Stabilizace otáček
stejnosměrných motorků
Taky
vás to potrefilo? Sbírka desek a kazet, případně pásků, gramofon i magnetofony
jinak dobré, jen to kolísání by mohlo být menší…
Příčiny
jsou obvykle dvě – vadná ložiska motoru, která se projevují u všech typů
motorů, ale hlavně nestabilní přechodový odpor mezi kartáčky a kolektorem
rotoru. Současné regulátory totiž stabilizují otáčky na principu kladné zpětné
vazby, která kompenzuje změny odběru motorku se zatížením. Odpor vinutí se na
tom také podílí a je s těmito přechodovými odpory v sérii. Dál to rozebírat
nebudu, tento princip je snad dostatečně známý a jeho podstata byla předmětem
mnoha jiných článků.
Nejlepší
je, když je k mání nový motor. Ty jsou na trhu skutečně ve slušném výběru.
Ale, pokud jde třeba o náhradu motoru v některém tape-decku řady Tesla SM, už máme problém. Výběr vhodné náhrady
je značně omezený. Podle Murphyho bývá k sehnání
jen motor určený do jiné verze a v té je jako naschvál umístěný opačně,
takže je předem dán i směr jeho otáčení. To znamená, že i kartáčky jdou „proti
srsti“, dlouho nevydrží, a původní regulátor si s tím opět neporadí.
Zbývá dovybavit motorek snímačem otáček, ty
vyhodnotit a vzniklým signálem zpětně ovládat motor.
Teď
jak získat informaci o otáčkách? Uvádím tři možnosti. Všechny jsou na
obrázcích. Fotografie jsem pořizoval přímo scannerem, proto je ve dvou
případech použité zrcátko, aby bylo vidět na motorek ve směru osy.
1. Optický snímač
Začnu
tedy tím magnetofonem – při přestavbě SP210 na stereofonní SM216D jsem použil
setrvačník z nejrozšířenější kazetové mechaniky, která se vyskytuje snad
ve všech levných přístrojích. Plastový náboj jsem z něj vyndal a setrvačník
nalisoval na řemeničku motoru. Nemaje děličky, použil jsem ozubené kolečko od
unášeče téže mechaniky – má 52 zubů, takže jsem si pomocí jednoduchého
přípravku proti každému čtvrtému vyvrtal do okraje setrvačníku otvor o průměru
1,5 mm, je jich tedy po obvodu celkem 13. Tento počet stačí vzhledem
k tomu, že magnetofon má vlastní poměrně těžký setrvačník poháněný plochým
řemínkem a ten „děrovaný“ setrvačník naražený na ose motoru celkem vyhovoval
v původní mechanice při už asi 8 otáčkách za sekundu, zatímco zde se točí
5x rychleji a vlastně dodatečně stabilizuje otáčky při skokových změnách
mechanické zátěže, například při dosednutí přítlačné kladky na tónový hřídel.
Jistě by bylo vhodnější použít lehčí kotouč (nemusí se kontrolovat vyvážení)
s podstatně hustším dělením – vyšší kmitočet dovoluje použít regulaci
s rychlejší odezvou a tedy i přesnější. Ale, jak bývá obvyklé, toto
provizorní řešení pro své dobré vlastnosti v tom magnetofonu zůstalo
natrvalo, ačkoliv původně jsem ho stvořil pro pokusné účely.
Setrvačník,
pardon – říkejme kotouč optického snímače – přesahuje právě o 2 mm obrys
vnějšího pouzdra motoru, což dovoluje uchytit tam fototranzistor
KP101 nebo podobný. Z pocínovaného plechu jsem vyrobil držák na
infračervenou LED. V zásadě lze jako světelný zdroj použít jakkoli
barevnou LEDku. Provedení snímače je na obrázku motor_opt.jpg .
Fototranzistor je napájený zdrojem udržujícím jeho
pracovní bod tak, aby byl signál čitelný v širokém rozsahu hladin okolního
osvětlení, přitom ale pro střídavou složku se chová jako velký zatěžovací
odpor, což umožňuje snadné tvarování impulsů pro spouštění obvodu (NE)555. Viz
schéma opticky.tif.
