leoniv (leoniv) wrote,
leoniv
leoniv

Category:

ДБ-95 – датчик скорости



Макет нового контроллера для двигателя ДБ-95 уже умеет коммутировать фазы и регулировать ток питания. Могу регулировать скорость двигателя, но пока только вручную. Следующий шаг – стабилизация скорости. Для этого надо задействовать встроенный в двигатель датчик скорости.



В двигателе ДБ-95 используются индукционный датчик скорости под названием ДС-2, изготовленный на новосибирском заводе «Точмаш». Об этом говорят буквы «НЗТМ» на этикетке датчика.



Конструктивно он представляет собой магнитную головку с большим зазором, корпус которой подмагничен с помощью постоянных магнитов.



Перед зазором головки вращается зубчатая шестерня из ферромагнитного материала.



Когда мимо зазора проходит очередной зуб шестерни, сопротивление магнитной цепи меняется, что вызывает изменение магнитного потока в сердечнике. В результате в обмотке датчика наводится ЭДС.



При работе двигателя на выходе датчика присутствует сигнал с близкой к синусоидальной формой и размахом порядка 0.5 В от пика до пика. Уровень сигнала зависит от зазора между шестерней и магнитной головкой. Этот зазор можно регулировать, подвигая головку – для этого в кронштейне имеются прорези.

Чем меньше установлен зазор, тем выше сигнал на выходе. При этом улучшается отношение сигнал/помеха. В сигнале таходатчика присутствует некоторый уровень помех. В основном это напряжение высокой частоты от датчиков положения ротора. Оно наводится на провода таходатчика, которые идут в общем жгуте проводов двигателя. Имеет смысл заменить провод датчика на экранированный, это снизит уровень помех и уменьшит джиттер сигнала после компаратора. В аналогичном двигателе MR5A023, который применяется в магнитофоне Otari, для датчика использован именно экранированный провод.

Уменьшение величины зазора имеет и негативные последствия – увеличенный акустический шум. Если головку слишком сильно приблизить к шестерне, при работе двигателя будет слышен свист с частотой выходного сигнала таходатчика. Подобная проблема была в ведущих двигателях ДМ-1, которые применялись в магнитофоне Электроника-003. Они заметно свистели. Таходатчик там имел другую конструкцию и располагался внутри двигателя, поэтому поменять зазор было невозможно. С писком боролись другими способами. Надо отметить, что сам датчик там был лучшей конструкции – кольцевой, который обладает очень низким джиттером. Ну а в данном случае все проще – надо всего лишь установить оптимальную величину зазора, когда слышимого писка двигатель не издает.

Шестерня имеет 174 зуба, во столько же раз частота сигнала таходатчика выше частоты вращения вала двигателя. При скорости ленты 19.05 см/с номинальная частота равна 1348 Гц. Для других скоростей пропорционально ниже или выше. Двигатель ДБ-95 способен обеспечить скорость до 38.1 см/с. Снизу ограничений нет, но при вентильном управлении с понижением скорости растет шум и неравномерность вращения. Впрочем, на низких скоростях высокое качество транспортирования ленты и не требуется.

Задача электронной схемы – сформировать из выходного сигнала таходатчика прямоугольные импульсы со стандартными логическими уровнями, которые можно подать на вход микроконтроллера.

Подобные таходатчики использовались в разных аппаратах, схемы формирователей тоже были самые разные. Чаще всего сначала стоял усилитель, а потом компаратор с гистерезисом. В данном случае уровень сигнала довольно высокий, усилитель можно исключить.



В штатной схеме используется компаратор, выполненный на ОУ типа КР553УД2. Сигнал датчика подается на входы ОУ, которые по постоянному току подключены к питанию +5 В. Сам ОУ питается от +24 В. С одной стороны, это хорошо, имеем что-то типа дифференциального съема сигнала с датчика. С другой стороны, вся входная цепь оказывается высокоимпедансной и на ней наводится большая синфазная помеха. ОУ, конечно, ее подавляет, но не в полной мере. Сам ОУ используется здесь в качестве компаратора, но обратной связи нет никакой. Получается компаратор без гистерезиса. Дальше сигнал подается на триггер Шмитта, выполненный на логике. Но особой пользы от него нет. ОУ, обладающий высоким усилением, будет усиливать помехи до полного размаха на выходе. Такой сигнал пропускать через триггер Шмитта бесполезно. Спасает ситуацию только не очень высокий уровень помех и фильтрующий конденсатор на входе. В общем, решение это не лучшее.



