Установка тахометра на токарный станок
Добавил пользователь Евгений Кузнецов Обновлено: 20.09.2024
Добрый день.
Выношу на Ваше рассмотрение схему простенького цифрового тахометра на AVR ATtiny2313, КР514ИД2, и оптопаре спроектированного мною.
Сразу оговорюсь: аналогичных схем в интернете много. У каждой реализации свои плюсы и минусы. Возможно, кому-то мой вариант подойдет больше.
Начну, пожалуй, с тех. задания.
Задача: нужно сделать цифровой тахометр для контроля оборотов электрического двигателя станка.
Вводные условия: Есть готовый реперный диск на 20 отверстий от лазерного принтера. В наличии много оптопар от сломанных принтеров. Средние (рабочие) обороты 4 000-5 000 оборотов/минуту. Погрешность отображаемых результатов не должна превышать ± 100 оборотов.
Ограничение: питание для блока управление составляет 36В (тахометр будет установлен в один корпус с блоком управления – об этом ниже).
Маленькое лирическое отступление. Это станок моего друга. На станке установлен электромотор PIK-8, обороты которого контролируются согласно найденной в интернете и модифицированной схеме. По просьбе друга и был разработан простенький тахометр для станка.
Изначально в схеме планировалось применить ATMega16, но рассмотрев условия, решено было ограничиться ATtiny2313, работающего от внутреннего (RC) генератора на частоте 4 Мгц.
Общая схема выглядит следующим образом:
При необходимости внесения изменений в прошивку тахометра на плате предусмотрен разъем ISP.
На схеме подтягивающий резистор R12, номиналом 30 кОм, подобран опытным путём для конкретной оптопары. Как показывает практика – для разных оптопар он может отличаться, но среднее значение в 30 кОм должно обеспечить устойчивую работу для большинства принтерных оптопар. Согласно документации к ATtiny2313, величина внутреннего подтягивающего резистора составляет от 20 до 50 кОм в зависимости от реализации конкретной партии микроконтроллеров, (стр. 177 паспорта к ATtiny2313), что не совсем подходит. Если кто захочет повторить схему, может для начала включать внутренний подтягивающий резистор, возможно у Вас, для Вашей оптопары и вашего МК работать будет. У меня, для моего набора не заработало.
Так выглядит типичная оптопара от принтера.
Светодиод оптопары запитан через ограничивающий резистор на 1К, который я разместил непосредственно на плате с оптопарой.
Для фильтрации пульсаций напряжения на схеме два конденсатора, электролитический на 220 мкФ х 25В (что было под рукой) и керамический на 0,1 мкФ, (общая схема включения микроконтроллера взята из паспорта ATtiny2313).
Для защиты от пыли и грязи плата тахометра покрыта толстым слоем автомобильного лака.
Замена компонентов.
Можно применить любой светодиодный индикатор на четыре цифры, либо два сдвоенных, либо четыре поодиночных. На худой конец, собрать индикатор на отдельных светодиодах.
Вместо КР514ИД2 можно применить КР514ИД1 (которая содержит внутри токоограничивающие резисторы), либо 564ИД5, К155ПП5, К155ИД9 (при параллельном соединении между собой ножек одного сегмента), или любой другой преобразователь двоичного в семисегментный (при соответствующих изменениях подключения выводов микросхем).
Транзисторы VT1-VT4 – любые слаботочные, работающие в режиме ключа.
Принцип работы основан на подсчете количества импульсов полученных от оптопары за одну секунду и пересчет их для отображения количества оборотов в минуту. Для этого использован внутренний счетчик Timer/Counter1 работающий в режиме подсчета импульсов поступающих на вход Т1 (вывод PD5 ножка 9 МК). Для обеспечения стабильности работы, включен режим программного подавления дребезга. Отсчет секунд выполняет Timer/Counter0 плюс одна переменная.
Расчет оборотов, на чем хотелось бы остановиться, происходит по следующей формуле:
M = (N / 20) *60,
где M – расчетные обороты в минуту (60 секунд), N – количество импульсов от оптопары за одну секунду, 20 – число отверстий в реперном диске.
Итого, упростив формулу получаем:
M = N*3.
