leoniv.diod.club

Кварц в «Электроника-004»

Из всей линейки катушечных магнитофонов «Электроника» и «Олимп» можно выделить аппарат «Электроника-004» (далее Э-004). В качестве ведущего двигателя в нем использовался синхронный двигатель ДБ-95, сделанный по лицензии японской фирмы «Шинано Токки».

В других магнитофонах этой линейки использовались асинхронные двигатели. Конечно, со своей задачей они тоже справлялись, но выглядело это не очень красиво. Двигатели питались переменным напряжением сетевой частоты, а для регулировки скорости производилось регулирование напряжения питания с помощью транзистора, включенного в диагональ диодного моста. Т.е. скорость регулировалась за счет изменения скольжения, а частота питающего напряжения оставалась неизменной. Наверное, в 70-е годы, откуда берут свое начало эти аппараты, так было сделать легче. Транзисторный коммутатор для двигателя вызывал тогда заметное усложнение аппарата. Тем не менее, в Э-004 коммутатор появился.

Двигатель ДБ-95 имеет внешний ротор, внутри которого находится кольцевой 8-полюсный магнит. К ротору прикреплена большая стальная шестерня, которая является частью тахогенератора. Внутри ротора находится статор. Его сердечник набран из пластин электротехнической стали и имеет 24 паза. В пазы уложены обмотки каждой из трех фаз, по 8 секций каждая.

Ротор насаживается на вал, который вращается в подшипниках. Спереди находится подшипник скольжения, выполненный в виде бронзографитовой втулки. Такие втулки изготавливают методом порошковой металлургии. Они могут быть бронзовыми, или могут иметь присадку в виде графита (до 5%). Материал делают пористым, чтобы он мог удерживать смазку. Втулки подвергают специальной обработке в наполненной маслом ванне при температуре 100…120 градусов. В результате масло проникает внутрь пор материала. В литературе работу таких подшипников описывают так:

«Особенностью пористых спеченных подшипников является самосмазывание. Это свойство основано на том, что во время работы, по мере нагревания подшипников, масло, удерживаемое в порах и мельчайших каналах материала за счет капиллярных сил, постепенно вытесняется наружу и образует смазочную пленку на рабочей поверхности, а при остановке и последующем охлаждении всасывается обратно. Очевидно, что ресурс масла, находящегося в порах, ограничен и такие подшипники эффективны в узлах, работающих с малой скоростью и нагрузкой, а также там, где допустимо сухое трение.» – К. В. Молоденска, А. А. Цагараев «Применение пористых спеченных материалов при ремонте оборудования».

В настоящее время предлагается широкий ассортимент готовых втулок из пористой бронзы и бронзографита: Sintered bronze bearings

По причине того, что бронзографитовые втулки пропитаны маслом, при обслуживании их не рекомендуется протирать бензином и другими растворителями. Растворитель способен вымыть масло из пор материала, что приведет к ухудшению смазывания. Протирать такие втулки можно тряпочкой, смоченной в масле.

Почему используют передний подшипник скольжения? Из преимуществ – более низкий шум, чем у подшипников качения и более равномерный момент трения. Неравномерность момента трения может приводить к повышенной высокочастотной детонации. Конечно, существуют прецизионные подшипники качения, которые имеют лучшие характеристики, чем подшипники скольжения. Но, вероятно, они слишком дорогие для данного применения.

Сзади установлен подшипник качения (608ZZ). В отличие от переднего подшипника, он не испытывает значительных радиальных нагрузок со стороны прижимного ролика. Задним торцом вал через шарик упирается в подпятник из какого-то полимера, похожего на капролон. Силу давления на подпятник обеспечивают пружинящие шайбы, которые устанавливаются на валу между ротором и подшипником качения.

Целью разборки была профилактика двигателя – смазка, замена подшипника качения. Этот подшипник был основательно разболтан, в отличие от подшипника скольжения, где не было заметно никакого износа. Главным сюрпризом явилось то, что вал двигателя, который должен быть запрессован в ротор, легко вынулся. Возник вопрос – как закрепить ротор на валу? Решил использовать эпоксидку. Чтобы она затекла в зазор, развел ее растворителем до жидкого состояния. Также был поврежден подпятник – в нем образовалась трещина. Пришлось изготовить новый. Для этого использовал фторопласт с какими-то добавками (возможно, дисульфида молибдена). Из фторопластовой болванки выфрезеровал пластинку толщиной 1.5 мм, вырезал из нее деталь круглой формы и вставил ее в углубление крышки двигателя.