2. Magnetický snímač
používám
v pohonu gramofonu, protože tímto způsobem předělaný pohon dovoluje elektronicky
řídit otáčky při vždy žádoucí dobré filtraci mechanických ruchů. Polohu hřídele
hlídá integrovaná Hallova sonda s vestavěným Schmittovým klopným obvodem vybraná z disketové mechaniky,
kde vlastně dělala totéž. Na hřídeli motorku je nasazený kruhový feritový
magnet už z výroby – jen je shora ocelový segment jako pólový nástavec –
viz motor_hall.jpg. Tento obrázek souvisí s dalším článkem, který
možná potěší, možná vytočí, příznivce vinylu, ale zatím nemá tu správnou štábní
kulturu, tak aspoň legenda: B=motor
ze starého videa, C=Hallova sonda z disketové mechaniky, D=pólový nástavec, pod ním je magnet.
Po každé otáčce generuje obvod jeden impuls
(reaguje jen na jeden směr magnetického pole). Samozřejmě by byl lepší vyšší
počet impulsů na otáčku, ale s těžkým kotoučem z produkce bývalého
podniku Elektronika toto provedení naprosto vyhovuje. Signál je přesný a
stabilní a jednoduchým tvarováním slouží ke spouštění časovače 555. Zapojení je
na obr. halluv.tif.
K této
úpravě se zase někdy vrátím: existuje totiž způsob potlačení jedné složky hluku
gramofonu, kterou většina filtrů potlačí současně s částí užitečného
signálu, přitom si nepřekáží s jinými způsoby odhlučnění gramofonu…ale to
je skutečně na samostatné téma.
3. Induktivní snímač
tachogenerátor
integrovaný v pouzdře motoru nám ušetří hodně mechanické práce. Ten na
obrázku motor_ind.jpg je ze starého videa Schneider a je pro názornost
rozebraný a (opět pro pohled ve směru osy) je použité zrcátko.
Ozubené
kolečko indukuje v cívce 50 period střídavého napětí na otáčku, přičemž
napětí současně s otáčkami roste. Toto napětí lze usměrnit a přímo použít
k řízení otáček, ale příliš přesné to není, pokud nechceme zbytek mládí strávit
zkouškami různých variant teplotní kompenzace – viz zapojení podobných
regulátorů v sériově vyráběných přístrojích. U velké série ten výzkum za
to stojí, u jednoho kusu ne.
Lepší
řešení je opět tvarovat výstupní signál na pokud možno obdélníkový průběh, ze
kterého se derivačním členem vytvoří jehlové impulsy pro spouštění časovače
555. Jak jednoduché to je, ukazuje obrázek indukcni.tif.
zajišťuje
již několikrát zmíněný časovač 555. Je to snad i neúmyslně geniální obvod – při
použití dobrého svitkového nebo fóliového (MKT) kondenzátoru a sériové
kombinace rezistoru s kovovou vrstvou a uhlíkového trimru pro přesné nastavení
otáček, kde trimr dovoluje změnu otáček o asi +/-10%,
je doba kyvu obvodu natolik stabilní, že,
jak uvedu později, naměřená odchylka rychlosti byla menší, než mívají komerční
regulátory. V časovacím obvodu (na
pozici Ct) se naproti tomu elektrolytický kondenzátor
ukázal jako dlouhodobě naprosto nevhodný.
A
teď k zapojení vlastního regulátoru na obr. regulator_ot.tif:
Zapojení
s NE555 pracuje tedy jako otáčkoměr, trimrem se
nastavuje délka impulsu a s ní i otáčky, při nichž je na výstupu dvojitého integračního
filtru napětí o velikosti přibližně poloviny napětí napájecího. Operační
zesilovač porovnává toto napětí s polovinou napájecího napětí nastavenou
na neinvertujícím vstupu odporovým děličem - pracuje
jako zesilovač odchylky. Toto zapojení do značné míry kompenzuje kolísání
napájecího napětí, jeho stabilizace tedy není nezbytně nutná, i když se rozhodně
hodí. Ve smyčce záporné zpětné vazby je další kondenzátor, který zpožďuje
reakci. Tranzistor n-p-n (hodí se i Darlington) tvoří
výkonový stupeň. Pro případ, že motor a regulátor nejsou napájené
z jediného zdroje, poslouží zapojení dvoji_nap.tif – zde je výkonový tranzistor
v zapojení SE a motorek napájet nestabilizovaným napětím, zatímco
regulátor stabilizovaným.
