Trefwoorden
|
Stap / continu sturing voor
kleine synchroon motoren
(Eerder gepubliceerd in Electron #4, 2001) Inleiding
Bij verschillende toepassingen in de radioamateur wereld worden kleine
elektromotor toegepast om een roterende trommel of een condensator te
bewegen. Denk hierbij een aan een Morse- of Hell-schrijver (nostalgisch) of
aan een ‘magnetic-loop’ antenne voor het moderne
werk. Bij dit soort toepassingen gebruiken we meestal een of andere
stappenmotor, waarbij de besturing tegenwoordig vaak wordt uitgevoerd met een
programmeerbare microprocessor. Op de radiomarkten worden echter ook vaak kleine synchroon-motoren
aangeboden, herkenbaar aan de plat cylindrische vorm, die vaak door een ril
in twee delen lijkt te zijn opgebouwd. Deze motortjes zijn vaak goedkoop en
bovendien verkrijgbaar met verschillende tandwiel kastjes, zodat de snelheid
van de uitgaande as naar believen kan worden bepaald. De motortjes hebben
meestal vier aansluitingen, waarvan er twee zijn doorverbonden. Tussen de
andere twee aansluitingen bevindt zich dan vaak een condensator, meestal rond
de 2.2 microfarad. De synchroon motor
Een synchroon motor is natuurlijk niets anders dan een stappenmotor
hetgeen blijkt als je zo’n component zou open maken, helaas meestal
destructief. Per kant vinden we een spoel (de twee maal twee aansluitingen)
en een rij omgebogen poolschoenen. Het boven- segment is op gelijke wijze
uitgevoerd, maar iets verschoven gemonteerd, terwijl de poolschoenen nu
omlaag wijzen. De (sinusvormige) spanning wordt aangesloten op de ene spoel,
terwijl de tweede spoel wordt aangesloten via de condensator zodat hierin een
in fase verschoven stroom gaat lopen. De rotor bestaat uit een (meerdere) permanente magneet(en) die zich
richt(en) naar het maximale veld tussen de poolschoenen. Als nu een klein
moment later de verschoven spoel het maximale veld levert, ‘loopt de rotor
het veld achterna’ en maakt aldus een (half) stapje. Vervolgens levert de
eerste spoel weer het maximale veld op de volgende poolparen en zo wordt de
rotor dus ‘stapsgewijs’ in de rondte getrokken; elke periode levert aldus een
stapje van de rotor, waarvan de stapgrote afhangt van het aantal poolschoenen
in de omtrek. Het grappige is, dat als we de spanning aansluiten op de andere spoel (en
de eerste nu dus gevoed wordt via de condensator), de motor even gemakkelijk
achteruit loopt. We kunnen deze synchroon motortjes dus continue laten
draaien en per stap, vooruit en achteruit en vinden hiermee een zeer
bruikbare component, vooral voor aandrijving van een condensator in een ‘magnetic-loop’ antenne.
De combinatie synchroon motor / tandwielkast
De vraag die als eerste naar voren komt is wellicht welke combinatie van
motor en tandwielkast we zouden moeten kiezen, b.v. bij toepassing als
besturing van de afstemcondensator in een ‘magnetic-loop’
antenne. Bij te grove stappen kunnen we niet voldoende nauwkeurig afstemmen
omdat dit type antennes doorgaans een zeer hoge Q vertoont, dus een kleine
bandbreedte. Bij te fijne stappen moeten we lang wachten voordat we het
juiste afstempunt bereikt hebben. Een eenvoudig sommetje leert ons
het volgende over de grootte van deze stappen: fo Co Co Q
= ----- ~
-------- of ook: dC ~
------
2 df dC Q indien de Q hoog is en dus df en dC klein zijn t.o.v. fo
respectievelijk Co. In deze formule betekent dC: een kleine
verstemming van de condensator tot de spanning over de kring tot 0.7 maal de
maximale waarde is gezakt. Evenzo betekent df, de
hierbij behorende kleine verandering van de frequentie. Een goed bruikbare (differentiële) afstemcondensator voor een ‘loop’
antenne in het HF gebied heeft een bereik van b.v. 12 – 57 pf over een
draaihoek van 180 graden; dus ongeveer 0.25 pf / graad. Aan de (moeilijkste) hoge kant van
afstemming, dus bij de minimum waarde van de condensator, berekenen we dan de
maximaal bruikbare stapgrootte bij een (belaste) antenne Q van b.v. 400: 12 dC ~
------- pf ~
0.03 pf.