В японской плате используется другая схема формирователя. Понять ее на первый взгляд сложно, не совсем ясно, что делает ОУ D4.1, выход которого никуда не идет. На самом деле этот ОУ используется как буфер для контрольной точки сигнала тахогенератора. Ну оставался у них свободный ОУ из счетверенного LM324, почему бы так не сделать? На него можно не обращать внимания. На ОУ D4.2 собран триггер Шмитта. Вообще, схема срисована плохо, нет даже номеров выводов микросхемы. Поэтому лучше обратиться к оригиналу – схеме из магнитофона Otari.



Датчик скорости FG зашунтирован конденсатором C1, который совместно с внутренним импедансом датчика образует ФНЧ, подавляющий помехи. Особенностью схемы является формирование напряжения средней точки путем интегрирования выходных импульсов цепочкой R4, R3, C26. На выходе ОУ будет сигнал, близкий к меандру, значит на C26 будет примерно половина напряжения питания. Питается ОУ от +5 В, его выход сразу можно подключать к логике. У LM324 (как и у LM358) размах выходного напряжения при питании 5 В составляет примерно 3.5 В. Здесь размах увеличен с помощью подтягивающего резистора R5. Величина гистерезиса триггера Шмитта определяется отношением резисторов R3 и R4. В целом схема довольно изящная, решил взять ее за основу.

Первым делом схему надо промоделировать. Для этого требуется составить адекватную модель датчика. Датчик представляет собой довольно большую индуктивность (примерно 1 Генри) с относительно высоким активным сопротивлением обмотки (около 1460 Ом). Еще у датчика имеются некоторые потери, которые можно заменить эквивалентным активным сопротивлением, включенным параллельно индуктивности. Для измерения потерь собрал на датчике резонансный контур и прогнал его звуковым генератором. После этого подогнал параметры модели для получения аналогичной формы резонансной кривой. Эквивалентное сопротивление потерь получилось порядка 50 кОм, резонанс получается довольно сглаженным. Результат моделирования АЧХ для схемы с японской платы показан ниже (красный график):



Требования к АЧХ здесь следующие: в полосу пропускания должны попадать рабочие частоты. На скорости 19.05 см/с это 1348 Гц, на скорости 38.1 см/с – 2696 Гц. Это максимальная рабочая частота. Дальше должен быть спад АЧХ, чтобы эффективно подавлять помехи с частотой работы датчиков положения ротора, которая около 300 кГц. Небольшой модификацией схемы можно улучшить подавление помех более чем в 10 раз (зеленый график).



Во входной фильтр было добавлено второе звено. Оба звена были согласованы между собой, чтобы получить монотонный спад АЧХ с наклоном примерно 40 дБ на декаду. Каким образом проводился выбор номиналов? Объяснить не могу. Интуитивно. Наверное, можно было бы получить результат получше, но после 4 – 5 итераций он обычно устраивает. Одновременно увеличил сопротивления резисторов в обратной связи, чтобы уменьшить емкость конденсатора – вместо электролита 22 мкФ теперь можно поставить керамику 2.2 мкФ.

Практическая проверка схемы показала ее работоспособность. Вроде, все хорошо, но как обычно, даже в самой маленькой схемке сидит злостный затаившийся глюк.

Включаем питание схемы, двигатель закрутился, на выходе схемы побежали импульсы. Скорость двигателя можно менять в широких пределах, частота на выходе тоже меняется, все прекрасно. Но если двигатель остановить, на выходе появляется логическая единица и дальше схема не работает. Двигатель можно запустить снова, но никаких импульсов больше не будет. Причем, если остановка двигателя была кратковременной, схема возобновит свою работу. А если двигатель остановился на более длительное время, схема больше не работает. Чтобы восстановить работоспособность, надо выключить питание и включить вновь. Бред, да и только.

А как же с японской платой? Она тоже имела такой глюк? Мои изменения вряд ли могли на это повлиять. Получается – да, имела. В магнитофонах, где она применялась, ведущий двигатель включался сразу при включении питания и никогда не выключался. Поэтому заметить данный глюк было невозможно. Я же планирую ведущий двигатель выключать, когда он не используется, поэтому для меня это критично. Да и не должна себя так вести нормальная схема!

