Kot-O-Fan

Автор: НЕМЕТС
Опубликовано 12.10.2020
Создано при помощи КотоРед.
Участник Конкурса "Поздравь Кота по-человечески 2020!"

Пролог

На создание этого устройства меня вдохновило видео одного рукастого дядьки (его зовут Сергей Багин - страна должна знать своих героев), ссылку на которое со словами «Хочу такой же!» скинул мне по вацапу друган – заядлый рыбак и охотник. На этом видео демонстрируется  работа довольно колхозного прототипа самодельного резинолодочного насоса в сравнении с заводским насосом Bravo.

Несмотря ни на что, самоделка показала на удивление впечатляющий результат и оказалась сделана на очень скорую руку из подручных материалов (и чёрная изолента, конечно же, здесь в большом количестве). В основе конструкции – маленький (но удаленький) BLDC-вентилятор, купленный в одном известном китайском онлайн-гипермаркете. В конце съемки автор обещал рассказать в следующем видео о разных способах использования двигателя: с «родным» драйвером и нештатным.

На первый взгляд, всё выглядело очень просто и незатейливо. Единственное, что слегка насторожило: на демонстрации штатная плата была зачем-то демонтирована с двигателя и он крутился от чего-то не менее неведомого, окутанного всё в ту же чёрную изоленту. Как выяснилось несколько позднее, насторожило неспроста.

Глава 1. Вентилятор

В китайском маркете мы довольно быстро нашли точно такой же вентилятор, как в видео, и, поскольку там, где он был найден по минимальной цене, их оставалось в наличии лишь пару десятков, недолго думая, заказали на всякий случай три экземпляра.

Несмотря на сложную эпидемиологическую обстановку в мире в 2020-м году, посылка доехала до места назначения всего за 3 недели, в течение которых я, правда, уже успел слегка забыть о ней :) После получения и беглого внешнего осмотра хотел было скоренько проверить и проставить в заказе галки о получении. Но при подаче питания, которое обеспечивали 4 свежезаряженных LiFePo4 элемента (13,2В в сумме) не поехал ни первый, ни второй, ни третий. Тут-то и вспомнилось про «в следующем видео расскажу, как подключить»… Так началось погружение в тему этих прекрасных "сверхскоростных бесщеточных двигателей" - я наконец-то прочитал не по диагонали описание продавца и отзывы покупателей.

Единственное, что стало точно понятно из гугло-перевода (или чем они там переводят) описания продавца: изначально это вентилятор от аккумуляторного пылесоса (очевидно, «с разбора»). Ну, разве что, нагуглилось еще, что конкретно этот вентилятор употребляется вот в такой вот красоте под названием Lexy M8Lite.

Смысл остальных загадочных фраз описания («Хотя у этого двигателя есть свой собственный привод, подсчитывается, что требуется специальный сигнал для запуска, поэтому плата привода может быть удалена только, и ее можно использовать с бесщеточным ESC.» или «Оригинальный диск, по расчету, имеет постоянный ограничение обнаружения привода, поэтому рекомендуется, чтобы более подходящий бесщеточный ESC 12 В.») на данном этапе был не очень понятен.

Из следующего (правда, затянутого и слегка нудноватого) видео рукастого мужчины, а также из некоторых отзывов других покупателей этого моторчика следовало, что просто так он в штатной комплектации не поедет.

Во-первых, для старта требуется напряжение более 14В (а мы вообще-то собирались от автомобильного аккумулятора лодку накачивать). Во-вторых, перед подачей питания ему еще и подавай управляющий сигнал, представляющий собой меандр частотой 50Гц и разной (но вполне определенной) скважности! А некоторые китайские продавцы на всякий случай прямо так и пишут в описаниях: «Не подходит для DIY игроков». Открывшиеся обстоятельства сильно расстроили моего товарища («ну и где я в чистом поле найду более 14В?..»), а меня, как DIY-игрока, неожиданно «закусило» во чтобы то ни стало запустить эту фиговину со штатным драйвером и от автомобильного аккумулятора в его обычном состоянии (т.е. когда на нем не «более 14В», а поменьше, например, около его типовых 12В)

В видео о подключении использовался простенький дешевый трёхканальный цифровой генератор меандра, вот такой.