400 Bij een variatie van 0.25 pf / graad van onze
condensator vragen we dan een (maximale) verdraaiing van 0.03 / 0.25 = 0.12 graden per stap. De synchroon motortjes worden meestal gespecificeerd op hun aantal
omwentelingen per minuut (rpm), stilzwijgend
gespecificeerd bij aansluiting op een sinusvormige spanning met een
frequentie van 50 Hz. Vermenigvuldigen we deze waarde met 360, dan vinden we
de totaal doorlopen hoek per minuut. We zijn echter geïnteresseerd in de
doorlopen hoek per enkele stap (g/s) en moeten dus de totaal doorlopen hoek
(per minuut) weer delen door het aantal seconden per minuut en het aantal
stappen per seconden (= doorlopen sinusperioden) bij een frequentie van 50
Hz. We krijgen dan: rpm
* 360 g/s = --------------- =
0.12 * rpm. 60 *
50
Volgens ons eerdere voorbeeld zoeken we een maximale
verdraaiing van 0.12 graden per stap, zodat we kunnen uitrekenen waar het
vertragingskastje (vrt) aan moet voldoen:
0.12 0.12
vrt =
------- = ---------------- = 1
/ rpm
g/s 0.12 * rpm
Nemen we als voorbeeld een synchroon motortje met een specificatie 60 rpm, dan hoort hierbij dus een vertragingskastje van 1 / 60, d.w.z. een vertraging van 1 : 60,
als we de combinatie willen toepassen in een ontwerp van een ‘magnetic loop’ antenne, ergens in de (hogere) HF amateur
banden. Gelukkig zijn het type vertragingskastjes in de reeks 1 : 10 tot 1 :
100 goed verkrijgbaar en vinden we hiermee snel een bruikbare combinatie voor
ons ontwerp. Denk er om, dat we in het genoemde voorbeeld na het vertragingskastje een
draaisnelheid overhouden van één omwenteling per minuut en dat we dus
maximaal een halve minuut moeten wachten totdat het afstempunt voorbij komt.
Willen we nauwkeuriger afstemmen, dan moeten we voor kleinere stappen kiezen
(meer vertraging) en dus nog meer geduld hebben bij het afstemmen van onze
antenne. De bovengenoemde voorbeelden voor de Q van de antenne, de waarde van de
afstemcondensator en het toerental van het motortje zijn reële praktijk
waarden maar moeten eigenlijk steeds per geval worden uitgerekend.
De synchroonmotor sturing
Voor het aansturen van deze synchroonmotortjes
heb ik enkele jaren geleden een eenvoudig schakelingetje ontworpen met een
handjevol transistors, wat dioden en twee simpele IC’s. De schakeling is gebaseerd op HEF-type IC’s, zodat spanningen tussen de 5
en 15 V goed zijn om de schakeling te laten werken. Dit is bij gebruik in
mijn ‘magnetic loop’ antenne vooral handig bij veld
werk. Let er overigens op om de juiste IC’s als in het schema te gebruiken;
ook voor het IC met de vier NAND-poorten kunnen geen andere types worden
toegepast omdat dit type de noodzakelijke ingangen-met-hysteresis bezit. Alle dioden zijn van het algemene type, d.w.z. dioden die
een beetje stroom kunnen verwerken (ca 200 mA) en niet doorslaan bij een
omgekeerde spanning van minimaal 40 volt. Deze eisen gelden eigenlijk alleen
maar voor de ‘brug dioden’. Gezien de lage frequenties worden er verder geen
eisen gesteld aan de schakelsnelheden van de dioden.
Het tijd-volgorde diagram
De werking van de schakeling volgt uit het tijd diagram van figuur 1. Het motortje wordt beurtelings op de voeding aan gesloten (V+), kort
gesloten, omgekeerd aangesloten (V-) en wederom kortgesloten, zodat we bij
eerste benadering het verloop van een sinusvormige spanning imiteren (dikke
zwarte lijnen). De omschakel momenten zijn gekozen op de plaats waar de
sinuskromme de waarde ca 0.6, resp.
