Spulen-Wickelmaschine, kompakt und transportabel (2/2)

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Elektrischer Teil

Schaltplan, Übersicht

Der elektronische Teil besteht aus 4 Platinen: • WAM97C CPU-Platine • WAM97B Bedienelemente • WAM97N Netzteil • WAM97M 4Q-Motorregler Dazu kommen noch die 2 gekauften Treiber für die Schrittmotoren.

Die CPU-Platine

Die CPU-Platine arbeitet mit einen 16-bit Prozessor vom Typ dsPIC30F4011. Der 4Q-Motorregler wird mit nur 3 Leitungen über X3 direkt angesteuert. An X4 liegen die zwei Endschalter (Schließer) für den Vorschub. X5 und X6 bedienen die zwei Schrittmotor-Treiber. Deren Eingänge sind über Optokoppler potentialfrei. An X7 ist das 4x20-LCD angeschlossen. Die Bedienelement sind an X8, die START und STOP-Tasten an X9 angeschlossen. Die Ausgänge für die Signale (LEDs) werden mit den PCF8574 ausgegeben. Auf der Frontplatte ist ein kleiner Joystick zur manuellen Bedienung des Abwicklers. Dessen Spannung kommt über X10/R19/C10 zur CPU. Der Tänzersensor ist an X11. R22 ist der Vorwiderstand für die Sende-IR-LED. Die IR-LED für den Empfang kommt über R21 zum U4A. Dieser dient als Strom / Spannungs - Wandler. Die Ausgangsspannung geht über R7 zur CPU. U4B und D1 begrenzen diese Spannung auf 5V.

Die Bedienelemente-Platine

Diese Platine sitzt hinter der Front der Steuerung. Die 6 kleinen Tasten werden über Widerstände kodiert von der CPU analog eingelesen. Ein kleiner Joystick PV1 steuert manuell den Vorschub. Mit Poti RV2 wird die Drehzahl des Aufwicklers gewählt. Mit den Inkrementalgeber U1 werden die Daten editiert. Durch drücken auf den Kopf wird Pin 5 und 6 verbunden. Das bewertet die CPU als Enter-Taste.

WAM97N Netzteil

Die Netzteil-Platine

Das Netzteil stabilisiert +/-12V für die Steuerung und die zwei Schrittmotoren. Diese werden von +12V nach -12V, also mit 24V betrieben. Weil die Stabis alleine zu wenig Strom stabilisieren können, sind noch Transitoren zur Unterstützung dazu parallel. Die Widerstände vor den Basen R3 und R4 verhindern einen frühzeitigen Tod der Transistoren bei Kurzschüssen. Das funktioniert aber nicht als Dauer- Kurzschluss-Schutz sondern nur kurzzeitig. Das Netzteil wird von einen Ringkerntrafo mit 2 mal 15VAC versorgt

WAM97M Motorregler 4Q

Der 4Q-Motorregler

Wegen der Drahtzug-Regelung wird der Abwickler mit einen DC-Motor angetrieben. Damit so eine Regelung richtig funktionieren kann ist ein Vier-Quadranten-Betrieb nötig. Diese etwas seltsame Schaltung habe ich entwickelt weil ich einen 6V-Motor und einen Netztrafo mit 2 mal 6V im Lager hatte. Für den Motor wird 7V und für die Steuerspannung von etwa 15V aufbereitet. Der Motor ist ein Permanentmagnetläufer für eine nominale Spannung von nur 6V. Der Motor wird über ein Relais K1 an X3 angeschlossen. Dieses Relais ist unbedingt nötig. Im Gegensatz zum Schrittmotor läuft ein DC-Motor sofort los wenn er Spannung bekommt. Der Motor liegt in einer H-Brücke. Gebildet von vier IFR540. Extra Freilaufdioden sind unnötig, der IRF540 hat selber welche hat. . Die CPU steuert die H-Brücke direkt mit einer PWM von 26kHz. Wenn das Tastverhältnis 1:1 beträgt, steht der Motor. Verändert sich dieses dreht der Motor in die entsprechenden Richtung. Die PWM von der CPU wird mit RC-Glieder R4/C6 bzw R5/C5 mit einer leicht schrägen Flanke versehen. Die beiden Komparatoren U3A und U3B vergleichen diese mit den verschieden hohen Spannungen am Gegenpol. Dadurch entsteht eine Totzeit damit nie alle VMOS gleichzeitig schalten. Die Gates der VMOS werden mit komplementären Transistoren Q2-Q5 niederohmig angesteuert. Die Steuerspannung für die VMOS betragen 15V. Wegen der darunter liegenden Betriebsspannung von etwa 7V benötigt die H-Brücke keine P-Kanal-VMOS. Eine Strombegrenzung für den Motor ist wegen der geringen Spannung und wegen des etwas weichen Netzteils nicht nötig.

Die Steuerung sitzt an einer Seite im Gehäuse. Erst wenn die ganze Mechanik im Gehäuse ist, kann die Steuerung angeschlossen und verschraubt werden. Dann kann man aber nicht mehr sehen ob die motorischen Bewegungen dadurch behindert werden. Deshalb habe ich wie oben im Foto einen Winkel verwendet. Mit diesen kann man die Steuerung an die Mechanik ohne Gehäuse montieren. Um zu beobachten ob alles frei läuft. Die Leitungen zur Mechanik habe ist mit einer 15 poligen D-Sub Verbindung versehen. Sind aber nicht im Schaltplan eingezeichnet.

