Diskettenheten - en Mekatronikprodukt

Transkript

1 Diskettenheten - en Mekatronikprodukt Konstruktion av en mekatronikprodukt bygger på kunskaper från många skolämnen. Mekatronik innebär att man med hjälp av datorteknik låter mekanik och elektronik samverka för att utföra avancerade mekaniska funktioner. I Mekatronikproduktens blockschema sker denna samverkan främst i blocken Givare och Ställdon. Diskettenheten Studera diskettenheten. Den består i huvudsak ett mekanikchassie och ett kretskort. Mönsterkortet 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. 1

2 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"? Ange i så fall den beteckning som står på kortet? Är kretskortets jordplan anslutet till mekanikchassiet? I så fall hur? Finns det några testpunkter på kretskortet? Hur många? Finns det några inställningspunkter (soldered jumpers)? Ange i så fall de beteckningar för dessa som står på kortet? Vilket chip (IC1/IC2) är det som styr pannkaksmotorn? Vilket chip (IC1/IC2) är det som styr stegmotorn? Givare På diskettenheten finns några givare. Försök att hitta dem. (Typ och antal) Ställdon Vi har nämnt pannkaksmotorn och stegmotorn. Är stegmotorn av bipolär eller unipolär typ? Finns det något mer utorgan? Mekanismer Många funktioner lämpar sig bäst (billigast och enklast) att realisera med mekaniska mekanismer. Det bockade plåtchassiet inrymmer mängder av sådana funktioner. Undersök hur man löst funktionerna kring inmatning och utmatning av en diskett! Undersök hur diskettens utformning samverkar med diskettenheten. Hur förhindrar man att disketten sätts i felaktigt? Hur är kablaget mellan diskettenhetens olika delar utfört? 2

3 Pannkaksmotorn Vi har plockat bort den platta sk "pannkaksmotorn" från diskettenheten. Detta är en borstlös precisionsmotor med höga prestanda och med hög verkningsgrad, som trots detta kan masstillverkas till låg kostnad. En komplett diskettenhet kostar idag mindre än 10 dollar, och då svarar motorn bara för en del av kostnaden! Kopplingsdäcket med pannkaksmotorn Anslut spänningen till kopplingsdäcket, men se till att motorn är av, dvs. skjutströmställaren EN står åt vänster. Börja med att lyfta bort rotorn så att motorns kretskort med stator och olika givare blir synligt. Statorn har en Y-kopplad trefasig lindning. (Hur kan man se det?) I mellanrummen mellan statorns spolar finns tre Hallelement monterade H1, H2 och H3. På mönsterkortet, utanför statorn, löper en takometerslinga, Tako. Utanför rotorn finns en induktiv givare som indikerar när ett magnetiskt indexmärke passerar, Index. Hur många magnetpoler har statorn? (Räkna) Vilken vinkel är det mellan de tre Hallelementen? Använd en kompassnål för att ta reda på om rotormagneten är mångpolig? ( vi återkommer till poltalet senare ) Är rotorns magnet tillverkad av ett hårt eller mjukt material? (Känn efter med nageln) 3

4 Pannkaksmotorns principiella uppbyggnad. Sätt tillbaka rotorn på plats. Hallelementen Hallgivarna består av enkla hallelement utan inbyggd elektronik. De består helt enkelt av tunna plattor belagda med en film av InSb. Sådana givare masstillverkas i Kina till priser som mer handlar om cent än om dollar. Den svaga hallspänningen måste "förstärkas" med en komparator. I vår labutrustning använder vi kretsen LM339. Mät hallspänningen med Scopemetern, tex från givare H2 (LM339 ben 6, 7). Sätt snurr på rotorn med fingret. Den förstärkta hallspänningen visas med lysdioder på komparatorernas utgångar. ( 1 = rött ljus ). Vilken kurvform har hallspänningen? Hur stor är hallspänningens amplitud? Motorstyrningskretsen L6235 Motorstyrningskretsen L6235 från ST-Microelectronics innehåller allt som behövs för att laborera med borstlösa likströmsmotorer. 4

5 Pulser från Hallgivarna tas in på pinnarna H 1, H 2 och H 3. Kretsen har ett logiknät som avkodar hallgivarna och styr motorn på/av EN, fram/back FWD/REW, och broms BRAKE. Trefasspänningen återfinns på utgångarna OUT 1, OUT 2 och OUT 3. Kretsen kan upptäcka om den överbelastas. Överströmmar ( >5,6A ) liksom övertemperatur leder till en larmsignal på utgången DIAG. Genom att koppla ihop utgången DIAG med ingången EN slår kretsen av sig själv vid överbelastning. Detta skyddar kretsen. Lika viktigt är att skydda motorn mot överströmmar. Med ett 1 Ω motstånd mellan jord och kretsens två SENSE pinnar mäter man motorströmmen. När spänningsfallet över 1 Ω motståndet överstiger spänningen på kretsens ingång VREF börjar kretsen att "hacka" utspänningen för att därigenom begränsa motorströmmen. På kopplingsdäcket har vi valt VREF = 0,6V ( med en diod ) och därför begränsas motorströmmen till I MAX = 0,6V/1Ω = 0,6 A. Kretsen behöver en extra hjälpspänning VBOOT som är högre än matningsspänningen. För att underlätta för användaren kan denna spänning "tillverkas" på plats av pulser från utgången VCP med hjälp av en sk. bootstrapkrets. Kommuteringslogiken 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. 5

