leoniv (leoniv) wrote,
leoniv
leoniv

Category:

ДБ-95 – положение ротора



В одном из предыдущих постов речь шла про ведущий двигатель магнитофона «Электроника-004», в частности, про его электронную часть. Хоть штатная плата вполне справляется со своей задачей, я все же решил попробовать сделать ее на более современной элементной базе.

Пока есть некоторая пауза в работе над новым блоком управления магнитофона, причем несколько человек его уже успели повторить. Обнаружили лютый глюк в программе, который я искал два дня и две ночи, после чего обновил прошивку. Вот она, сила коллективного тестирования! Пока получаю нормальные отзывы. Даже появилось видео работы нового БУ.

Поэтому пока решил заняться двигателем. В качестве примеров реализации есть два готовых варианта: японская плата, которая устанавливалась на ранние экземпляры магнитофона, и советская плата, которой комплектовались магнитофоны позже.

Работа блока управления двигателя начинается с датчиков положения ротора. Именно по сигналам этих датчиков производится коммутация фаз. Поэтому решил начать с датчиков.



В двигателе ДБ-95 используются индуктивные датчики положения. Двигатель трехфазный, значит и датчиков у него три. Сигнал датчиков логический, а не синусоидальный, что позволяет реализовать только вентильное управление двигателем. Но что есть, то есть. Каждый датчик представляет собой катушку с П-образным незамкнутым ферритовым сердечником.



Ротор двигателя изготовлен из ферромагнитного материала. Внутри он имеет многополюсный кольцевой магнит. Снаружи у ротора есть немагнитные вставки, расположенные напротив сердечников катушек датчиков положения.



При вращении ротора немагнитные вставки проходят одна за другой напротив сердечников катушек датчиков положения (это хорошо видно на заглавном фото поста). Когда напротив сердечника находится ферромагнитный материал, добротность катушки падает. Когда находится немагнитная вставка – добротность увеличивается. Это используется для работы датчиков положения. Катушки включены в схему генераторов Колпитца, или по-другому, емкостной трехточки. Когда напротив сердечника катушки оказывается материал ротора, генерация срывается. Когда проходит немагнитная вставка, генерация снова восстанавливается. Если сигнал генератора выпрямить, получим прямоугольные импульсы, которые можно использовать для коммутации фаз двигателя. Именно так реализована схема на японской плате.



Генератор собран на транзисторе V5. Частота колебаний составляет примерно 300 кГц. Диод VD2 служит для температурной компенсации рабочей точки транзистора. Сигнал генератора снимается с эмиттера транзистора и выпрямляется диодом V8. Пульсации сглаживаются конденсатором C13. Выпрямленное напряжение открывает транзисторный ключ V13, на коллекторе которого формируются импульсы с размахом 5 В, достаточные для работы TTL логики. Первый логический элемент, на который поступают эти импульсы – «исключающее ИЛИ». Он необходим для управления инверсией сигналов датчиков: ведь для реверсирования направления вращения двигателя необходимо инвертировать все сигналы датчиков положения.

На советской плате схема более простая внешне, но более непонятная. В ней нет детектора, сигнал на логику подается прямо с эмиттера транзистора генератора!



Я ничего в этой схеме не понял и пошел за помощью в симулятор. Изменение добротности катушки имитировал шунтированием ее резистором через ключ. Шунтирующая цепочка подключается к точкам COIL6, COIL7.



Моделирование показало, что генерация при шунтировании срывается, затем возобновляется снова. И на самом деле, на эмиттере транзистора имеем постоянное напряжение, которое меняется. При наличии генерации на эмиттере около нуля, лишь видны пульсации с частотой генерации. Когда генерация срывается, напряжение на эмиттере подскакивает выше 2.5 В, чего вполне достаточно для срабатывания TTL-логики.



Получается странная картина. На эмиттере имеем фактически продетектированный и сглаженный сигнал, хотя в схеме ни детектора, ни сглаживающего фильтра нет.

