MagicQuartz TechDemo

Démonstration technologique MagicQuartz

Introduction

Ce référentiel contient une conception matérielle open source d'une plate-forme de platine qui est capable d'exécuter le firmware MagicQuartz propriétaire. La conception du matériel se compose de deux parties:

• Un modèle OpenSCAD qui peut être utilisé pour générer une enceinte imprimée en 3D.
• Une conception Kicad pour la carte principale, comprenant le schéma et le PCB.

La SpeedBox implémente un onduleur de puissance AC simple basé sur un amplificateur audio de classe D et un transformateur toroïdal pour accélérer la tension. La vitesse du lecteur record est contrôlée en modifiant la fréquence AC générée. Cela permet une commutation électronique entre les vitesses d'enregistrement standard (16, 33, 45 et 78 tr / min) et la correction de vitesse en temps réel à l'aide d'un capteur optique. Notez que cette approche ne fonctionne que pour les platines avec le moteur AC.

L'appareil prend en charge les fonctionnalités les plus importantes de MagicQuartz version 1.0 "Phoenix", y compris la "gestion avancée de l'alimentation" (APM). Cependant, il manque de veille pour le rétro-éclairage et les ventilateurs de l'écran LCD et il n'implémente pas la supression pop côté matériel.

Licence

Les informations et les fichiers de ce référentiel sont fournis sous la licence Open Source CERN-OHL-S V2 (veuillez cliquer ici pour plus de détails).

Clause de non-responsabilité

Le seul but de ce référentiel est de fournir une conception matérielle facile à reproduire pour démontrer les capacités du firmware MagicQuartz. À ce jour, la conception n'a pas été évaluée en ce qui concerne la sécurité électrique, la conformité électromagnétique (EMC) et la sécurité incendie. Les appareils fabriqués en fonction de cette conception ne conviennent pas aux utilisateurs finaux.

Il existe plusieurs dangers graves associés à la construction et à l'exploitation de cet appareil. Si vous n'avez pas de connaissances suffisantes, veuillez ne pas essayer de construire ou d'exploiter l'appareil. Notez que les informations de ce référentiel ne constituent pas intentionnellement les instructions d'assemblage. Portez également une attention particulière à la section 6 de la licence CERN-OHL-S V2 et aux considérations de sécurité ci-dessous.

Conception matérielle

Considérations de sécurité

• L'appareil est capable de générer une haute tension et peut provoquer des incendies et / ou des blessures graves, y compris la mort.
• L'appareil change de courants élevés en utilisant la modulation de la largeur d'impulsion (PWM), ce qui peut entraîner des interférences avec d'autres appareils électroniques ou équipements radio.
• L'appareil crée un réseau informatique (isolé-terre). Cela a des implications sur le nombre d'appareils (c.-à-d. Motors ou platines) et leur type d'isolation pour être connecté en toute sécurité à l'appareil.
• Soyez très prudent lorsque vous effectuez des mesures! N'essayez pas de mesurer le côté haute tension du transformateur à l'aide d'un oscilloscope! Il n'est pas nécessaire de le faire car le signal peut être entièrement vérifié du côté basse tension. À cet égard, notez également que les sorties négatives de l'amplificateur numérique ne sont pas connectées à la terre. Il existe un risque grave d'endommager l'oscilloscope et d'autres équipements lors de la réalisation de mesures pendant que le circuit est mis à la terre, par exemple sur le port USB d'Arduino et un PC. Utilisez des isolateurs galvaniques le cas échéant.
• Il existe un risque grave que l'appareil endommage les composants connectés. Les exemples sont des lampes stroboscopiques, qui peuvent être facilement endommagées par des pointes de tension ou des moteurs AC de tension excessive, ou des fréquences fixe qui reposent sur des condensateurs de décalage de phase. Il existe également un risque que le signal du transporteur PWM passe par le chemin audio d'un système stéréo et endommage les haut-parleurs. De plus, notez que bien que la suppression pop du côté logiciel soit utilisée, un pic de tension se produit généralement lorsque le périphérique est activé. Pour cette raison, l'appareil doit être activé avant l'allumage de la platine.
• Les modules préfabriqués individuels (en particulier l'amplificateur, les convertisseurs basses et la carte de microcontrôleur) peuvent contenir des composants électroniques de différents fabricants et de qualité variable (voir la section "Problèmes connus"). En cas de défaillance matérielle, cela peut entraîner d'autres dommages consécutifs inattendus. Le dispositif assemblé ne doit donc jamais être utilisé sans surveillance.
• Notez que les propriétés mécaniques, électriques et chimiques des composants imprimés en 3D peuvent changer ou se détériorer avec le temps.