Zde
je třeba věnovat pozornost hlavně tlumení regulační smyčky snímač-tacho-motor, které je závislé také na zisku tohoto
zesilovače. Vlivem různých setrvačných hmot rotoru motorku, setrvačníku, dále
vlivem pružnosti řemínku a zpoždění převodníku f/U (otáčkoměru) při prudší
změně mechanických odporů, např. už zmíněném dosednutí přítlačné kladky nebo
zadrhnutí kazety, se může celá regulační smyčka rozkmitat, pokud má OZ s
výkonovým stupněm příliš velké zesílení. Naopak při malém zisku není regulace
dostatečně účinná. Nastavuje se hodnotou rezistoru ve smyčce zpětné vazby OZ.
Důležité: čím přesněji
je obvod kotouče rozdělen, tím snadněji lze vyhladit výstupní napětí otáčkoměru;
lze zkrátit časovou konstantu filtru i zvýšit zisk zesilovače odchylky bez nebezpečí
rozkmitání soustavy. Rovněž více impulsů na otáčku umožní zkrátit časové
konstanty filtračních prvků a tím i časovou odezvu smyčky. Pak bude možné
počítat s dlouhodobou a tepelnou stabilitou danou pouze součástkami otáčkoměru.
Praxe ukázala, že během 8 hodin provozu se hrací doba jedné strany téže kazety
RAKS C90HD měnila pouze v rozsahu 46´12" až 46´28", t.j. o méně než 0.6 %. Tento typ
kazety jde tradičně ztuha. Střídal jsem je s kazetami TDK a Emgeton.
Ve všech případech je dlouhodobá stabilita více než vyhovující.
Neuvádím
hodnoty časovacích prvků Rt a Ct
– ty závisí na požadovaných otáčkách a počtu impulsů, které dává snímač na
jednu otáčku.
Kterýkoli
ze snímačů se připojí na výstupní svorky regulátoru označené U, P a zem, způsob
připojení je zřejmý ze schémat. Hodnoty rezistorů a kapacit ve filtračním
řetězci vyhovují v rozsahu cca 50-250 impulsů/s. Při příliš velkých překmitech
regulace je vhodné kapacity v řetězci zmenšit, stejně tak při vyšším počtu
impulsů na otáčku. Pak bude třeba zmenšit i zesílení stupně s OZ.
Proto
je vhodné s ručkovým měřidlem připojeným na výstup OZ nebo osciloskopem připojeným
na výstup časovače 555 sledovat reakci regulátoru na přibrzdění rotoru prstem.
Samozřejmě je třeba nasadit řemínek, aby se uplatnil i vliv setrvačníku.
Po
přibrzdění a uvolnění řemeničky obvykle regulační smyčka překmitne, případně se
kmity udrží nepříjemně dlouho. Pak je třeba odpor Rv
zmenšovat tak dlouho, až se podaří dosáhnout stavu, kdy smyčka jednou mírně
překmitne a výstupní napětí (nebo opakovací frekvence impulsů na výstupu NE555)
se ustálí. Prostě ve zvuku nesmí být slyšet ani nízká účinnost regulace, ani
překmity způsobené nadměrnou „forsáží“.
Tento
způsob regulace vyžaduje dobré chlazení výkonového tranzistoru.
Zapojení
uvádím jen jako námět – proto také chybí hodnoty součástek v časovacím
obvodu, za dogma nepokládejte ani hodnoty řady dalších součástek. Ostatně volba
řady hodnot začala tím, co šuplík dal, a ostatní se dopočítaly tak, aby to
fungovalo.
Pokoušel
jsem se vytvořit zapojení se smyčkou fázového závěsu, kde se poloha hřídele motoru
bude přímo porovnávat časově s referenčním kmitočtem. První výsledky byly
docela povzbudivé, ale rozběh motorku a chování regulační smyčky při vypadnutí
ze synchronizace mne docela vytrestaly.
Nakonec
– i tohle je námět na bastlení: komu se to podařilo
zvládnout s dobrým výsledkem, zveřejněte to. Kdo ví, komu se to může
hodit.
Pro
řadu účelů, kde na vyšší přesnosti záleží, se ale spíše budou hodit třífázové
hysterezní synchronní motory třeba pro capstan videa.
Regulaci mají už vyřešenou a jde jen o to, vyrobit pro ně vhodný zdroj
referenčního signálu.
Hill, duben 2005