К основанию двигателя сбоку прикручена бакелитовая деталь, на которой размещены датчики скорости и положения ротора. Датчик скорости представляет собой магнитную головку, похожую на головку магнитофона, только с большим зазором. К ней по бокам приклеены небольшие магниты. Когда у зазора головки проходит зуб шестерни, магнитное сопротивление цепи меняется. Меняется и магнитный поток, а на выходе головки получается близкий к синусоидальному сигнал с размахом около 0.5 Vp-p. Частота этого сигнала выше частоты вращения ротора в 174 раза (так как шестерня имеет 174 зуба).

Под датчиком скорости расположены датчики положения ротора. Они представляют собой катушки, намотанные на П-образных ферритовых сердечниках. Магнитный поток замыкается через внешнюю часть ротора. Ротор по окружности имеет вставки из немагнитного материала. Катушки включены в схемы генераторов Колпитца (емкостная трехточка) на одном транзисторе. Когда напротив катушки находится немагнитная вставка, индуктивность составляет примерно 1.5 мГн, генератор работает на частоте примерно 125 кГц. Когда ротор поворачивается на такой угол, что напротив катушки оказывается его стальная часть, добротность резко падает, и генерация срывается. При этом ток транзисторного каскада резко возрастает. Возрастает и падение напряжения на эмиттерном резисторе, с него снимается готовый логический сигнал. Схема блока управления двигателем приведена ниже (схема кликабельна).

Чаще для целей определения положения ротора двигателей используются датчики Холла, но в то время, наверное, с ними был дефицит.

Сигналы датчиков положения ротора управляют ключами, которые коммутируют обмотки двигателя. Тут имеется полная аналогия с коллекторным двигателем – там тоже в зависимости от угла поворота ротора включается нужная обмотка. Разница только в том, что там обмотки на роторе, а здесь – на статоре. Если подать на такой двигатель (коллекторный или бесколлекторный с электронным коммутатором) постоянное напряжение, то ротор начнет вращаться. По мере разгона будет увеличиваться обратная ЭДС машины и падать потребляемый ток, а вместе с ним и развиваемый момент. В результате на некоторой скорости наступит равновесие – момент, производимый двигателем, сравняется с моментом потерь. Скорость вращения при этом будет неизвестной и довольно высокой. Нам же надо, чтобы двигатель вращался с вполне определенной скоростью. Для этого вводят петлю обратной связи для регулировки скорости.

Данные о скорости вращения получают с датчика скорости. Регулируя ток обмоток двигателя, надо добиться того, чтобы частота сигнала с датчика скорости имела требуемое значение.

В ранних экземплярах магнитофона была установлена плата управления японского производства. Затем ставился ее клон нашего производства. Схема имела отличия от более поздних вариантов. Чуть по-другому была сделана схема датчиков положения ротора. Там использовались диодные детекторы сигнала генераторов и дополнительные транзисторы для формирования TTL-уровней.

Петля обратной связи по скорости там была выполнена примитивно: сигнал с датчика скорости преобразовывался в короткие импульсы, которые открывали ключ. Этот ключ закорачивал на землю емкость, которая заряжалась по экспоненциальному закону через резистор. Дальше это напряжение, похожее на пилообразное, поступало на компаратор, на выходе которого получались прямоугольные импульсы с ЧИМ-модуляцией (частотно-импульсной). Она чем-то похожа на ШИМ, полезную информацию здесь тоже несет среднее значение напряжения. Это напряжение фильтровалось, усиливалось и подавалось на транзисторный каскад, который управлял током обмоток двигателя.

В более поздней схеме для стабилизации скорости применена полноценная ФАПЧ. Казалось бы, до кварцевой стабилизации частоты вращения остался один шаг. Но вместо этого на плате применен обычный RC-генератор на ОУ. Правда, для улучшения стабильности использованы качественные конденсаторы внушительных размеров: К71-4В 0.022 мкФ ±5% 250 В и параллельно ему КСО-5 3300 пФ ±10% 500 В.