Причина оказалась в особенностях примененного ОУ LM358. В оригинале применен LM324, но это по сути одно и то же. Это «народные» ОУ, очень распространенные и дешевле которых сложно что-то найти. Но в то же время они представляют собой целый кладезь недостатков и отклонений от идеального ОУ. Все эти отклонения хорошо задокументированы. Datasheet тут недостаточен, на эту тем есть специальный документ «Application Design Guidelines for LM324/LM358 Devices». Это прямо сборник вопросов для собеседования электронщиков! По поводу данной ситуации там есть вот такой фрагмент:



В схеме происходит следующее: когда пропадает входной сигнал, выход ОУ может оказаться в любом состоянии – это же триггер Шмитта. Когда он оказывается в состоянии высокого уровня, через резисторы обратной связи начинает заряжаться конденсатор 2.2 мкФ. В обычном режиме, когда на выходе меандр, он заряжен до половины напряжения питания. Но когда на выходе постоянно висит единица, заряд конденсатора идет дальше, одновременно поднимается потенциал обоих входов. Когда он выходит за пределы допустимого синфазного напряжения (для этого ОУ это Vcc – 2 В), входной каскад ОУ выходит из линейного режима работы. При этом выход ОУ становится непредсказуемым, в моем случае там постоянно наблюдалась единица. Входной сигнал, который здесь имеет относительно небольшой уровень, не может вывести ОУ из такого состояния.

Чтобы устранить глюк, надо любыми способами ограничить напряжения на входах ОУ в рамках допустимых пределов. Проще всего это сделать с помощью делителя, который уменьшит напряжение на конденсаторе 2.2 мкФ. Теперь при нормальной работе входы будут находиться на потенциале около 1.25 В вместо 2.5 В, но это не страшно. Зато ни при каких условиях их потенциал не поднимется выше 2.5 В. После установки дополнительного резистора схема стала работать нормально. Конечный вариант схемы показан ниже:



При синусоидальном входном сигнале (красный график) сигнал на выходе схемы близок к меандру (желтый график). Гистерезис схемы около 30 мВ (синий график). Работает формирователь очень хорошо. Начинает формировать импульсы при очень медленном вращении вала двигателя, порядка одного оборота в несколько секунд. Несмотря на спад АЧХ фильтра, схема нормально работает вплоть до максимальной скорости, которую способен обеспечить двигатель на холостом ходу.



Аппаратная часть контроллера двигателя, можно сказать, готова. Процессор умеет коммутировать фазы, может управлять скоростью, получает сигнал обратной связи по скорости. Теперь надо замкнуть обратную связь. Осталась самая трудная и неприятная работа – программирование микроконтроллера.

Найти поиском вменяемый пример проекта, где на микроконтроллере реализуется стабилизация скорости двигателя на основе фазовой автоподстройки частоты, мне не удалось. Это кажется немного странным. В общих чертах понятно, что надо делать. Сначала надо сформировать опорную частоту. Это сделаю с помощью 16-разрядного таймера. Потом надо реализовать частотно-фазовый детектор и петлевой фильтр. Сигнал датчика скорости планирую подать на вход захвата таймера, в результате сразу буду получать значение мгновенной фазы и смогу вычислить ошибку фазы. Но это, фактически, фазовый детектор, который будет иметь классическую пилообразную характеристику от -2*pi до 2*pi. Когда частоты сильно отличаются, на выходе будет хаотический сигнал, по которому ничего нельзя сказать – выше опорной входная частота, или ниже. Иногда делают отдельный частотный канал, но в «железных» драйверах двигателей более распространены совмещенные частотно-фазовые детекторы. Такой надо и реализовать. Кажется, для этого надо решить задачу «Phase Unwrapping». Вроде, это можно сделать на конечных автоматах. Но очень хотелось бы посмотреть, как обычно это делают на микроконтроллерах.

Tags: electronics, reel-to-reel, Электроника-004, катушечник, 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…

  • Сказка на ночь

  • Охота

    Сегодня все утро перед окном кухни черный кот охотится за белкой. Кот влезает довольно высоко на дерево, а белка по тонким веткам перебирается на…

  • 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.
  • 57 comments

  • Путь к рынку

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

  • Сказка на ночь

  • Охота

    Сегодня все утро перед окном кухни черный кот охотится за белкой. Кот влезает довольно высоко на дерево, а белка по тонким веткам перебирается на…