Но! В микроконтроллере ATtiny2313 отсутствует функция аппаратного умножения. Поэтому, было применено суммирование со смещением.
Для тех, кто не знает суть метода:
Число 3 можно разложить как
3 = 2+1 = 2 1 + 2 0 .
Если мы возьмем наше число N сдвинем его влево на 1 байт и приплюсуем еще одно N сдвинутое влево на 0 байт – получим наше число N умноженное на 3.
В прошивке код на AVR ASM для двухбайтной операции умножения выглядит следующим образом:
Mul2bytes3:
CLR LoCalcByte //очищаем рабочие регистры
CLR HiCalcByte
mov LoCalcByte,LoInByte //грузим значения полученные из Timer/Counter1
mov HiCalcByte,HiInByte
CLC //чистим быт переноса
ROL LoCalcByte //сдвигаем через бит переноса
ROL HiCalcByte
CLC
ADD LoCalcByte,LoInByte //суммируем с учетом бита переноса
ADC HiCalcByte,HiInByte
ret
Проверка работоспособности и замер точности проводился следующим образом. К вентилятору компьютерного куллера был приклеен картонный диск с двадцатью отверстиями. Обороты куллера мониторились через BIOS материнской платы и сравнивались с показателями тахометра. Отклонение составило порядка 20 оборотов на частоте 3200 оборотов/минуту, что составляет 0,6%.
Вполне возможно, что реальное расхождение составляет меньше 20 оборотов, т.к. измерения материнской платы округляются в пределах 5 оборотов (по личным наблюдениям для одной конкретной платы).
Верхний предел измерения 9 999 оборотов в минуту. Нижний предел измерения, теоретически от ±10 оборотов, но на практике не замерялся (один импульс от оптопары в секунду дает 3 оборота в минуту, что, учитывая погрешность, теоретически должно правильно измерять скорость от 4 оборотов в минуту и выше, но на практике данный показатель необходимо завысить как минимум вдвое).
Отдельно остановлюсь на вопросе питания.
Вся схема питается от источника 5В, расчетное потребление всего устройства не превышает 300 мА. Но, по условиям ТЗ, тахометр конструктивно должен находится внутри блока управления оборотами двигателя, а к блоку от ЛАТРа поступает постоянное напряжение 36В., чтобы не тянуть отдельный провод питания, внутри блока установлена LM317 в паспортном включении, в режиме понижения питания до 5В (с ограничивающим резистором и стабилитроном для защиты от случайного перенапряжения). Логичнее было бы использовать ШИМ-контроллер в режиме step-down конвертера, на подобии МС34063, но у нас в городе купить такие вещи проблематично, поэтому, применяли то, что смогли найти.
Фотографии платы тахометра и готового устройства.
К сожалению, сейчас нет возможности сфотографировать на станке.
После компоновки плат и первой пробной сборки, коробка с устройством отправилась на покраску.
В случае, если у Вас тахометр не заработал сразу после включения, при заведомо верном монтаже:
1) Проверить работу микроконтроллера, убедится, что он работает от внутреннего генератора. Если схема собранна правильно – на циферблате должно отображаться четыре нуля.
2) Проверить уровень импульсов от оптопары, при необходимости подобрать номинал резистора R12 или заменить схему подключения оптопары. Возможен вариант обратного подключения оптотранзистора с подтяжкой к минусу, с включенным или нет внутренним подтягивающим резистором МК. Также возможно применить транзистор в ключевом (инвертирующем) режиме работы.
P.S. по желанию заказчика тахометр отображает не один ноль, а четыре при отсутствии импульсов от оптопары.
P.P.S. Тахометр оказался очень чувствителен к перепадам оборотов двигателя. Незначительные пульсации напряжения вызывают отклонение частоты вращения, что незамедлительно отображается на экране тахометра. В будущем планирую сделать обработку для округления отображаемых результатов в пределах ±50 оборотов, если это будет нужно заказчику.