6 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 får ta). Kontrollera om sekvensen nu följer den "omvända" ordningen i tabellen. Hallgivare: röd="1" Trefas: röd="+", grön="-", "0" H 1 H 2 H 3 OUT 3 OUT 2 OUT 1 Kör motorn fram och back. Utrustningen tål direkt omkoppling mellan fram och back. Tryck på broms, Brake. Vad är skillnaden mellan att bromsa motorn med Brake eller med Enable? Mätningar med scopemetern Anslut Scopemetern till Index-signalen från den induktiva givaren. Här får du en växelspänningspuls per varv. Frekvensmätning ger motorns varvtal [varv/sek]. (Med en optisk varvräknare och reflextejp kan Du kontrollera din mätning) Vilket varvtal n 0 har motorn [varv/sek] respektive [varv/minut]? Vilket varvtal ω 0 har motorn uttryckt i [rad/sek] Anslut Scopemetern till hallingången H 3 (L6235 pinne 24). Här får du en digital puls varje gång en "rättvänd" magnetpol passerar hallgivaren. Mät den signalens frekvens. Vilket poltal har rotorns magnet? (Hur många polpar finns det på ett varv?) Motorns konstant Motorn matas med U = 12V från spänningskuben (kontrollmät för säkerhets skull detta värde). Beräkna motorkonstanten K = U/ω = ( 60 U ) / ( 2π n 0 ) K =? [ Vs, även Nm/A ] 6

7 Motorströmmen Anslut Scopemeter till 1 Ω ström-mätningsmotståndet. Vid strömmätning har Scopemetern en inställning för mätning över en 1 Ω shunt, dvs. 1V/1A. Strömbegränsning inträder vid 0,6 A strömtoppar. Hur stor är tomgångsströmmen? Bromsa motorn med fingrarna. Studera hur det ser ut när strömbegränsningen träder in. Vid strömbegränsning hackar kretsen strömmen till motorn. Med vilken frekvens sker detta? Skulle Du kunna höra detta? ( Ditt öra hör upp till 20 khz) Det är strömgränsen som bestämmer vilket moment motorn kan avge. ( Strömgränsen ställer man in med VREF ). Använd motorkonstanten för att uppskatta vilket moment motorn skulle utveckla vid 1A motorström. M = K I M( I = 1A ) =? [mnm] Trefas-spänningarna Anslut Scopemetern till en "huvudspänning", tex. mellan OUT 3 och OUT 2. Rita en skiss över kurvformen. Slå av motorn med EN, hur ser den inducerade spänningens kurvform ut? Följa John? Den borstlösa likströmsmotorn är förutom en bra "analog" motor, även en digital komponent. Om givarsignalerna passera igenom en mikroprocessor innan de når motorn så kan man programmera processorn att styra motorn som ett servo. Givarsignalerna ger hela tiden processorn information om rotorns aktuella position och hastighet. Slå dig ihop med närmaste laborerande granne. Du ska nu använda grannens givare i stället för dina egna. Behåll din spänningsmatning till ditt labdäck, men låt grannens labdäck vara utan spänningsmatning. På labdäcken passerar givarsignalerna en kontakt på vägen till styrkretsen. Dela dessa kontakter och koppla grannens givar-kontakt till din styrkrets-kontakt. Observera att bara ditt labdäck ska spänningsmatas, grannens labdäck får då 5V spänning till sina givare från kontakten. Nu kan du "stega" din motor fram/back med den andra motorns rotor. 7

8 Stegmotor med linjärskruv Stega motorn med en pulsgivare! På diskettenheten finns en stegmotor som positionerar läs/skriv-huvudet till aktuellt spår på disketten. Anslut ett kopplingsdäck med pulsgivare och drivkretsar till stegmotorn för att pröva detta. Vad händer om man positionerar läs/skriv-huvudet förbi ändlägena? 8

9 Om stegmotorn utförs med många magnetpoler behöver man inte tillverka linjärskruven med så fin gänga (dvs.med så liten stigning). Vilket poltal har stegmotorn? (hur många gånger måste stegsekvensen upprepas för ett varv). Använd ett skjutmått för att ta reda på hur stor sträcka släden (med läs/skriv-huvudet) förflyttas vid varje puls [mm/steg]. En diskett har 80 spår (per sida). Hur många pulser behövs för att läs/skriv-huvudet ska förflyttas från ett spår till nästa? Det måste gå att formatera en diskett i en dator och använda den i en annan. Vilka justeringsanordninger finns till för detta ska vara möjligt? William Sandqvist william@kth.se 9