Универсальное устройство на микроконтроллере для проверки якоря и статора электроинструмента

Универсальное устройство на микроконтроллере для проверки якоря и статора электроинструмента

Шелевой К.Д.

После поступления электроинструмента в ремонт задача №1 – определить, что сломалось. Как правило, инструмент выходит из строя из-за гибели якоря или статора или обоих сразу в результате зверской эксплуатации. Основных неисправностей при этом имеется две: 1 – КЗ обмотки (якоря или статора), 2 – обрыв обмотки. Известен еще ряд неисправностей, например КЗ обмотки на корпус, но она элементарно обнаруживается тестером, а другие требуют для обнаружения применения спектрального анализа (!), поэтому мы их обсуждать не будем. Применение микроконтроллера значительно упрощает и ускоряет процесс поиска неисправности.

 

 

 

Понятно, что чем проще и быстрее обнаруживается дефект, тем меньше стоимость ремонта и, соответственно, выше привлекательность ремонтника для потребителя.

1. Способы обнаружения КЗ

Рассмотрим способы обнаружения КЗ обмотки якоря или статора. Их известно как минимум четыре:

1.1. Поконтактная проверка сопротивления обмоток омметром. Проводится последовательное измерение сопротивления на клеммах коллектора, требующее больших затрат рабочего времени. Закороченная катушка дает значение сопротивления, близкое к нулю.

1.2. Метод переменного электромагнитного поля дросселя. Дроссель изготавливается (как правило, кустарно) из большого Ш-образного или тороидального трансформатора. Тестируемый якорь размещается в конусе дросселя и вращается на 360°. При совмещении паза якоря, в котором имеется КЗ, со щелью в магнитопроводе дросселя слышен гул или дребезг. Размеры и вес прибора не для ботаника, посмотрите на образцы в YouTube. КЗ статора этим прибором определить нельзя.

1.3. Тот же метод, модифицированный для ботаника: прибор ИКЗ (ИКЗ-2, ИКЗ-3 и т.д.), широко применяемый ныне в ремонте электроинструмента. Вращая якорь, проверяют обмотки в пазах магнитопровода. Если в пазу нет КЗ, ЭДС мала, и горит зеленый светодиод. Если КЗ есть, наводится большая ЭДС, и горит красный светодиод. Очень удобный прибор тем, что, во-первых, – маленький и легкий, во-вторых, – малопотребляющий, в-третьих, – можно проверять как якоря, так и статоры на КЗ. Один недостаток: прибор обрыв обмотки не обнаруживает, то есть, если КЗ он не обнаружил, то это еще не значит, что якорь/статор нормальный. (См. описание Таблицы 1).

1.4. Метод счета звона. Предыдущие способы предполагают вращение якоря на 360°. Можно установить факт КЗ одним измерением в одном положении якоря, зная, что добротность нормальной индуктивности и дефективной с КЗ различаются в разы. На Рисунке 1 приведены два таких случая.

Вверху - исправная индуктивность. Внизу - КЗ.
Рисунок 1. Вверху – исправная индуктивность. Внизу – КЗ.

После возбуждения LC-контура прямоугольным импульсом, контур некоторое время будет «звенеть». Этот звон можно подсчитать и сделать вывод о добротности контура, а значит, о наличии или отсутствии КЗ.

На Рисунке 2 приведен внешний вид прибора, реализующего этот метод. Он собран на PIC микроконтроллере (МК), который попался под руку, потребляет очень небольшой ток от батарейки CR2032 и позволяет измерять КЗ не только якорей электроинструмента, но и любых других индуктивностей в широком диапазоне – от радиоконтуров (мкГн) до трансформаторов на железе (Гн). Линейка светодиодов показывает состояние проверяемого контура: горит первый светодиод – обрыв (нет колебаний), 2-3 светодиоды – КЗ, 7-8 – нормальный контур. Между ними – в зависимости от псевдорезонанса, в том числе, и для взаимосвязанных. Проверка якоря происходит путем подключения контактов прибора к диаметрально противоположным ламелям коллектора.

Прибор для проверки КЗ индуктивности, реализующий метод счета звона.
Рисунок 2. Прибор для проверки КЗ индуктивности, реализующий метод
счета звона.

Прибор имеет время измерения в разы меньшее, чем у предыдущих, буквально секунды, проверяет КЗ и якоря, и статора, имеет малые габариты.

