyel úgy állítottuk be, hogy az IC2a kimenőfeszültsége 0...-5 V között változzon a csúszka teljes elmozdulási tartományában. (A P1 szolgál az útmérő kalibrálására.)
Mivel az alkalmazott A/D bemenőfeszültség-tartománya 5 V, kétszeres erősítésre és szinteltolásra is szükség van. E feladatokat az IC2b és visszacsatoló ellenállás-hálózata látja el. A szinteltoláshoz -5 V-os referenciafeszültséget is elő kell állítani; ez az egyszeres erősítésűre beállított IC2c invertáló fokozat feladata. A kívánt nyugalmi szint - a nullhelyzet - a P2 trimmerrel állítható be.
Eltérő méréstartomány, mérőellenállás-érték, ill. szinteltolási igény esetén az R5, az R7, az R10 és R11 szükség szerint módosítható. A trimmerek miniatűr, álló helyzetű, többfordulatú cermet-típusok.
Kalibrálás, ellenőrzés során a feszültségmérések az M0 mérőponthoz viszonyítva végezhetők el.

Megépítés

Éppen az egyszerű, olcsó elkészíthetőség miatt az áramkört hagyományos alkatrészekből, egyoldalon fóliázott panelekre terveztem (2. ábra és 3. ábra). A transzformátor a két szigetelt biztosítóházzal és az 1...4 pontra kábellel csatlakozó 4 pólusú hüvely dugaszpárjával (PC-tápról származó csatlakozópár) külön nyáklapon foglal helyet, amelynek bemutatásától - egyszerű topológiája és a kereskedelemben jelenleg kapható többféle nyáktrafó eltérő lábkiosztása miatt - eltekintek.
A viszonylag bonyolult vezérlőáramkör és az egyoldalas nyomtatás ellenére a főpanelen mindössze 3 db rövid átkötőhuzal van; ezeket ne felejtsük el beültetni (4. ábra)! A T2-t 2 mm-es alumíniumlemezből hajlított hűtőlemezre szereltem. A mérőpontokat kis ónozott huzalhurkok testesítik meg.
A LED-panelen van az 5 db alakos LED, a D19, 20 dióda (állított helyzetben, a „levegőben” sorba kötve) és a STOP nyomógomb (5. ábra). A LED-panel elektromosan 8 elemes, mindkét nyákba beforrasztott derékszögű tűsorral (CS6/a, b) csatlakozik a főpanelhez, a mechanikai stabilitásáról egy alumíniumoszlop gondoskodik. A leírtak a címlapfotón megfigyelhetők.
A rendszer mechanikai felépítéséről röviden: az áramkört egy 60  200  250 mm-es alumínium egységdobozba építettem be más, itt nem részletezendő elektronikai rendszer mellé. Az alappanelt, ill. a trafós panelt menetes távtartók közbeiktatásával a doboz alaplapjához csavaroztam. A trafós panel alá szigetelőlap is került. A hálózati csatlakozóaljzatot és a hálózati kapcsolót a hátlapra szereltem. A két hálózati szerelvényt a doboz belsejében külön műanyag dobozka burkolja. A hálózati védővezetőt a dobozzal összekötöttem, de a földhurok elkerülése érdekében az áramkörökkel nem!
Az alakos LED-ek számára vékony alumíniumlemezből maszkot készítettem, amelynek nyílásait türelmes munkával a LED-ek kontúrjának megfelelően kireszeltem, a lapocskát befestettem és feliratoztam. Az esztétikus végeredményhez tényleg nagy türelem és gyakorlat kell; aki nem tudja megcsinálni, forrasszon be hagyományos, kerek LED-eket! A LED-maszkot a doboz előzőleg kifurkált előlapjára ragasztottam. Ez alatt furatot készítettem a STOP nyomógomb peremes működtetőeleme számára.
A kapcsolási rajzon az egyszerűség kedvéért a külső eszközöket közvetlenül a tűsorokhoz csatlakoztatva ábrázoltam. A valóságban két CANNON-D csatlakozóaljzatot szereltem a hátlapra, amelyekhez a tűsorokra húzható hüvelysorok vezetékeit felforrasztottam. Az egyik, 15 pólusú csatlakozóaljzat fogadja az asztalról jövő kábel dugaszát, a másik, 25 pólusú a vezérlőkártyáét. A 15 pólusú aljzatra a védőföldelést is kivezettem.
A két optovilla flopimeghajtókból származó, keskeny fényréses kiképzésű, amelyek mintegy 20 m-es visszaállási pontosságot biztosítanak. A megadott típus helyett szinte bármilyen hasonló kivitelű eszközök megfelelnek. A mechanikai szerkezet alaplapjára finoman beállítható módon lettek felszerelve. A mozgó elemre felerősített zászló vékony acéllemez, amelynek a hosszát úgy választottam meg, hogy semilyen beállítás mellett se takarhassa egyidejűleg mindkét végállásérzékelő fényrését. A visszaállási pontosság annál nagyobb, minél közelebb helyezkedik el a zászló a fototranzisztor réséhez. Az optovillák 4-4 eres hajlékony szalagkábellel vannak az asztal szerelőlapjához erősített kábelrendezőhöz csatlakoztatva.
A dobozt, ill. a vezérelt finommechanikai rendszer fém alaplapját egy testelővezetékkel galvanikusan összekapcsoltam.

1. ábra. A hajtásvezérlés teljes kapcsolási rajza
2. ábra. A hajtásvezérlés alappaneljének nyomtatási rajza
3. ábra. A kijelzőpanel nyomtatási rajza
4. ábra. Az alappanel alkatrészbeültetési rajza
5. ábra. A kijelzőpanel alkatrészbeültetési rajza