Автор идеи методом научного тыка выяснил, что если коэффициент заполнения управляющего сигнала меньше 43%, то движок крутится в одном режиме (ток потребления около 6А), если же коэффициент заполнения установить более 43%, то ток потребления возрастает раза в два и становится немного жутковато («Мотор скорость доходит до 100000 оборотов в минуту, скорость немного страшно, и почти догоняет авиационный двигатель», это из китайского описания) Собственно, где-то на таких оборотах (ну, не 100 тыщ, конечно - они при 18В) у него в видео и поднимается борт лодки с завораживающей скоростью, примерно за полминуты.

У себя в городе (не ждать же еще один месяц) я нашел примерно такой же ШИМ-генератор (только одноканальный),

успешно повторил эксперименты автора видео со всеми двигателями, поставил в заказе галку «Товар получен» и стал думать, как решать возникшие проблемы. Начал с питания.

Глава 2. Реверс-инжиниринг драйвера вентилятора

Для того, чтобы этим вентилятором можно было что-нибудь надуть, нужен исходящий поток воздуха, который в штатном исполнении «упирается» в плату драйвера и расходится в стороны (цель-то у него - всасывать), поэтому драйвер в любом случае отпаивается от всех трех фаз мотора. Чтобы в дальнейшем ничего не напутать при присоединении драйвера к двигателю проводами, выводы двигателя сразу пометил буквами U, W, V (на драйвере буквы уже есть с завода)

Плата драйвера была отмыта от лака, комплектующие распознаны, даташиты скачаны и изучены. На основании проведенного анализа я сделал вывод о том, что аппаратно драйвер просто обязан работать при напряжении, гораздо меньшем, чем 14В, но ему не дает это делать софт, зашитый в STM32F030K6T6, на мозгах которого, собственно, реализован сам вентилятор. Интуиция («что бы я сделал на месте разработчика драйвера») подсказывала, что где-то на этой плате должен быть делитель напряжения, с которого снимается контрольный уровень батареи. И примерно через час поисков я его нашел под густым слоем противного чёрного герметика недалеко от разъема с управляющим сигналом. Выход делителя идет прямиком на 8-ю ногу STM32 (2-й канал АЦП) – верная примета!

Исходя из уже известного к этому моменту факта «запускается при напряжении > 14В» и номиналов делителя (верхнее плечо - 10К, нижнее - 1К), было сделано предположение о том, что для старта двигателя на выходе делителя должно быть напряжение Uвых >= 1.3В (при этом допустим, что Uвх >= 14.3В). То есть для запуска при Uвх < 14.3В надо доработать делитель монитора напряжения так, чтобы при этом выполнялось условие Uвых >= 1.3В. С практической точки зрения удобнее оказалось изменить верхнее плечо (этот резистор ближе к краю платы). Несложные расчеты показали, что при Uвх = 12В ближайшее стандартно-рядовое значение верхнего плеча делителя находится в районе 8.2К.

Дальше дело 5 минут – выпаиваем резистор 10К, паяем вместо него 8.2К. На этом фото еще показана замена стабилизатора LM7812 перемычкой - это необязательно, просто он мне зачем-то срочно понадобился :)

И всё поехало от 12В! Также был опробован еще один вариант доработки: параллельно (т.е. сверху «баяном») резистору 10К (0603) напаял резистор 39К (у меня получилось положить 0805), итоговое сопротивление при этом составляет около 8К, и этот вариант драйвера запускается при напряжении, даже меньшем, чем 12В.