2. Обнаружение обрыва

Если обнаруживается КЗ, то на этом объекте (якоре, статоре, индуктивности) можно ставить крест: на выброс, в ремонт или на замену. Статор или индуктивность еще можно перемотать. А вот якорь – в 99% замена; мастеров, могущих перемотать якорь – раз-два и обчелся. А на заводах загибают такую цену, что дешевле купить два новых. А вот если КЗ не обнаружено, то необходимо сделать еще одну проверку: а нет ли обрыва в якоре или статоре?

Тут методов обнаружения меньше.

2.1. Тем же омметром, что и в п.1.1., последовательно измеряется сопротивление обмоток якоря на соседних клеммах коллектора как при поиске КЗ. Если в i-й обмотке обрыв, на соответствующих контактах коллектора будет сопротивление не данной обмотки, а суммы всех обмоток вокруг якоря, т.е. более чем в 10 раз большее. Работа нудная: результат i -го измерения нужно запомнить и сравнить с i +1-м измерением; кроме того, для обследования всех обмоток якоря требуется значительное время.

2.2. Контроль постоянства сопротивления половины обмоток якоря. В отличие от поконтактной проверки, здесь величина сопротивления половины обмотки якоря не доли ома, а единицы и десятки ом, что упрощает измерение. В нормальной обмотке при вращении якоря (см. Рисунок 3) показания омметра изменяются на незначительную величину, определяемую разницей сопротивлений секций полуобмотки. А вот при обрыве величина сопротивления возрастает до мегаом. Прокручивая якорь, нужно внимательно следить за показаниями и фиксировать большие отклонения. Мороки, конечно, меньше, чем в предыдущем способе, но вполне достаточно, чтобы прозевать обрыв.

Контроль постоянства половины обмоток якоря авометром.
Рисунок 3. Контроль постоянства половины обмоток якоря авометром.

2.3. Контроль напряжения делителя. Обмотка якоря включается последовательно с резистором и источником питания, например, батарейкой 1.5 В (Рисунок 4). Вращаем рукой якорь и наблюдаем изменения напряжения на вольтметре аналогично контролю сопротивления (п. 2.2.). При отклонении показаний на 20 – 25% или больше делаем вывод о наличии обрыва/обрывов. Здесь тоже нужно следить за показаниями и вычислять эти самые проценты. Кроме того, схема хоть и простая, но ее надо собирать, паять. Зато по этой схеме просто делается полуавтоматический тестер на МК (см. далее).

Контроль напряжения делителя авометром. L1 - проверяемая индуктивность. Если в индуктивности обрыв, авометр фактически подключен к источнику питания.
Рисунок 4. Контроль напряжения делителя авометром. L1 – проверяемая
индуктивность. Если в индуктивности обрыв, авометр
фактически подключен к источнику питания.

Исследование якорей описанными методами проводилось на имеющихся у автора семи разной степени убитости якорях и двух статорах.

Таблица 1. Результаты измерений
                     Прибор     



Якорь                       
Тест КЗ
(ИКЗ
магнитный)
Тест КЗ (ИКЗ
на МК,
счет звона,
позиция
светодиода)
Тест КЗ
омметром
поконтактно
Тест обрывов
омметром,
диаметральные
контакты
Тест КЗ и обрывов
на
микроконтроллере
  Обрыв
1 Электрорубанок
Р2-82  620 Вт
4 паза 1 0.1 – 3.7 кОм 9 Ом – 3.9 кОм 1 «О»
2 Электрорубанок
рубанок BFB-710
2 паза 1 0.3 – 0.6 Ом 0.8 – 3.1 Ом 1 «О»
3 Болгарка Sparky 600 Вт нет 1 – 5 0.8 Ом – ∞ 8.5 Ом – ∞ 4 «О»
4 Болгарка Sparky 600 Вт нет 8 0.8 Ом 4.6 Ом 7 «Н»
5 Лент. шлифмашина
BBS 720 Bavaria
2 паза 3 0.3 – 36 Ом 0.8 – 28 Ом 3 «О»
6 Электроинструмент
неидентифицируемый
нет 3 – 5 0.1 Ом – ∞ 2.2 Ом – ∞ 3 «О»
7 Перфоратор Sparky
BPR 261E 820 Вт
нет 1 0.6 Ом – ∞ 1 «О»
После ремонта
4 «Н»