OpenSCAD 3D Modèle

Le fichier OpenSCAD peut être utilisé pour explorer pratiquement l'appareil et pour imprimer 3D une enceinte physique.

Remarque: Si les symboles à l'avant ne sont pas affichés correctement, la police "Symbole" doit être installée (nom du package Ubuntu: fonts-symbola ).

Présentation des pièces et notes d'impression

Le tableau ci-dessous donne un aperçu de toutes les pièces imprimées en 3D du modèle 3D ainsi que quelques notes. Sachez que le temps d'impression au total est d'environ 22 heures (sur un Ultimaker 2).

Bien que les fichiers STL soient disponibles dans le dossier release pour votre commodité, ils peuvent être générés facilement dans OpenSCAD. Définissez la variable render_components sur false et modifiez la valeur de la variable generate au numéro de pièce respectif. Ensuite, appuyez sur F5 pour prévisualiser la pièce, F6 pour rendre la pièce et F7 pour exporter le fichier STL. Notez que le processus de rendu peut prendre beaucoup de temps, même sur des ordinateurs rapides. Notez également que les objets générés sont déjà correctement orientés pour l'impression.

J'ai eu des problèmes d'impression avec les versions Cura 5.1.1 à 5.3.0, en particulier avec la partie "arrière". La trancheuse a créé des artefacts significatifs et n'a pas géré le texte comme prévu (la dernière couche sous le texte n'a pas été imprimée comme prévu). Je suis retourné à 4.13.1.

En plus du tableau ci-dessous:

• Imprimez toutes les pièces à l'aide de la prise en charge de "Tree".
• Imprimez toutes les pièces à l'aide du motif de remplissage "Grid" (sauf la partie 3, voir les notes).
• Imprimez toutes les pièces avec une hauteur de couche de 0,2 mm (sauf la partie 8, voir les notes).
• Imprimez toutes les pièces avec le type d'adhésion "bord" (sauf la partie 8, voir les notes).

Partie nr.	Nom	Couleur suggérée	Notes / exceptions
1	Plaque inférieure	Noir	Peut être imprimé sans support "arbre".
1	Plaque inférieure (économie de matériau)	Noir	Économise un peu de filament, mais est moins robuste. Peut être imprimé sans support "arbre".
2	Partie inférieure avant	Blanc	Définissez "Support X / Y Distance" à 1,6 mm pour empêcher la trancheuse de créer un support dans l'entrée d'air.
3	Partie centrale avant	Transparent	Utilisez le motif de remplissage "Lightning" pour créer une belle apparence "semblable à un quartz".
4	Partie supérieure avant	Blanc
5	Couverture	Brun	Imprimez cette variante si vous ne prévoyez pas d'appliquer du papier d'aluminium décoratif.
5	Couvercle (économiseur de matériaux)	(N'importe lequel)	Si la feuille décorative n'adhère pas correctement aux bords, poncez légèrement les surfaces sur les bords.
6	Pied (imprimer 4x)	Argent	Peut être imprimé sans "bord".
7	Couvercle de voltmètre	Comme avant
8	Assemblage de bouton	Argent	Imprimez avec 0,1 mm ou moins pour améliorer la résistance, n'utilisez pas le support d'adhésion (Brim). Activez le repassage sur la couche supérieure.
9	Dos	Blanc
10	Prises	À l'arrière	Imprimer sans "bord".
11	Cas de capteur optique	Noir

Composants

Les composants à utiliser doivent être facilement identifiables à partir des projets OpenSCAD et KICAD. Pour les composants où cela n'est pas immédiatement évident, voici quelques détails:

• Vis: Toutes les pièces peuvent être maintenues avec des vis auto-tape Type "DIN 7981 CH", 2,9x9,5 mm, à l'exception de l'écran LCD et du voltmètre, où 2,2x9,5 mm doivent être utilisés. Les vis DIN peuvent bien sûr également être remplacées par des vis compatibles similaires.
• Ciles de câble: L'enceinte a été conçue pour monter divers composants avec des attaches de câble, telles que le transformateur, le ventilateur interne (uniquement utilisé pour l'amplificateur de type 2), la borne à vis haute tension et pour fixer le câble OUT AC. La barre au centre de l'enceinte peut être utilisée pour fixer les fils avec des attaches de câble.
• Amplificateurs: La conception OpenSCAD prend actuellement en charge l'hébergement de deux types de cartes d'amplificateurs d'alimentation numérique basées sur les puces TDA7498 et TPA3116D2, respectivement (voir les rendus ci-dessous). Le premier type semble être très fragile et nécessite environ 28 V. Le deuxième type est plus robuste et fonctionne bien à 24 V, mais a plus de bruit et a certainement besoin d'un meilleur dissipateur thermique. Cependant, il est possible de modifier la conception pour s'adapter à d'autres types. Il existe également un troisième type "d'espace réservé" qui peut être utilisé pour les développements personnalisés.
• Transformateur toroïdal: Type "RKT 5012" (50VA, 220V à 2x12V). Pour distribuer la charge sur les deux canaux d'amplificateur, les deux enroulements du transformateur 12V peuvent être entraînés en parallèle via les deux canaux de sortie de l'amplificateur. Il est alors important de s'assurer que les deux enroulements sont réellement entraînés en parallèle et non à l'envers. Étant donné une séquence de connexion de "R +, R-, L +, L-" à l'amplificateur, une séquence de câblage de travail est "rouge, jaune, bleu, vert" pour le RKT 5012. ATTENTION! Pendant le fonctionnement, les tappings 220V sont en direct.
• Voltmètre AC: Type "YB27A", 60-300V AC, retiré de son boîtier d'origine. Notez que le voltmètre est en direct et il y a un risque de choc électrique. Si les fils doivent être prolongés ou remplacés, assurez-vous qu'ils ont la cote de tension appropriée.
• Interrupteur d'alimentation: Tapez "KCDI-101".
• Cartes de convertisseur DC / DC: cartes de régulateur de tension à bas prix basées sur les LM2596 (voir également "problèmes connus" ci-dessous).
• FUSE : FUSE 1 couvre l'ensemble du circuit et doit être dimensionné en fonction de la cote de puissance implémentée. Par exemple, si un transformateur 50VA et une alimentation 24V sont utilisés, un fusible 2A peut être approprié. Le fusible 2 est utilisé pour protéger les composants et connectés à la carte "Mega 2560 Pro", qui dessine environ 100 mA à 7,5 V. L'utilisation d'un fusible à action rapide de 125 mA est donc raisonnable.

Kicad schématique et PCB

Ce référentiel contient également un circuit électronique pour une carte principale. Le PCB a été conçu pour un prototypage rapide et peut être produit un seul côté, par exemple avec un petit CNC ou par gravure. Cependant, une couche de cuivre supérieure en option peut être utilisée pour améliorer le blindage. Bien sûr, le PCB peut également être fabriqué par n'importe quel fabricant de PCB.

La carte principale est construite autour de la carte "Mega 2560 Pro" (indiqué U1 dans le schéma). À la connaissance de l'auteur, ce conseil a été initialement développé par Robotdyn. Malheureusement, il semble ne plus être disponible, mais les ré-plats par d'autres sociétés sont largement disponibles. Cliquez ici pour une version archivée de la page Web de Robotdyn.

Le circuit électronique est très simple et devrait être explicite. Cependant, les points suivants expliquent certains aspects spéciaux:

• Alimentation: le connecteur J2 ("puissance") est utilisé pour alimenter la carte principale à partir d'une source d'alimentation externe via les broches 2 et 3 (généralement 24-32V, selon les exigences de tension de l'amplificateur, étiquetées "+ 24V" dans le schéma). Le connecteur J2 est également utilisé pour alimenter la carte d'amplificateur via les broches 1 et 4. Notez que la broche 1 de J2 est connectée à un deuxième sol (GND1), qui est utilisée pour mesurer le courant d'amplificateur (voir ci-dessous).
• Cartes de convertisseur DC / DC: Comme décrit ci-dessus, la carte principale est fournie avec 24-32V (étiquetée "+ 24V"). La carte U1, cependant, nécessite une tension entre 7V et 12V (étiquetée "+ 7,5 V"). Parce qu'il n'est pas pratique de surmonter la grande différence de tension avec un régulateur linéaire, le connecteur J3 ("DC / DC") peut être utilisé pour connecter une carte de convertisseur à bas de forme DC / CC externe (voir OpenCAD Design). U1 utilise ensuite son régulateur de tension linéaire intégré (AMS1117) pour créer le 5V. L'enceinte peut accueillir une deuxième carte de convertisseur DC / DC spécifiquement pour alimenter les ventilateurs; Cependant, si les ventilateurs fonctionnent bien avec la tension de la première planche, ils peuvent également être connectés à cette première carte de convertisseur.
• Le cavalier "Activer APM": la broche numérique D27 de U1 peut être tirée sur GND (Jumper J1 "Activer APM" est fermée) pour indiquer au firmware que le circuit de détection actuel est disponible, ce qui permet au firmware de détecter si le moteur de la plate-forme est actuellement alimenté ou non.
• Mesure du courant: la mesure du courant fonctionne comme suit: Le courant de la section d'alimentation (la carte d'amplificateur numérique) est mesuré via la chute de tension à travers la résistance R4 (0,15 ohm, 3W). La tension mesurée est filtrée par passe-bas via C7 et R5 et amené via U2A à un niveau de tension qui peut être facilement mesuré par l'ADC du micro-controller.
• Filtre passe-bas: la section de filtre passe-bas PWM convertit les signaux PWM du microcontrôleur en une ou deux ondes sinusoïdales analogiques à l'aide de filtres RC simples. Les filtres sont conçus pour avoir une fréquence de coupure d'environ 200 Hz, ce qui est suffisamment élevé pour transmettre l'une des fréquences AC possibles mais bloquer le signal porteur PWM. Le filtre est implémenté deux fois dans le cas où un onduleur double phase doit être mis en œuvre (ce qui nécessite un transformateur supplémentaire et une enceinte différente). Pour les configurations monophasées, il est recommandé d'équiper une seule section de filtre et de pont les deux canaux à l'entrée de l'amplificateur. Cela élimine le risque d'endommager l'amplificateur si l'utilisateur modifie accidentellement le décalage de phase dans le firmware.

Schéma de blocage

Voici un diagramme de blocs qui fournit un aperçu de toutes les connexions internes:

Problèmes connus

AMS1117 RÉGULATEUR DE TENSION

Le tableau "Mega 2560 Pro" peut utiliser un régulateur de tension 5V "AMS1117" de qualité douteuse (voir cet article de blog intéressant). Le régulateur peut échouer avec un court interne complet ou partiel et passer la tension d'entrée (7,5 V) au reste du circuit. Cela peut non seulement endommager les autres composants (y compris l'ATMEGA2560), mais il peut également augmenter le niveau du signal sinusoïdal généré. En conséquence, l'onduleur peut générer une tension excessive et endommager la platine.

Le problème peut être surmonté en remplaçant l'AMS1117 par un autre régulateur de type "1117" d'un fabricant renommé, comme le LM1117 par Texas Instruments ou le TS1117 par Taiwan Semiconductor. Bien sûr, la pièce doit être achetée auprès d'un distributeur électronique réputé. L'ancien régulateur peut être désobligeant facilement en appliquant un excès de soudure fraîche sur ses trois broches, en chauffant tout, puis en l'essuyant avec le fer à souder.

Selon le régulateur, des condensateurs de Tantalum 10uf supplémentaires peuvent avoir besoin d'être ajoutés à l'entrée et à la sortie du régulateur (voir la fiche technique). Une telle modification basée sur un TS1117 est montrée dans cette image: images / ts1117-modification.jpg. Remarquez les deux nouveaux condensateurs de tantale jaune et le fusible supplémentaire (voir ci-dessous). Observez soigneusement la polarité des condensateurs!

Une solution plus sophistiquée (et probablement exagérée) ajoute un circuit de pied de biche et un fusible à la conception. Le circuit de biche peut être fourni comme petite planche de reportage pour le "Mega 2560 Pro". Un tel module complémentaire est disponible ici: https://github.com/sebmate/littlejimmy. Voici une photo montée dans la boîte de vitesse: images / LittleJimmy.jpg.

Le fusible n'est en fait nécessaire que pour le circuit de pied de biche, mais il n'y a rien de mal à l'ajouter en général. Le diagramme de bloc ci-dessus et le panneau arrière de l'enceinte ont déjà été étendus pour incorporer ce fusible. Comme décrit ci-dessus, comme le circuit dessine environ 100 mA à 7,5 V, l'utilisation d'un fusible à action rapide de 125 mA est raisonnable.

Cartes de convertisseur LM2596S DC / DC

Ces cartes peu coûteuses peu coûteuses n'utilisent probablement pas les CI LM2596S originaux (voir ce lien pour plus d'informations). Jusqu'à présent, cependant, je n'ai eu aucun problème avec ceux-ci. Le circuit de pied de pied décrit ci-dessus, lorsqu'il est installé sur la carte "Mega 2560 Pro", offre également une certaine protection contre une défaillance possible d'une telle carte de convertisseur DC / DC LM2596S.

Listes de pièces

Les listes de pièces sont disponibles dans les parts-lists du répertoire.

L'une des listes concerne le distributeur allemand de l'électronique Reichelt. Cette liste est également accessible directement via ce lien: https://www.reichelt.de/my/2038407. Cette liste contient également des pièces alternatives qui ne sont pas essentielles. La liste ne doit donc pas être commandée aveuglément. Veuillez noter que je ne suis pas affilié à Reichelt et que je ne fournisse cette liste que pour votre commodité. Les pièces peuvent être disponibles auprès d'autres fournisseurs à un prix inférieur.

Notes d'assemblage

• Supposons que l'assemblage prendra environ deux soirées, une fois que vous aurez toutes les pièces en place.
• La combinaison de la carte principale et de l'affichage peut être entièrement testée sans que rien d'autre ne lui soit connecté (comme le câblage au panneau arrière, l'amplificateur, le convertisseur DC / DC). Cela fonctionne en alimentant le tableau "Mega 2560 Pro" via USB.
• Le câblage manuel de l'écran prend beaucoup de temps. Vous préférez peut-être utiliser une solution basée sur le connecteur. Notez que les 16 lignes d'affichage ne sont pas requises.
• Avant de connecter et d'alimenter le tableau principal et les ventilateurs via les convertisseurs DC / DC, il est essentiel de régler les tensions à l'avance (par exemple, à 7,5 V, comme décrit ci-dessus).
• La vis spécifiée pour le porte-fusible peut être trop longue et peut percer le panneau arrière. Soyez prudent lorsque vous montez le porte-fusible et envisagez d'utiliser une vis plus courte.
• Des photos d'un appareil assemblé sont disponibles dans le dossier images . Notez que ceux-ci ne montrent pas encore la dernière révision avec le circuit Littlejimmy et le deuxième fusible.

Procédure d'initialisation

Les étapes suivantes décrivent comment configurer initialement l'appareil:

• Avant d'allumer la puissance pour la première fois, tournez le contrôle du volume de la carte de l'amplificateur tout le long.
• Suivez les instructions de la section 4, "Getting Bebing", de la documentation MagicQuartz pour clignoter le firmware et exécuter la configuration du moteur.
• Lorsque la routine "Configuration du moteur" vous pose des questions sur la forme d'onde ( WaveForm de paramètre), définissez-le sur 2.
• Lorsqu'il s'agit de définir la tension (paramètre VoltageMtOn ), la documentation indique que les étapes dépendent de la question de savoir si l'onduleur installé dans la boîte de vitesse a un contrôle de niveau ou non. Il a: c'est le contrôle du volume de l'amplificateur. Continuez comme décrit dans la documentation: réglez VoltageMtOn sur 1, puis augmentez lentement et soigneusement le contrôle du volume de l'amplificateur jusqu'à ce que la tension souhaitée (par exemple, 220 V) soit atteinte. Si l'amplificateur passe à l'état de protection, réessayez.
• La détection d'arrêt de l'onduleur peut être testée comme décrit dans la section 4.3 de la documentation logicielle en définissant une valeur RampingSpeed trop faible, puis en redémarrant l'onduleur. S'il ne fonctionne pas et si les valeurs de courant mesurées dans le micrologiciel sont à l'extrémité inférieure de la plage de mesure (qui est de 0 à 1023), vous pouvez remplacer R7 par une résistance de valeur plus élevée, telle que 470 KOHM.