Глава 3. ШИМ ШИМом погоняет

Авторский вариант запуска этого вентилятора со штатным драйвером мне сразу же показался непрактичным. Для управления оборотами (а режимы, судя по всему, пригодятся оба: на одном борт поднимается, на другом - докачивается) используются предварительно настроенные на одну и ту же частоту 50Гц и разные скважности (на табло у китайского генератора обратные величины - коэффициенты заполнения) два канала ШИМ-генератора, при этом сам автор питает его от отдельного аккумулятора 18650. На самом деле, это необязательно - на плате генератора есть стабилизатор, и там достаточно отпаять от коллектора транзистора выходного каскада нагрузочный резистор (управляющий режимами вход драйвера вентилятора подтянут к плюсу питания STM32 - это выяснилось при анализе платы). Как крайний вариант, видимо, пойдет, да и автору ролика простительно – электроника не его сильная сторона. Ну а вообще, цифровой генератор со стеклянным ЖК-экранчиком (это относится, скорее, к моему одноканальному варианту, в котором режимы можно переключать исключительно установкой процентов коэффициента заполнения при помощи мелко-кнопок) слишком изящен для использования в реальных условиях рыбалки – нам бы что-нибудь более железное.

Аппаратное решение я выпаял из первого же, раскопанного в хламе, не совсем исправного компьютерного блока питания ATX, вот оно.

Этот широко (даже шире) известный старинный ШИМ-контроллер с минимальной обвязкой оказался практически идеален для нашего вентилятора: в широком диапазоне питающего напряжения стабильно держит частоту, заданную всего двумя деталями, имеет вход для управления скважностью, выходы с открытым коллектором и доступен на любой свалке. Осталось подобрать пару делителей напряжения, добавить переключатель режимов, простенькую защиту от переполюсовки (штатный драйвер ее не имеет – сгорит сразу же), и получается вполне себе законченный девайс.

Глава 4. Kot-O-Fan v1 (или просто Котофан)

Первая версия была собрана чуть менее колхозно, чем у автора видео, в распаячной коробке. Собственно, показывать там нечего, опишу коротко словами. Благодаря присущей электромагнитному реле инерционности, при включении питания первым начинает работать генератор, и только затем подается питание на драйвер вентилятора. Поэтому переключатель SA2 можно, в принципе, исключить – условие «сначала 50Гц, потом питание» будет выполняться автоматически. Внутри коробки генератор на макетке, штатный драйвер и реле защиты, на крышке – «перекидной» переключатель режимов, клавиша подачи силового питания на драйвер и светодиоды, монтаж – навесной. Роль индикатора неправильного подключения к АКБ исполняет красный «мигающий» светодиод (так называемый blinking LED) , в данном случае он хорош всем – имеет внутри защитный диод (говорят, может оказаться и без диода, поэтому на схеме он на всякий случай есть), который не дает ему выйти из строя при корректном подключении АКБ, и сразу привлекает внимание своим морганием. Наружу из коробки через сальники PG-9 торчат кабели (ПВС-3*2.5, это с большим запасом по току, а главное - по механическому износу, в багажнике же кататься придется) питания и три фазы к двигателю. Выходное сопло – из пластиковой бутылки 0.5л, как и у автора идеи.

В целом, как концепт для испытаний, Котофан v1 вполне сгодился и оправдал все надежды и затраты. Но практически сразу же я решил довести эту конструкцию «до ума». И из второго доработанного вентилятора получился совсем уже другой Котофан.

Глава 5. Kot-O-Fan v2 (или С Днем рожденья, РадиоКот!)

Следующие цели преследовались при создании второго Котофана (так уж захотелось полёту мысли):

• Компактный размер, в идеале с одним кабелем питания (вентилятор и драйвер в одном корпусе)
• Защита от переполюсовки обязательно
• Электронное управление без громоздких механических переключателей
• Возможность реверса воздушного потока (для того, чтобы быстро откачивать из лодки воздух)
• Желательно наличие контроля напряжения АКБ автомобиля (чтобы можно было еще с рыбалки на нем уехать)

Электронную часть, естественно, можно было бы реализовать на каком-нибудь ширпотребном МК, да хоть на той же Ардуине. Но, т.к. моя работа всю жизнь теснейшим образом связана с программированием, то этот вариант я отложил в сторону сразу же – не интересно. (В рамках конкурса на радиолюбительском сайте можно считать, что я не использовал своё конкурентное преимущество. Всё по-честному, в общем). Поэтому в Котофане v2 нет ни строчки программного кода, только железная логика :)