У моего токарного станка с завода есть одна неудобная особенность- шаг подачи или нарезания резьбы выставляется сменными шестернями. Смена шага- полчаса установки и настройки шестерен, затем еще полчаса на обратные манипуляции. Также отсутствует возможность нарезать левую резьбу, ну и автоподача только влево. Выход есть: купил у одного форумчанина с chipmaker.ru блок для "электронных шестерен", состоящий из энкодера, крепящегося на шпиндель, блока управления и кабелей. Помимо возможности нарезать любую резьбу с произвольным шагом от 0.001 до 4.500 мм появилась функция делительной головки (показывает угол поворота шпинделя с точностью 0.05 градуса), появилась асинхронная подача от 5 до 132 мм/мин и синхронная от 0.01 до 0.25 мм/об, левые и правые. Оставалось только докупить шаговый двигатель, блок питания, контроллер двигателя, зубчатый ремень и собрать все воедино, сделав шестерни для зубчатого ремня и пластину крепления двигателя.
Устанавливать энкодер на шпиндель- самая кропотливая и ответственная, я считаю, часть установки. Корпус энкодера, шедший в комплекте поставки, пришлось доработать- расточить центральные отверстия в самом корпусе и его крышке (корпус делался универсальным, поэтому отверстие растачивается по месту), просверлить крепежные отверстия. Корпус к ПБ крепится через латунные втулки высотой 8 мм, энкодер крепится на втулке, поджимающей задний подшипник шпинделя, для этого выточил переходную втулку из алюминия, которая крепится на вышеупомянутую втулку:
Вывел минимальные биения посадочного фланца энкодера- получилось 0.03 мм, приклеил диск и долго и тщательно подбирал положение оптического датчика- между светодиодом и фототранзистором зазор минимальный, тереться ничего не должно. Для регулировки положения клеил на плату датчика снизу изоленту и плавно закручивал крепежные винты. Провод вывел в полость ПБ через просверленное отверстие.
Панель повесил на проволочки, ибо очень хотелось проверить в работе плату:
Блок питания я использовал Omron, 25 вольт, 2.5 ампера, рассчитанный на установку на DIN-рейке. Лишенный корпуса, блок уместился в электроящик сзади станка. Регулировкой напряжения поднял напряжение на выходе до 29 вольт:
Так как блок управления делался в расчете на установку на Optimum, а у моего клона панель отличается, мне пришлось изготовить новую панель из алюминия, оклеить ее пленкой и лазером выгравировать нужные мне надписи на ней, лазер на работе имеется. На панель переехал и амперметр:
Было интересно, как обстоят дела с ошибками энкодера, проверял визуально: нулевое гнездо для ключа расположил на глаз вертикально вверх, сбросил на 0 счетчик угла поворота шпинделя и включил станок на максимальные обороты (1880) на 15 минут. Выключил и проверил, где находится 0 градусов- собственно, нулевое гнездо так и осталось строго сверху. Отличный результат, учитывая что за 15 минут было совершено около 28000 оборотов.
Качество изготовления комплекта очень высокое, корпус энкодера изготовлен из оргстекла на фрезерном станке с ЧПУ, надо полагать, плата блока управления промышленного качества- с маской, с качественным монтажом.
А тем временем мне прислали шаговый двигатель, драйвер для него и зубчатый ремень:
Занялся изготовлением зубчатых шкивов. Для этого по пластилиновому слепку ремня выточил из Ст45 фрезу для Дремеля, заточил, затыловал, закалил, еще подточил. Работает отлично. Дремель подручными средствами был закреплен во фрезерном приспособлении:
Позже хочу сделать нормальное крепление с возможностью наклона шпинделя, чтобы можно было резать червячные шестерни.
Шкивы на 18 зубьев:
Современные цифровые тахометры более точны, но требуют дополнительного питания и усложнены в сборке. Новичку-электромеханику лучше начать с простейшей стрелочной схемы.
Создание механического тахометра
Простой выносной тахометр можно собрать, используя следующие функциональные узлы:
механический цифровой счётчик – любой считающий модуль, который управляется от внешнего датчика;
геркон, в принципе действия которого – замыкание при действии магнита;
сам магнит, размещенный на крутящемся коленвале.
Механическое цифровое табло может быть заменено обычным стрелочным гальванометром – со шкалой, чей угол поворота стрелки меньше или больше 180 градусов.
Механический тахометр не требует особого питания и электронного управления. Постоянный магнит зафиксирован на валу мотора таким образом, что при его прохождении мимо датчика проносится магнитное поле, увлекающее за собой вставку из магнитящейся субстанции.