Сигнал с частотно-фазового детектора поступает на усилитель ошибки, который управляет выходными ключами. Которые, впрочем, ключами называть не совсем правильно, ведь они работают в линейном режиме. Логика просто разрешает включение транзистора, а аналоговый сигнал может его открыть больше или меньше. В таком режиме транзисторы могут рассеивать значительную мощность, поэтому они установлены на довольно большом радиаторе. Хотя практически они нагреваются слабо. Потребляемый двигателем ток в режиме холостого хода меньше 100 мА, а при максимальной нагрузке составляет 300…400 мА.

На этой плате обнаружил забавную вещь: выводы некоторых резисторов поросли черным мхом. А конкретно R24, 33, 39, 45, 46, 50, 51, 52. Выводы остальных резисторов в норме. На фото два резистора МЛТ, на выводах R33 мох есть, а на выводах R30 – чисто. При этом на всех остальных платах в магнитофоне все чисто. На механике тоже нет никаких следов сырости или чего-то еще.

Самое странное то, что таким черным мхом выводы резисторов покрылись очень выборочно. Но общем фото можно все рассмотреть (фото кликабельно). Насколько я понял, черным мхом покрылись только те выводы резисторов, которые были покрыты серебром. Выводы с обычным лужением остались красивыми. Возможно, этот мох – кристаллы сульфида серебра.

В общем, задача сводится к получению опорной частоты. Нужно сделать кварцованный генератор, но значение выходной частоты потребуется какое-то «кривое».

Расчет требуемой опорной частоты не совсем прост. В книжках по магнитной записи приводится следующая формула для скорости магнитной ленты: V = [pi * (D + d) * (1 - S) * n] / 60, где D – диаметр ведущего вала, d – толщина магнитной ленты, S - коэффициент упругого проскальзывания, n - частота вращения вала.

В зоне контакта ленты с валом она движется по дуге окружности. За скорость ленты принимается скорость точки на половине ее толщины, т.е. к радиусу вала добавляется половина толщины ленты, а к диаметру, соответственно, полная толщина. Величину D + d называют эффективным диаметром ведущего вала Dэфф.

Любые фрикционные передачи, имеющие эластичный элемент, обладают упругим проскальзыванием. В результате передаточное отношение таких передач (например, ременной) не равно в точности отношению диаметров шкивов. А что самое худшее, оно зависит от нагрузки. Упругое проскальзывание является следствием упругой деформации. Не надо путать это понятие с полным проскальзыванием (буксованием).

В ременной передаче скорость шкивов определяется набегающей веткой ремня. Ветки ремня натянуты по-разному. Та, которая растянута больше, движется быстрее (так как через любую плоскость сечения ремня в единицу времени должна проходить одна и та же масса ремня). В результате окружная скорость на ведомом шкиве будет ниже, чем на ведущем, а передаточное отношение не будет равно расчетному. Чем больше разница растяжения веток ремня, тем больше эта разница.

В роликовых фрикционных передачах наблюдаются похожие эффекты, только их рассмотрение менее наглядно. Вообще, теория работы прижимного ролика в магнитофонах довольна сложна, есть разные модели ролика, вплоть до жидкостной с использованием закона Бернулли. Но в данном случае важен лишь тот факт, что на ведущем узле всегда есть проскальзывание. На практике для катушечного магнитофона оно составляет порядка 0.1% и может меняться в зависимости от натяжения ленты по обе стороны ведущего узла, состояния ролика, силы его прижима и т.д. Это довольно печальный факт. Кварцевая стабилизация частоты вращения ведущего вала в магнитофоне не гарантирует точного значения скорости ленты. В отличие от виниловых проигрывателей, где частота вращения диска полностью определяет конечный результат.

Тем не менее, кварцевая стабилизация в магнитофоне весьма полезна, она позволяет уменьшить количество регулировок. Остаточная погрешность совсем невелика и ей можно пренебречь.

Вернувшись к расчету необходимой опорной частоты, надо выяснить диаметр ведущего вала. Измерения дают следующие результаты: вал имеет шейки для подшипников диаметром 8.00 мм, а рабочая часть вала имеет диаметр 7.80 мм. В книжках часто диаметр указан ошибочно как 7.70±0.01 мм.