Результаты испытаний сведены в Таблицу 1. Здесь: колонка 1 – от какого инструмента якорь. Колонка 2 – результат проверки на КЗ магнитным прибором типа ИКЗ (п.1.3.). Колонка 3 – проверка КЗ счетом звона (п.1.4.): светодиод 1-я позиция – нет обмотки или обрыв (зависит от взаимоположения щупов и точки/точек обрыва, поэтому результат неоднозначный для якорей); 2, 3 – КЗ; больше 4 – КЗ нет. Колонка 4 – поконтактный поиск КЗ измерением сопротивления секции обмотки якоря авометром. Гуляние величины сопротивления говорит о наличии КЗ или обрыва. У исправного якоря, строка 4, сопротивление всех обмоток постоянное. Колонка 5 – контроль стабильности сопротивления половины обмотки. Гуляние величины сопротивления – то же самое. Колонка 6 – контроль обоих параметров (КЗ и обрыв) одним универсальным прибором (Рисунок 5). Показания семисегментного индикатора при проверке КЗ (счет звона): 1 – нет обмотки или обрыв, см. выше; 2, 3 – КЗ; 4 и более – КЗ нет.

Универсальный прибор на микроконтроллере, проверяющий и КЗ, и обрыв.
Рисунок 5. Универсальный прибор на микроконтроллере, проверяющий и КЗ, и обрыв.

Если на первом этапе КЗ не обнаружено, переход к проверке обрыва универсальным прибором происходит нажатием кнопки «КЗ/Обрыв». При этом на индикаторе мигает знак «–» (Рисунок 6). Вращаем якорь в зажиме до тех пор, пока на индикаторе не загорится «О» – обрыв обнаружен, или «Н» – обмотка нормальная, обрыва нет. При этом ничего запоминать, вычислять или сравнивать в уме не надо, всё делает МК. Если полученный i -й результат больше или меньше предыдущего на 20%, это значит в обмотке имеется обрыв/обрывы или пониженное межвитковое сопротивление (еще не КЗ или еще не обрыв) из-за, например, подгоревшей изоляции проводов обмотки или уменьшения диаметра оплавившегося проводника. Это считается скрытым дефектом (который этот прибор способен обнаружить) и на индикаторе горит «О». Если в обмотке «чистый» обрыв, на входе АЦП МК присутствует напряжение питания, см. п. 2.3., а не напряжение делителя R1/RL1. В этом случае на индикаторе видим «О» – обрыв.

В режиме проверки обрыва мигает знак «-» на индикаторе.
Рисунок 6. В режиме проверки обрыва мигает знак «–» на индикаторе.

Как видим, полученные разными способами результаты хорошо коррелируют друг с другом. Время поиска прибором КЗ сокращается в 4-7 раз, обрыва – в 2 раза.

Обратим внимание на строку 7 – якорь перфоратора Sparky, имеющий заводской дефект: зажимы ламелей коллектора при сборке (обжиме) перерезали концы проводов обмоток (8 ламелей), поэтому в последнем столбце таблицы показания «1»/«О» – обрывы зафиксированы двумя способами. Вспомним для метода счета звона: «1» появляется, когда «нет контура», т.е. есть в случае обрыва. После ремонта обнаруженных дефектов (припайка концов проводов обмотки к соответствующим ламелям) показания универсального прибора: «4» – нет КЗ, «Н» – нет обрыва. Перфоратор собран и нормально работает. Это редкий случай, когда удалось восстановить якорь без перемотки.

На Рисунке 7 приведена схема универсального прибора для обнаружения КЗ/обрыва якорей, статоров и индуктивностей.

Принципиальная схема универсального прибора для проверки якоря и статора.
Рисунок 7. Принципиальная схема универсального прибора для проверки якоря и статора.

Здесь клеммы Common/TP – вход испытуемой индуктивности. С3-С5 – емкости для измерения индуктивностей в трех диапазонах методом счета звона (п.1.4.); U1/R3 – узел измерения напряжения делителя (п.2.3.); S3 – переключатель режима КЗ/Обрыв.

Универсальный прибор потребляет 11 мА в режиме проверки КЗ и 22 мА в режиме проверки обрыва. Питается микроконтроллер (3 В) от двух последовательных батареек ААА.

Материалы по теме

  1. Datasheet Microchip PIC16F687
  2. Datasheet Microchip MCP1700
 
 
Оригинал здесь.

Комментарии

Чтобы оставить комментарий, Вам нужно авторизоваться.