letzte Bearbeitung : 09.08.2011
Nachdem ich mir das DIY Scheu Masselaufwerk zugelegt hatte und ich die doch recht hohen Laufgeräusche und das geringe Drehmoment des Scheu DC-Motors als störend empfunden habe, bin ich direkt in die Entwicklung einer eigenen Motorsteuerung eingestiegen. Nach vielen Recherchen und dem Aufbau einer ersten Leiterplatte mit einem sehr flexiblen μC System zur Ansteuerung diverser Motortypen habe ich letztendlich einen ebmpapst VARIODRIVE Compact Motor gekauft. Bei diesem handelt es sich um einen EC-Gleichstrommotor mit einer integrierten Regelelektronik und einem Drehmoment von 45mNm. Die gewünschte Drehzahl wird dem Motor durch eine externe Frequenz vorgegeben. Für das ansteuernde μC System habe ich mir die folgenden Anforderungen ins Pflichtenheft geschrieben :
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Der von mir verwendete Motor ist ein embpapst VARIODRIVE Compact VDC-3-43.10 den ich als Einzelstück bei Breuell & Hilgenfeldt bestellt habe.
Hier eine kurzer Auflistung der Eigenschaften des Motors aus dem Prospekt von ebmpapst :
Von dem beschriebenen Motor gibt es eine Version mit Frequenzsteuerung die nicht im Katalog aufgeführt ist (Artikel-Nr. 937.4310.602). Nach Aussagen des Vertriebs hat diese Version eine höhere Drehzahlkonstanz als der gleiche Typ mit Spannungssteuerung (man findet diesen Motor auch in anderen Masselaufwerken aus deutschen Landen). Außerdem verringert sich mit einer Frequenzansteuerung der Schaltungsaufwand beim µC-System – es wird kein D/A-Wandler benötigt und die variable Frequenz läßt sich unter anderem direkt mit dem Timer 2 eines AT89C51RC2 erzeugen.
ebmpapst VARIODRIVE Compact (Ober- & Unterseite)
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Die erste Version des Motortreibers erzeugte den Takt des Motors mittels eines der Timer des µC's. Diese Steuerung habe ich eine längere Zeit sehr erfolgreich an meinem Laufwerk betrieben. In der zweiten hier beschriebenen Version wird der Steuertakt des Motors mit Hilfe des DDS Chips AD9833 erzeugt (DDS: Direct Digital Synthesis). Bei einer Taktversorgung von 1MHz ergibt sich eine Frequenzauflösung von ca. 0,004Hz mit diesem Chip.
Basis des Microcontroller-Systems ist der von mir schon des öfteren eingesetzte 8051 Controller Atmel AT89C51RC2. Das User-Interface besteht aus einem LC-Display mit 2 Zeilen und 20 Spalten und einem Drehwinkelgeber mit integriertem Taster. Mit diesen beiden Elementen wird die komplette Bedienung, Parametrierung und Ausgabe von Informationen durchgeführt. Ein RTC Baustein (Real Time Clock) dient zur Ermittelung von Laufzeiten und als Taktgeber für die Interrupt-Routine zum periodischen einlesen des Drehwinkelgeber. Betriebsparametern und Vorgaben des Benutzers (z.B. Regelparametern) werden in einem EEPROM nicht flüchtig gespeichert. Ein Quarzoszillator stellt eine 1MHz Referenzfrequenz für die Messung der Rotationsgeschwindigkeit und als Taktversorgung für den DDS Chip zur Verfügung.
Die Leiterplatte der Version 2 ist natürlich aus der Version 1 entstanden. Deshalb ist auch der Teil für die 24V Versorgung des Motors mittels eines Netzteils rund um den 5A Spannungsregler LT1084 noch vorhanden – allerdings unbestückt. Die Versorgung des Motors übernehmen zwei in Reihe geschalteter 12V Blei-Gel Akkus. Als Aufsatzplatine gibt es für diese Akkus eine automatische Ladeschaltung inkl. eines A/D-Wandlers zur Messung der aktuellen Versorgungsspannung der Motoren.
Motor Treiber μC System und Power Supply
Motor Treiber Display
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Eine wichtige Voraussetzung für das ganze Projekt war für mich die Erfassung der Drehzahl des Plattentellers. Hierfür habe ich unter den Scheu-Teller eine Stroboskopscheibe aufgeklebt und in die Basis eine infrarote Sende-Empfangseinheit eingebaut dessen Licht an der Stroboskopscheibe reflektiert wird (siehe Scheu).
Das Signal aus dem Reflexionssensor gelangt über einen Komparator auf einen externen Interrupt-Eingang des µC. Das noch benötigte Referenzsignal zur Drehzahlmessung wird vom einem Quarzoszillator erzeugt und während einer Periode der Drehzahlmarke von einem der 16 Bit Timer gezählt. Bei einer Stroboskopscheibe mit 54 Markierungen pro Umdrehung ergeben sich folgende Frequenzen bei Nenndrehzahl :
f33 = 33 1/3 ⋅ 54 / 60 = 30Hz
f45 = 45 ⋅ 54 / 60 = 40,5Hz
Mit einer Referenzfrequenz fo des Quarzoszillators von 1MHz erhält man eine Auflösung ε von
ε33 = f33 / fo = 30 / 1000000 =
3⋅10-5
ε45 = f45 / fo = 40,5 / 1000000 = 4,05⋅10-5
und damit eine Genauigkeit der Messung die mehr als ausreichend ist. Auch die Anzahl der zu zählenden Impulse c der Referenzfrequenz pro Periode der Meßfrequenz läßt sich mit dem 16 Bit Timer des Controllers bewältigen.
c33 = 1 / ε33 ≈ 33333 = 8235hex
c45 = 1 / ε45 ≈ 24691 = 6073hex
Gemessen wird 18× pro Umdrehung (alle 20°) und die Meßwerte werden mit einem Moving Average Filter gemittelt. Dies garantiert das kleine Meßfehler wegen eventueller Unschärfe der Messung an den Rändern der Markierungen und/oder einer kleinen Exzentrizität der Scheibe gefiltert werden.
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Für die Inbetriebnahme des Motortreibers mußte der eigentliche Motor erst einmal mechanisch stabil und schwer genug – zum Aufbau einer vernünftigen Riemen- oder Stringspannung – montiert werden. Hierfür habe ich mir eine Scheibe aus V2A drehen (Ø 140mm, Höhe 40mm) und für den Motor entsprechende M4 Gewinde einbringen lassen. Somit konnte der Motor mit Hilfe von M4 Gewindestangen, inkl. Pufferelemente, auf diese Scheibe verschraubt werden. Unter die Scheibe sind kleine Gummifüße von mir aufgeklebt worden.
Das Pulley auf der Motorachse stammt übrigens von Dr. Feickert Analogue. Ich habe es auf dem Analog Forum 2009 der AAA in Krefeld gesehen und mich anschließend direkt mit Hr. Feickert in Verbindung gesetzt. Er war so freundlich mir Pulley's für einen mehr als fairen Preis zu überlassen.
Prototypenaufbau des Papst Motors
Auf dem Bild unten ist der komplette Aufbau des Prototypen bei der ersten Inbetriebnahme am Laufwerk zu sehen. Der Motor hat einen sehr leisen Lauf, Vibrationen sind aber natürlich direkt am Motor zu spüren. Die Pufferelemente in den Gewindestangen filtern diese schon weitestgehend heraus und die große Masse der V2A Scheibe unterdrückt den Rest.
Prototypenaufbau des Motortreibers
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