В генераторе Колпитца транзистор включен с общей базой, ее потенциал фиксирован. Следовательно, и потенциал эмиттера не может сильно меняться. Но в данной схеме не так. Если посчитать базовый делитель, то он обеспечивает на базе примерно 4 В. С учетом тока базы получается немного меньше, т.е. то, что видим на эмиттере в режиме покоя – это задано базовым делителем. Но как только начинается генерация, напряжение на базе становится значительно ниже, чем его задает делитель. Это может происходить только в результате увеличения тока базы. Действительно, во время генерации ток базы имеет вид коротких выбросов с частотой генерации и амплитудой до 4 мА!



В линейном режиме работы транзистора таких базовых токов быть не может. Но здесь транзистор входит в насыщение. Самое смешное, что импульсный ток эмиттера меньше тока базы! Импульсный ток базы проходит через коллекторный переход, который открывается в прямом направлении. Токи коллектора, эмиттера и базы транзистора показаны ниже. Можно видеть, что ток коллектора меняет направление.



Импульсный ток базы сглаживается конденсатром, который включен с базы на землю, в результате потенциал базы во время генерации оказывается постоянным. Именно базовый конденсатор играет роль сглаживающего фильтра в таком генераторе-детекторе на одном транзисторе.

Двигатель выпускался на новосибирском заводе «Точмаш». Вероятно, там же разрабатывалась для него и плата управления. Интересно, что такое забористое было в Новосибирске в начале 80-х годов, что могло так сильно цеплять инженерных работников?

На первый взгляд, схема изящная. Обошлись одним транзистором и вообще без диодов. Но за этой изящностью стоят недостатки. Если посмотреть потребляемый схемой ток, то в режиме покоя он составляет целых 13 мА! Учитывая, что таких генераторов надо три штуки, жалко терять напрасно такой ток.



Размах сигнала на выходе достаточен для работы TTL-логики, но его еле-еле хватает для логики КМОП. И даже такой размах достигнут ценой повышенного напряжения питания: специально для схемы датчика положения сделан стабилизатор с выходным напряжением около 9 В, который неслабо греется.

Японская схема, несмотря на большее количество деталей, выглядит более изящной. Все, что там происходит, просто и понятно. Тем не менее, я ее все равно промоделировал.



Питается схема от 5 В, на выходе обеспечивает размах практически равный напряжению питания.



Средний потребляемый ток не превышает 500 мкА.



Японская схема мне нравится гораздо больше, ее и взял за основу. В принципе, схема всем хороша, но от нечего делать можно попытаться ее улучшить. В первую очередь решил попробовать модифицировать детектор.

Диоды являются не очень желательными компонентами в схеме. Долгое время на платах рядом с вполне современными транзисторами и микросхемами красовались старинные «стекляшки» 1N4148, или всякие КД521, КД522. И только с появлением в широкой продаже BAS316 произошла диодная революция. Но распространение этих диодов нельзя еще назвать повсеместным.

Вместо диода можно включить эмиттерный переход транзистора, будет то же самое (если не превышать обратное напряжение). Но если при этом на коллектор подать напряжение питания, детектор получит новые качества. Он практически перестанет шунтировать источник сигнала. Тут это весьма кстати, детектор перестанет мешать работать генератору, одновременно увеличится выходное напряжение. Выходного напряжения такого детектора вполне хватит для работы логики даже без дополнительного ключевого каскада.



В японской схеме использовалась схема смещения с диодом. Диод там тоже можно заменить транзистором, получив в качестве бонуса низкий выходной импеданс. Хоть схема получается сложнее, зато ее одну можно использовать для смещения всех трех генераторов.

Остатки пульсаций выпрямленного напряжения не должны превышать некоторого значения. Сигнал я планирую подавать не на дискретную логику, а на входы ATmega88, поэтому надо подстраиваться под их характеристики. Пульсации будут присутствовать и на фронтах сигнала, поэтому чтобы предотвратить множественное переключение логики, размах пульсаций должен быть меньше гистерезиса. У ATmega88 при напряжении питания 5 В гистерезис составляет примерно 0.45 В. Такое значение можно принять предельным для пульсаций. Чтобы сильно не затягивать фронт, для фильтрации пульсаций можно применить двухзвенный фильтр. Выходное напряжение фильтра на графиках показано красным цветом.