Проворачиванию этой детали сопротивляется пружинная спираль. При возрастании скорости проворачивания измерительная стрелочная головка показывает больший угол отклонения.
Недостаток стрелочного тахометра – повышенная неточность замеров и смещенный нижний предел измерений. Малые обороты не дают стрелке отклоняться – виной тому нечувствительность электроизмерительной головки к малым значениям замеряемого сигнала. Этот эффект возникает из-за определенного веса стрелки и других элементов измерительной головки, которая мешает ей отклониться.
Проверить изготовленный тахометр можно, вращая хвостовик вала в патроне дрели. Причины неисправности просты: оторвавшийся магнит на коленвале, плохой контакт в проводке, неисправные электроизмерительная головка и геркон.
При замене запчастей на аналогичные найти нужные несложно, так как авто с механическими тахометрами – машина с большим пробегом, она значительно изношена.
Можно сделать своими руками тахометр и по иной схеме – собранной из вольтметра и простейшего мини-двигателя от принтера. Шаговые бесщеточные двигатели работают не один десяток лет даже при ежедневной нагрузке. Для выпрямления переменного тока, который они вырабатывают, потребуется лишь диодный мост. В качестве источника кинетической энергии, от которой раскручивается вал моторчика тахометра, может послужить всё тот же приводной ремень генератора: завести на него третий вал несложно. Но вольтметр можно подключить и к специальной токосъемной клемме генератора.
Чтобы изготовить стрелочный тахометр, можно следовать пошаговой инструкции.
Используйте любую из других схем, которые ориентированы именно на автомобиль. Дело в том, что автомобильные платы рассчитаны не только на правильное отображение показаний, но и на срабатывание аварийной подсветки возле шкалы, которая засветится, когда обороты двигателя превысят допустимую частоту.
Напечатайте с помощью принтера и специальной программы для отрисовки шкал (например, FrontDesigner) шкалу на обычной бумаге, покройте её ламинирующим слоем для защиты от влаги. Разберите фронтальную часть, и наклейте её под будущую стрелку.
Вырежьте стрелку из металлизированного прозрачного пластика, например, из старого компакт-диска, который вышел из строя. Лицевая сторона фрагмента, из которого вырезана стрелка (уже готовый элемент) красится при помощи водостойкого лака – он крепко пристаёт к твёрдым полимерам при тщательном высушивании. Колпачок для защиты стрелки изготавливается, к примеру, из аксиального конденсатора, который уже непригоден для дальнейшего использования. Для правильных показаний стрелки наклеен небольшой противовесный элемент.
Чтобы стрелка подсвечивалась, примените на шкале бескорпусные светодиоды. Их можно либо установить так, чтобы они светили вбок, либо смонтировать на отрезке печатной платы, которая приклеивается рядом со шкалой.
Закрепите шкалу под стрелкой – и проверьте работоспособность подсветки. Для вспышки при превышении оборотов мотора смонтируйте отдельный светодиод (можно использовать цветной).
Проверьте, правильно ли подключена плата к измерительной головке, соберите тахометр полностью.
Самодельный прибор проверяют на правильность показаний. Поскольку заменённая плата адаптирована именно под автомобильный двигатель, прибор сразу должен заработать, отображая правильные показания.
Изготовление цифровой модели
Любой тахометр – аналоговый или цифровой – возможно установить и на мотоблок, на токарный или фрезерный станок.
Наиболее многокомпонентная схема тахометра может в себя включать, например, следующие компоненты:
Всем привет! Хотелось бы поделиться с сообществом своей историей модернизации тахометра ТХ-193
Неделю назад обратился ко мне один человек с довольно нестандартным заданием — нужно было обеспечить работу древнего тахометра ТХ-193(ВАЗ 2106) с современным двигателем ВАЗ21126(Приора), имеющем систему зажигания с индивидуальными катушками на каждый цилиндр, а значит просто подключить ТХ-193 к катушке зажигания уже не получится. К тому-же заказчик хотел повысить эксплуатационные качества прибора, оставив не тронутым его внешний вид и дизайн. В общем дело кончилось тем, что я взялся выпотрошить электронную начинку прибора и разработать свою, с блэкджеком и шлюхами. Информацию о частоте вращения коленчатого вала тахометр теперь будет получать от ЭБУ Январь 7.2, для чего в последнем имеется специальный вывод.