–0.6 aanneemt, zoals bij Q0 naar Q1 en Q3
naar Q4, resp. Q4 naar Q5 en Q7 naar
Q0
Het schema
De schakelsignalen voor het bovenstaande tijdvolgorde diagram komen van
een Johnson-teller (HEF 4017), die onder invloed van de klok telkens een van
zijn uitgangen hoog maakt (zie figuur 2).
De diodenmatrix vertaalt de hooggaande
uitgangen van de Johnson-teller naar de juiste schakel momenten voor de
transistors in de brug, die de motor aandrijven. Wordt uitgang Q8 hoog, dan wordt dit signaal via een invertor
en een flip-flop (de kruislings doorverbonden poorten) terug gevoerd op de
‘reset’ ingang en gaat de teller terug naar 0 (Q0 = hoog). Op het moment dat de schakelaar ‘stap’ wordt ingedrukt, wordt de
flip-flop gedurende een kort moment ‘gereset’ en loopt de teller keurig weer
een rondje. Inhouden van de schakelaar heeft geen effect; pas als opnieuw
wordt ingedrukt gaat de flip-flop weer om. Als de schakelaar ‘continu’ wordt ingedrukt, blijft de teller doorlopen totdat
de schakelaar wordt los gelaten. De teller stopt dan weer op ‘0’. De verdere dioden en componenten rondom de flip-flop zorgen ervoor dat de
schakeling bij inschakelen steeds in de ‘nulstand’ (Qo
= hoog) terecht komt.
Figuur 2: De stuurschakeling Andere motorspanningen
Op de radiomarkten vinden we synchroonmotortjes
voor 12 en 24 volt. We kunnen gemakkelijk de bedrijfspanning van deze
motortjes op de schakeling aanpassing m.b.v. een transformator. De schakeling
werd zodanig gedimensioneerd dat de uitgangsfrequentie iets hoger dan 50 Hz
wordt, zodat standaard net-tranformatoren
uitstekend voldoen. In figuur 3 vinden we de standaard aansluiting van een 12
Volt motor (links) en de aansluiting voor een 24 Volt motor m.b.v. een (kleine) transformator
(rechts). Let er op dat de twaalf-volt wikkeling van de transformator steeds
tussen de punten a, b terecht komt. Als eerder gemeld loopt het motortje vooruit bij aansluiting op de ene
spoel en achteruit bij aansluiting op de andere. Als voor de
‘vooruit-achteruit’ schakelaar een drie-standen type wordt gekozen, kan
hiermee tevens in de twee uiterste standen de voeding worden aangezet
(dubbele schakelaar) zodat we hiermee energie kunnen besparen bij veldwerk
(zie linker voorbeeld; werkt natuurlijk net zo bij rechter voorbeeld). Bij
gebruik van de aangegeven transistoren kunnen we motoren tot enkele watts
volledig uitsturen, zonder dat componenten oververhit raken.
Figuur 3: De motor aansluitingen Gebruik
bij ‘magnetic loop’ Als laatste geef ik hierbij nog even het gebruik van de schakeling als
sturing voor een ‘magnetic loop’ antenne. Ik schakel de transceiver op een vermogen van een enkele watt (stand CW)
en zet de stuurschakelaar op ‘vooruit’. Ik laat de motor ‘continu’ lopen en
zie op een bepaald moment de SWR meter even sterk dippen. Als ik de
schakelaar (te laat) los laat, is de dip al weer voorbij, maar ik zet nu de
stuurschakelaar op ‘achteruit’. Met de drukknop ‘stap’ loop ik nu gemakkelijk
terug tot de minimale SWR is bereikt. Bij eventuele ‘overshoot’
schakel ik eenvoudig weer in de stand ‘vooruit’ om naar het beste minimum
komen. Door deze wijze van gebruik heeft eventuele tandwielspeling in het
vertragingskastje (backlash) geen enkele invloed; we kijken uitsluitend naar
het effect van onze handelingen. Bob J. van Donselaar, on9cvd@veron.nl |
|