Функционально устройство состоит из трёх узлов:

1. Защита о переполюсовки и управление подачей силового питания на драйвер
2. Генератор управляющего оборотами сигнала 50Гц с переключаемой скважностью
3. Индикатор уровня напряжения АКБ

Управление режимами производится тактовыми кнопками и триггерами на КМОП-инверторах с «триггершмиттнутыми» входами, реализующими алгоритм «кнопка с фиксацией». Кажется, это самая железобетонная реализация D-триггера на КМОП-логике, которую я когда-либо встречал. Чуть более подробное описание таких триггеров есть, например, здесь https://radiostorage.net/4375-kvazisensornye-vyklyuchateli-i-pereklyuchateli-cd40106.html Питание на двигатель подается с замыканием контактов реле, в свою очередь, управляемым ключом на транзисторе VT1, подключенным к выходу триггера, реализованного на одной половине DD1. Скважность управляющего генератора DA1 имеет всего два значения, подобранных опытным путём и жёстко заданных резистивными делителями R8/R12 и R9/R13, и переключается цифро-аналоговым ключом, выполненным на микросхеме DD2, управляющий вход которого подключен к выходу триггера, реализованного на другой половине DD1. Индикатор уровня напряжения АКБ - на драйвере линейной светодиодной шкалы DD3 с учетом рекомендаций даташита. Шкала активируется своей собственной кнопкой (без фиксации: нажал – увидел - отпустил).

Работает всё это так. При некорректном подключении АКБ (плюсом к минусу схемы) диод VD2 закрыт и вся схема, кроме красного светодиода «Bat Error», обесточена. Светодиод «Bat Error» при этом светится, сигнализируя об ошибке. Если АКБ подключена правильно (плюсом к плюсу схемы), диод VD2 открывается, схема активируется и зажигается зеленый светодиод «Power», показывая готовность Котофана к работе. Оба триггера при включении устройства устанавливаются в состояние, при котором на их выходах низкий уровень. Соответственно, в исходном состоянии ключ VT1 закрыт, мотор обесточен и ко входу управления скважностью задающего генератора DA1 электронным ключом DD2 подключен делитель R8/R12 («нормальные обороты»). При нажатии кнопки SW1 «Power» триггер на первой половинке DD1 переключается в противоположное состояние (на выходе – высокий уровень), ключ VT1 открывается и реле своими контактами подает питание на вентилятор. Повторное нажатие кнопки «Power» переводит триггер в исходное состояние и мотор выключается. Аналогично, при нажатии кнопки SW2 «Turbo» триггер на второй половинке DD1 изменяет своё состояние на противоположное, электронный ключ DD2 подключает ко входу управления скважностью задающего генератора DA1 делитель R9/R13 («повышенные обороты»), при этом зажигается светодиод «Turbo». Повторное нажатие кнопки «Turbo» опять включает «нормальные обороты», светодиод «Turbo» гаснет. Кнопкой SW3 «Bat Level» в любом режиме работы устройства можно контролировать уровень напряжения питания, который выводится на 10-ти уровневую светодиодную шкалу в диапазоне 9..14В с шагом 0.5В. Ток светодиодов шкалы устанавливается резистором R16 и при указанном на схеме номинале составляет около 2мА.

Электронная часть девайса собрана на двухсторонней (рисунок только с одной стороны) печатной плате, изготовленной по старинке, ЛУТом, на 1.5мм текстолите. Большинство компонентов устройства распаяно на стороне рисунка платы поверхностным монтажом.

Со стороны, противоположной рисунку, фольга оставлена, отверстия под микросхемы в корпусе DIP и «дырочные» компоненты раззенкованы, переходными дырками и обрезками выводов оставшаяся медь соединена с землёй.

Тактовые кнопки – TTL-61xx с LED-подсветкой разного свечения. Отдельного упоминания заслуживает примененное «автомобильное» реле с длиннющим названием V23086C1001A403 (производитель - TE Connectivity / Tyco) – эта крошка (13х12х10мм) рассчитана на ток до 30А. 

Для гарантированного попадания в необходимые частоту и скважность задающего генератора лучше использовать резисторы (R8-R9, R12-R14) с допуском 1%. Конденсатор C9 – обычная керамика X7R, хотя не лучший (если не худший) времязадающий вариант – вентилятор с ним заработал сразу и без каких-либо заморочек (причем два раза - уже повторяемость). Здесь, пожалуй, нужно отметить, что TL494 и в виде аналогов выпускается большим количеством производителей, и от этого может зависить формула расчета частоты тактовой «пилы», поэтому лучше уточнить этот момент в конкретном даташите. Мне достались KA7500 от Fairchild с формулой Fosc = 1.1 / R * C. Для TL494 производства Texas Instruments, например, формула другая: Fosc = 1 / R * C.

Поскольку схема не отличается сложностью, правильно собранный Котофан заработал сразу и без приключений. Единственное, что требует настройки по определению – нижний и верхний уровни линейной шкалы, которые устанавливаются подстроечными резисторами R18 (верх) и R19 (низ).

Глава 6. Kot-O-Fan и журчание воды

Пару слов про компоновку. Внешний диаметр вентилятора неожиданно («листая Леруа-Мерлен…») оказался очень близок к номенклатуре систем для внутренней канализации калибра 50мм. С учетом комплектных резиновых сальников вентилятор вошел в канализацию такого диаметра просто идеально, как влитой. Это внезапное открытие окончательно предопределило решение сделать основной корпус Котофана из штуки, которая называется «Муфта д/внутр канализации 50мм». По краям муфты с усилием насадил два кольца с замками, сделанных из полосок оцинкованной жести. На эти кольца напаял арматуру из толстой медной проволоки.

Каркас залепил волшебным пластилином «Эпоксилин-Дуо» (двухкомпонентная эпоксидка или «холодная сварка»). После сушки внешние поверхности и торцы привёл к ровному виду под размер еще одной приглянувшейся в Леруа в разделе «Воздуховоды» штуки под названием «Канал плоский ЭРА 60х120мм 0,5м», из которой вырезал верхнюю крышку.

Доработанный драйвер припаял к фазам двигателя (буква в букву, иначе может случиться катастрофа) той же толстой медной проволокой так, чтобы компоненты драйвера обдувались потоком воздуха (мало ли)

Через пару отверстий в муфте вывел наружу силовые провода и сигнальную пару. Плату покрыл тремя слоями вещества «Пластик-71» (с промежуточной просушкой каждого слоя) и засунул внутрь муфты с установленным сальником. Кабель питания просунул в отверстие, просверленное в одной из боковых стенок (помня, что внутри - медный каркас) и прижал винтом, вкрученным с бокового торца стенки в отверстие с нарезанной резьбой М3 – держится.

К плате со стороны оставшейся меди припаяны латунные втулки М3, на которых крепится фальш-панель из 3мм полистирола с отверстиями под кнопки-индикаторы и светодиодную шкалу.

Вентилятор закрыл обрезком такой же муфты, соединенной с основным корпусом полоской металла при помощи саморезов (они окончательно фиксируют двигатель внутри корпуса, еще больше прижимая к движку резиновый сальник). С обеих рабочих сторон в муфты вставлены резиновые манжеты (переходники с 50мм на 22мм, вообще здесь масса доступных вариантов, как оказалось). На кабеле питания в разрыв одного из проводов впаян держатель автопредохранителя типа "mini", кабель оканчивается разъемами "крокодил" в расчете на подключение к клеммам автомобильного аккумулятора.

Окончательный вид устройства.

Эпилог

Котофан создает внутри канализационной муфты однонаправленный поток воздуха, который можно использовать в зависимости от поставленной цели: с одной стороны, он работает как пылесос, с другой – как нагнетатель. Всё зависит от того, куда подключена «нагрузка».

В общем-то, на этом всё. Заборы перепрыгнуты. Цели достигнуты. Статья (наконец-то) закончена. Спасибо, что дочитали до этого места :)

Файлы:
PCB v2 SprintLayOut

Все вопросы в Форум.