Под катом фото, видео, схема, исходники и много текста, повествующего о логарифмах и о том как правильно масштабировать данные и отделаться от запятой.
Хард
Начнем с устройства ТХ-193. Механическая часть прибора представляет из себя миллиамперметр классической конструкции, с постоянным магнитом и подвижной катушкой, приводящей в движение стрелку.
Софт
На самом деле ещё до вычерчивания схемы я оперативно собрал всё это дело на макетке, взяв контроллер в DIP корпусе и сразу же принялся махать стрелкой))
В общем то софт оказался немного интереснее харда.
Начнем с общей архитектуры:
Таймер 0 тикает с частотой 250кГц, а значит период тика = 4мкс прерывание по переполнению происходит с частотой 250кГц / 256 = 0.976кГц
а значит прерывание происходит один раз в 1024мкс. Можно было заморочиться и подогнать это дело ближе к одной миллисекунде путем обновления счетчика таймера в прерывании, но в данной задаче это не к чему. Т.е. мы можем измерять время с точностью 4мкс, что вполне достаточно для заданной точности прибора.
Таймер 0 у нас не только отсчитывает время, но ещё и выставляет флажки для запуска тех или иных задач с определенной периодичностью.
Задачи у нас две. Давать отмашку прерыванию INT0 на измерение периода импульсов на входе и изменять положение стрелки.
Таймер 1 тикает с частотой 16мГц, но т.к. он 16ти битный и используется режим Phase and Frequency Correct PWM — итоговая частота ШИМ оказывается очень небольшой и составляет что-то около 122Гц. Это потому, что таймер тикает сначала вверх, а потом вниз. Зато имеем тру 16битный ШИМ и можем очень точно рулить стрелкой! В даташите найдутся все подробности.
Механика, к слову сказать, оказалась отвратительного качества, плавно двигать стрелку было не реально из-за повышенного трения в механизме, который пришлось для начала хотя-бы смазать трансмиссионным маслом. Но это уже детали.
Была составлена таблица соответствия показаний прибора с соответствующим значением регистра таймера в ШИМ попугаях.
В исходниках это дело называется GAUGE_TABLE и вынесено по привычке в отдельный файл.
Текста почему-то получается всё больше, но не остановиться более подробно на этом моменте я просто не могу!
Итак, понятно, что нам нужна логарифмическая прогрессия. Шаг изменения тока в цепи миллиамперметра должен уменьшаться по мере приближения к целевой отметке. Ресурсы на вес золота, а значит только табличный метод. Точек тоже по возможности минимум.
Начнем с построения логарифмической таблицы.
Всё очень просто: запускаем excel и несколькими взмахами мыши получаем 50 значений логарифма по основанию 2 для последовательности от 1 до 50. Для наглядности строим красивый график.
Прекрасно! То, что нужно! Но во-первых — точек аж 50, а во вторых все числа с плавающей точкой. Это нам никак не подходит!
Поэтому отбираем из имеющегося массива 5 точек с шагом 10. Получаем что-то вроде этого:
Уже лучше. Последовательное приближение к цели всё ещё сохраняется, но точек в 10 раз меньше.
Дальше нужно нормировать полученный набор. Т.е. сделать так, чтобы все значения находились в диапазоне от 0 до 1. Для этого просто разделим каждый элемент на 5,64385618977472 (максимальное значение нашего массива).
Таким образом получаем всё ту-же логарифмическую зависимость, но уже в на много более удобном для дальнейших вычислений виде. Такую таблицу уже можно довольно легко применять, если бы не точка после нуля. Но с этим мы тоже довольно легко разберемся.
Теперь я хочу, чтобы мы приняли красивое значение 1024 за единицу и снова пересчитали нашу таблицу. Получаем
Как видим, форма графика не изменилась, но цифры теперь укладываются в 16битный диапазон и нет никаких дробей.
В исходниках полученный массив называется logtable[]
Масштабирующий коэффициент(если можно его так назвать) 1024 появился здесь не случайно и нужно очень хорошо понимать почему именно 1024.