Steuerung komplett verdrahtet

Netzteil

4Q-Motorregler

Bedienelemente- Platine

Endschalter

Joystick für Abwickler

Die Software

Die Software war etwas komplizierter als gedacht. Ich habe einige Zeit benötigt um einen guten Algorithmus für die Steuerung der beiden Schrittmotoren zu entwickeln. Die Schritte der beiden Schrittmotoren passen nie synchron zusammen. Die Steuerung darf auch nach 9999 Windungen keine Fehler aufsummieren. Die Anzahl der Windungen auf einer Lage sind nicht immer eine ganze Zahl. Die Software darf die Windungen nicht einfach abrunden, sonst rutschten die Drähte der folgende Lage in die untere Lage. Dann sind im ungünstigsten Fall die Spannungsdifferenz der nebeneinander liegenden Drähte zu hoch. Es ist mir gelungen einen Algorithmus zu entwickeln der perfekt funktioniert. Die maximal auftretenden Positionierfehler für den Vorschub beträgt über alle Windungen 2,5u. Die gesamte Anzahl der gewünschten Windungen ist eine ganze Zahl. In den einzelnen Lagen wird der Umfang einer Windung in 1600 Schritte unterteilt. Jede Lage wird in seiner ganzen Breite ausgenutzt. Bei diesen Projekt verwende ich eine andere Dateneingabe. Jede Ziffer kann getrennt editiert werden. Diese 4x20-LCDs sind für so eine Betriebsart eigentlich nicht vorgesehen. Mit einer entsprechen Software wird der Cursor festgehalten bis er durch Tasten verschoben wird. Die Steuerung des DC-Motors für den Zugregler war einfach nur mit einen P-Regler erledigt. Diese Regelung hat keinen Einfluss auf den sonstigen Vorgang. Daten der Software Programmiersprache: Assembler Source-Dateien: 21 Umfang: 6600 Zeilen incl. Programmteile: 11 in der Hauptschleife Durchlaufzeit: ca. 7us Prozessor: dsPIC30F4011

Manöver-Kritik

Wie nach jeder neuen Konstruktion erkennt man einiges was man hätte besser lösen sollen. Bei dieser Konstruktion fällt mir nicht viel ein. Ein größeres Display? Das alte 4x20 LCD kann nicht alles was eigentlich von Nutzen wäre anzeigen. Mit den 4 Zeilen muss man viel Text und Daten weglassen. Die Bedienung auf der linken Seite geht eigentlich recht gut, aber besser wäre alles von vorn oder darüber. Allerdings war die wichtigste Bedingung der Einbau in ein kompaktes Gehäuse, geht also nicht.

Nachbau

Wie fast alle meine Berichte ist auch dieser keine Bauanleitung. Das geht auch nicht weil ich bei den Teilen keine Lieferanten nennen kann. So ein Gehäuse zum Beispiel hat wohl keiner auf Lager. Ein paar Tipps: Die Steuerung funktioniert wenn folgende Einstellungen der beiden Schrittmotoren stimmen. Vorschub: 1/16 Schritt, pro Schritt muss sich der Vorschub um 2,5u (0,0025mm) bewegen. Aufwickler: 1/8 Schritt, also 1600 Schritte pro Umdrehung. Abwickler: DC-Motor mit möglichst hohen Drehmoment und geringer Drehzahl, besser mit Getriebe. Der kleine Schrittmotor für den Vorschub benötigt nicht viel Kraft. Der Treibe ist auf 0,3A, Stopp 50%, Decay 25% eingestellt. Der Schrittmotor für den Aufwickler ist bei meiner Maschine etwas geizig bemessen. Der Treiber ist auf 2,0A, Stopp 50%, Decay 100% eingestellt. Den Motor sollte man besser mit einer höheren Spannung und Leistung betreiben wenn man auch dickere Drähte mit der maximalen Drehzahl wickeln will. Die maximale Drehzahl von 370 Umdr/min kann nicht verändert werden. Der Zugregler hat keinen Einfluss auf die übrige Steuerung, kann also auch ganz entfallen. Die Lagerschalen aus den 3D-Drucker hatte ich mit ABS gedruckt. Die Maße waren genau richtig um die Lager einzuschrumpfen. Das ABS mit eine Heißluftpistole kurz angewärmt bis die Lager rein passen. Das funktionierte auch bei den Umlenkrollen. Die Download-Dateien: Die Schaltpläne sind mit KiCAD V5 gezeichnet. Der Gesamtschaltplan (WAM9700) enthält alle Schaltpläne ohne die Layouts. Die anderen Schaltpläne (WAM97B,..M,..N) sind mit denen im Gesamtplan identisch, aber mit Layouts. Jeweils mit eigene Projektdatei. Die CPU-Platine wurde extern angefertigt, die 3 anderen habe ich auf der Portalfräse im Voronoi-Verfahren selber angefertigt. Diese Layouts müssen, wenn ohne Voronoi gearbeitet wird, wegen der Leiterbahnbreite vielleicht überarbeitet werden. Die mechanischen Zeichnungen sind 1:1 im Dxf-Format. Weil ich die Bleche auf der Portalfräse mache, fehlen die Bemaßungen. Die sind aber leicht nachträglich anzubringen. Zum Beispiel mit QCAD oder den kostenlosen 2D-CAD “LibrCAD”. Die Teile für den 3D-Drucker sind im Stl-Format im Download vorhanden.

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