Тогда для диаметра вала 7.80 мм и толщины ленты 35 мкм (магнитофон настраивается с такой лентой) получаем эффективный диаметр вала Dэфф = 7.800 + 0.035 = 7.835 мм. Длина окружности L = Dэфф * Pi = 24.614378 мм. Для скорости ленты V = 7.5 ips (19.05 см/с) получаем частоту вращения вала Fcapstan = V / L = 7.739379 Гц. Частота тахогенератора (и опорная частота) Fref = Fcapstan * 174 = 1346.652 Гц. С учетом проскальзывания 0.1% получаем значение Fref = 1347.998 Гц, что совпадает с указанным в документации (1348±3 Гц).

Для скорости 3.75 ips (9.53 см/с) частота таходатчика должна быть ровно вдвое ниже. Но от опорного генератора такой частоты не требуется, так как плата управления имеет отключаемый делитель на 2. Такой же делитель есть и в цепи сигнала таходатчика, что позволяет получить скорость 15 ips (38.1 см/с).

Для получения произвольных частот обычно берут кварцевый генератор с частотой побольше и делитель частоты. В принципе, с этой задачей справился бы 16-разрядный таймер микроконтроллера. Если частота кварца, скажем, 16 МГц, то для получения частоты 1348 Гц ее надо поделить на число порядка 10 000. При этом дискретность установки частоты получится примерно 0.01%, что более чем достаточно.

Генератор опорной частоты хотелось сделать компактным, на основе какой-нибудь 8-ногой ATtiny. Но в таких контроллерах нет 16-разрядных таймеров. Разрешения же 8-разрядного таймера явно недостаточно.

Есть и другой способ получения произвольной частоты – это использование NCO (Numerically Controlled Oscillator). Фактически это часть DDS, только без преобразователя кода фазы в код амплитуды, без ЦАП и без фильтра. NCO состоит из аккумулятора фазы, к которому в каждом такте добавляется значение регистра частоты. Старший разряд аккумулятора фазы можно использовать как выход NCO. Дискретность задания частоты определяется только разрядностью аккумулятора фазы и может быть сделана сколь угодно малой. Естественно, выходной сигнал может менять свое состояние только по фронту тактового сигнала. Поэтому ошибка реального положения фронта выходного сигнала относительно его идеального положения может достигать одного периода тактового сигнала. Именно таким будет джиттер на выходе. Но среднее значение частоты будет выдержано точно.

Микроконтроллеры AVR, в отличие от некоторых микроконтроллеров PIC, не имеют аппаратного блока NCO. Поэтому его приходится реализовывать программно. При программировании на ассемблере при тактовой частоте 16 МГц можно работать с частотой прерываний 0.5 МГц, загрузка процессора при этом составляет примерно 60%.

.org OC0Aaddr

                                ;4      address store
	in	tsreg,SREG	;1	save status register

	add	Phase1,Freq1	;1      Phase = Phase + Freq
	adc	Phase2,Freq2	;1
	adc	Phase3,Freq3    ;1
	adc	Phase4,Freq4    ;1

	brmi	Off		;1/2
On:	sbi	PORTB,FOUT	;2	OUT = 1
	rjmp	OnOff		;2
Off:	cbi	PORTB,FOUT	;2	OUT = 0
	nop			;1

OnOff:	out	SREG,tsreg	;1      restore status register
	reti                    ;4	restore address (19 total)

При 32-разрядном аккумуляторе фазы и частоте работы NCO 0.5 МГц шаг установки частоты составляет примерно 0.0001 Гц, а джиттер не превышает 2 мкс. В данном случае такой джиттер не играет особой роли, так как петля ФАПЧ имеет ФНЧ, который будет эффективно его подавлять. Да и сам датчик скорости имеет джиттер порядка 6 мкс (рисунок ниже), гнаться за меньшим значением для генератора нет смысла.

Получилась плата размером 27 х 17 мм, которую реализовал на ATtiny25.

Плата подключается к штатной схеме тремя проводами: GND, OUT, +5V. Удаляются резисторы R40, R44. Вместо R40 впаивается плата своими двумя выводами, третий вывод проводом соединяется с перемычкой +5 В.

Штатный генератор можно демонтировать или просто отключить, перерезав дорожку питания.

Текущая версия прошивки – минимальная. Можно добавить кнопки «+» и «–» для точной подстройки скорости по тестовой ленте с сохранением значения в EEPROM. Этим можно учесть реальную величину проскальзывания и погрешность диаметра ведущего вала. Можно пойти дальше и сделать отдельные значения для прямого хода и реверса. Скорость зависит от натяжения, а натяжение ленты перед и после ведущего узла будет разным для прямого хода и реверса, так как справа и слева от вала разное число головок. Дело в том, что после каждой головки из-за наличия трения натяжение ленты увеличивается.

Вообще говоря, из-за упругой деформации ленты ее скорость в разных местах тракта тоже будет разной. Хотя при растяжении ленты будет пропорционально увеличиваться длина волны записанного сигнала, поэтому частота воспроизведенного сигнала в любом месте тракта будет одинаковой. Но если измерять скорость ленты другим способом, например, с помощью специального ролика, он покажет разную скорость в разных местах тракта (рисунок из статьи John G. McKnight «Speed, Pitch, and Timing Errors in Tape Recording and Reproducing»).

Данная доработка – это просто легкий твик штатной платы управления двигателем. Конечно, хочется выкинуть всю эту ерунду на 155-ой серии и заменить более современным блоком управления на микроконтроллере. В будущем, наверное, так и сделаю.

Что касается самого двигателя, тут тоже не все гладко. В первую очередь у него не очень хороший таходатчик. На зазор головки воздействует только один зуб шестерни, поэтому точность ее изготовления напрямую будет определять временную стабильность этого сигнала. В похожих ведущих двигателях немецкой фирмы «Papst Motoren» применен намного лучший датчик. Он состоит из обмотки с магнитопроводом в виде чашки. По периметру этой чашки приклеен многополюсный магнит. Замыкается магнитопровод зубчатым колесом. При его вращении магнитный поток будет модулироваться. Причем будет работать одновременно все зубчатое колесо, погрешность его изготовления будет сглажена. Такой датчик будет иметь джиттер значительно ниже, как и паразитную амплитудную модуляцию.

Второй недостаток двигателя – плохие датчики положения ротора. Они очень грубо определяют его положение, что делает возможным только питание обмоток прямоугольными импульсами (так называемый вентильный режим работы двигателя). ЭДС двигателя имеет близкую к синусоидальной форму, было бы оптимально питать обмотки двигателя током такой же формы. Это позволило бы уменьшить пульсации момента. Но для этого надо знать точную позицию ротора. Как вариант, можно в дополнение штатным датчикам положения задействовать датчик скорости и вычислять позицию. Но проще всего заменить датчики положения на датчики Холла с аналоговым выходом. У них на выходе сразу будет синусоидальный сигнал, который можно просто усилить и подать на обмотки двигателя. Так построены многие прямоприводные двигатели виниловых проигрывателей и магнитофонов. Пока я не решил, вводить ли такие модификации, ведь и в своем оригинальном виде двигатель тоже обеспечивает вполне низкий коэффициент детонации.

В качестве финального замечания: разрешение обычного делителя частоты можно повысить, если использовать способы, применяемые в дробных синтезаторах частоты. Получить равномерную последовательность импульсов произвольной частоты таким способом не получится, но задать среднюю частоту с хорошей точностью можно. Процессор будет загружен слабо (требуется одно прерывание на каждое переполнение 8-разрядного таймера), а джиттер будет равен периоду тактовой частоты, а не периоду рабочей частоты NCO. Разные коэффициенты деления, которые должны чередоваться, можно «размазать» по времени дельта-сигма модулятором 1-го порядка. Но эту доработку я оставлю на будущее. В принципе, и в таком виде обеспечиваются достаточно хорошие параметры.

Downloads:
quartz_sch.pdf (21 kB) - принципиальная схема.
quartz_pcb.pdf (14 kB) - печатная плата.
quartz_pcad.zip (64 kB) - файлы разводки (PCAD 2006, pdf для LUT, Gerber).
quartz_source.zip (7 kB) - прошивка, исходный текст (AVR ASM).
Ридико Леонид Иванович www.leoniv.diod.club e-mail: wubblick@yahoo.com