Во-первых это степень двойки и выбрана она потому, что дорогие операции деления и умножения на степень двойки можно заменить дешевым сдвигом влево/вправо и было-бы глупо не использовать такую возможность.
Во-вторых коэффициент должен выбираться и исходя из масштабов тех данных, к которым он будет применяться. В нашем случае это значения регистра 16ти разрядного таймера, который управляет заполнением ШИМа. Экспериментально было выявлено, что неудовлетворительные колебания стрелки обнаруживаются даже при её резком смещении на 200 об/мин. Т.е. если нужно двинуть стрелку на более чем ~200 об/мин — потребуется сглаживание. Из таблицы GAUGE_TABLE видно, что соседние ячейки в среднем отличаются на 4000 ШИМ попугаев, что соответствует примерно 500 об/мин на шкале прибора. Не трудно прикинуть, что в цифрах смещение стрелки на 200об будет 4000 / 2,5 = 1600 ШИМ попугаев.
Следовательно масштабирующий коэффициент нужно выбрать таким образом, чтобы во-первых он был как можно бОльшим, потому что иначе мы теряем разряды и точность, а во-вторых как можно меньшим, чтобы не заставлять нас переходить от 16ти разрядных переменных к 32х разрядным и не расходовать ресурсы понапрасну. В итоге выбираем наименьшую степень двойки, которая меньше 1600 и обеспечивает достаточную точность. Это и будет 1024.
Этот момент очень важен. Я сам до сих пор порою испытываю трудности с выбором правильных коэффициентов и размеров переменных.
Ну а дальше уж пошло-поехало. Находим в коде реализацию display_rpm() и видим, что для определения конкретного значения в ШИМ попугаях используется таблица GAUGE_TABLE[] и предположение, что между соседними отметками шкала линейна. Для организации изменения тока по логарифмическому закону введен массив на 5 точек pwm_cuve[] в котором содержится набор значений, который нужно последовательно отнять или прибавить(в зависимости от направления движения стрелки) от pwm_ocr1a_cur_val чтобы заставить стрелку двигаться плавно и чётко.
каждый шаг формируется путем умножения значения pwm_delta на коэффициент из нашей таблицы logtable[];
Перед умножением значение предварительно масштабируется путем деления на 1024.
Конечный расчётный пункт назначения стрелки target_pwm записывается в pwm_cuve[] как есть, потому что из-за проблем с округлением и из-за ограничения размерности переменных 16битами точное значение в результате расчётов будет там образовываться весьма не часто, поэтому приходится обеспечить гарантию того, что стрелка окончит свой путь в заданной точке.
В общем то всё вышесказанное по сути заключено в одной строке
pwm_cuve[ table_i ] = pwm_ocr1a_cur_val + (pwm_delta / LOG_TABLE_MAX * logtable[ table_i ]);
Далее главный цикл по сигналу от таймера0 раз в PWM_UPD_PERIOD выгребает значения из pwm_cuve и присваивает их переменной pwm_ocr1a_cur_val, значение которой в прерывании будет присвоено регистру OCR1A, что немедленно приведет к изменению заполнения ШИМа и изменению тока в цепи миллиамперметра.
Вот, собственно и почти все хитрости, за исключением перевода периода, представленного в тиках таймера в частоту вращения коленчатого вала, которая измеряется в об/мин.
Сократилось всё это до engine_rpm = (uint16_t)(15000000UL / (uint32_t)rot_time);
О том как получилась эта цифра мы можем поговорить или не поговорить в следующий раз, потому что и без того текста получилось не мало и явно не многие дочитают даже до этого места.
Немного видео, как и обещал
На точность показаний не обращайте внимание, стрелка нормально не одета + циферблат не закручен.
Движение стрелки с шагом 1000об/мин одним скачком.
Дело ясное, что в реальности скачков в 1000об/мин не будет и те незначительные перелеты стрелки, которые всё-же можно наблюдать на видео не станут проблемой. Просто если устранить и их — то можно здорово потерять в быстродействии прибора и его показания будут отставать от реальности.
До новых встреч!
Проверка прибора на автомобиле
Клиент очень доволен!
А когда увидел эту статью и все исходники, включая некоторые фото самого процесса изготовления платы — сказал, что его мозг взорван!
Читайте также: