Stabilizace otáček stejnosměrných motorků
Jarda Ferst ( Hill )

     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 obr.1 .

Obr.1 - Provedení optického snímače

     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 na obr.2.

Obr.2 - Optické snímání otáček

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 obr.3.

Obr.3 - Provedení magnetického snímání otáček

    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. 4.

Obr.4 - Magnetické snímání otáček

    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 5 je ze starého videa Schneider a je pro názornost rozebraný a (opět pro pohled ve směru osy) je použité zrcátko.

Obr.5 - Provedení induktivního snímání otáček

     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 č.6.

Obr.6 - Indukční snímání otáček

4. Vyhodnocení otáček

      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. 7 :

Obr.7 - Schéma regulátoru otáček

      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 z obr.8.

Obr.8 - Dvojí napájení

     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.

Napsal Hill, Duben 2005