Размах выходного напряжения такого детектора хоть и довольно большой, но уровень логической единицы обеспечивается на пределе (для ATmega88 порог составляет до 2.6 В). Можно добавить ключевой каскад, как в японской схеме, а можно включить транзистор детектора по-другому и воспользоваться его усилительными способностями.



Такая схема дает размах на выходе от 0.8 В до 5 В.



Последний штрих – можно перевернуть схему. Тогда и выходное напряжение будет от нуля, и катушка датчика будет заземлена одним выводом. Разницы в работе особой не будет, но так просто красивей.



Когда что-то удается сделать в схемотехнике, пусть даже это подтверждается результатами моделирования, я все равно к своим результатам отношусь очень скептически. Ибо опыт, будь он неладен. Поэтому я принял решение для начала спаять схему датчика «на воздухе», не делая даже макетной платы, благо деталей там немного. Как оказалось, не зря.

Схема, где были воплощены самые прогрессивные идеи, оказалась непригодной для использования. Нет, конечно, генератор успешно работал, детектор успешно детектировал, но использовать все это в качестве датчика положения было нельзя. Колебания не срывались, когда мимо катушки проходила железяка ротора. Генератор получился настолько хорошим, что он мог генерировать в любых условиях. Изменив на ходу несколько номиналов, я ухудшил параметры генератора, и он начал тухнуть при вращении ротора. Вроде, заработало. Но выходной сигнал был какой-то нечеткий, фронт завален, это выглядело намного хуже, чем в штатной плате. Добротность катушки ведь меняется не очень резко, когда железяка приближается, она постепенно начинает увеличивать свое влияние.

Весьма огорчившись результатами работы своей схемы, я решил собрать «на воздухе» точную копию японской схемы, так как японской платы у меня нет и я никогда не видел ее работу. Работа этой схемы меня поразила. Переключения выходного уровня были настолько четкими, что даже при медленном вращении ротора схема формировала красивые прямоугольники. Покрутив ротор туда-сюда рукой на небольшой угол заметил, что схема обладает гистерезисом! Колебания генератора лавинообразно нарастали, а чтобы их погасить, требовалось повернуть ротор обратно на некоторый угол. Если отключить от генератора детектор – гистерезиса нет. Если детектор сделать лучше, менее нагружающим генератор – тоже гистерезиса нет. Именно такой генератор и именно такой детектор давали вместе наилучший результат. Природы этого гистерезиса я не понимаю. Зато понимаю другое – готовые схемы, которые нам попадаются, проектировали очень умные люди. Бросать вызов тем, кто обжигает горшки, очень самонадеянно.

Посрамленный, я отказался от всех своих нововведений. И в детекторе поставил диод BAS316, и в источнике смещения. И сделал их раздельными для каждого генератора, потому что так легче разводить плату.



Боясь дальнейших козней, развел не общую макетную плату, а сделал несколько маленьких плат для отдельных узлов контроллера двигателя, чтобы их можно было переделывать и заменять. Опять оказалось не зря.



Но об этом в другой раз.



Tags: electronics, reel-to-reel, Электроника-004, магнитофон
Subscribe

  • Путь к рынку

    Это очень долгий путь, поэтому будет длинный пост. Добро пожаловать под кат. 2. Недалеко от дома находится конечная остановка (диспетчерская…

  • Эффект горячего шоколада

    Кофе я не люблю. Вернее, не так: он мне безразличен. Особого вкуса в нем не нахожу. С трудом могу отличить вкус кофе от вкуса какао. В детстве у…

  • Сказка на ночь

  • Post a new comment

    Error

    default userpic
    When you submit the form an invisible reCAPTCHA check will be performed.
    You must follow the Privacy Policy and Google Terms of use.
  • 69 comments

  • Путь к рынку

    Это очень долгий путь, поэтому будет длинный пост. Добро пожаловать под кат. 2. Недалеко от дома находится конечная остановка (диспетчерская…

  • Эффект горячего шоколада

    Кофе я не люблю. Вернее, не так: он мне безразличен. Особого вкуса в нем не нахожу. С трудом могу отличить вкус кофе от вкуса какао. В детстве у…

  • Сказка на ночь