Attuatore lineare quasi micrometrico

Attuatore lineare quasi micrometrico
Mi serviva un “qualcosa” che muovesse un piccolo specchio a passi di
qualche decimo di millimetro e mi è venuto in mente che in un lettore
di floppy disk la testina si muove per 1,5 centimetri sulle 80 tracce
spaziate di 187,5 micron, poco meno di 2/10 di millimetro a
passo. Giusto quello di cui avevo bisogno.
Il circuito
Come dispositivo di comando ho usato un encoder incrementale
meccanico a 24 passi; le sue uscite sono piene di rimbalzi e le ho
ripulite con due condensatori da 1 uF poliestere e due trigger di
Schmitt. Un flip flop D decodifica la sequenza delle uscite sfasate di
90 gradi dell’encoder e genera il segnale DIR che stabilisce la
direzione avanti o indietro. Il fronte di salita di una delle fasi viene
usato come clock e campiona lo stato dell’altra fase: se questa ultima
è in ritardo si avrà uno 0 in uscita mentre se è in anticipo si avrà un 1.
Un secondo flip flop D divide per due una delle fasi dell’encoder ed un
monostabile crea l’impulso STEP, che sposta la testina, lungo circa
600 microsecondi.
Avrei potuto usare l’integrato LS7184 fatto apposta per decodificare
gli encoder, ma è introvabile e costoso. Ho usato integrati TTL perché
gli ingressi e le uscite del lettore di floppy sono TTL compatibili ed
l’alimentazione è a 5 Volt come quella del lettore. Ormai i lettori di
floppy sono ormai alimentati solo a 5 Volt, ma se ne avete uno
vecchio occorre fornirgli anche i 12 Volt. L’assorbimento è di circa
100 mA con il lettore di floppy a motore fermo.
Il livello zero sul pin12 del connettore serve ad abilitare il lettore di
floppy. Il led si accende quando la testina si posiziona sulla traccia
zero, quella più esterna. Poichè il circuito formatore del segnale STEP
divide per due una delle fasi dell’encoder avremo l’avanzamento di un
passo ogni due scatti dell’encoder, quindi ci saranno 12 avanzamenti
per giro con un encoder da 24 passi. Se fosse necessaria una
demoltiplica superiore, ad esempio 3 step per giro, basta inserire un
ulteriore divisore sull’uscita del flip flop inferiore.
Un paio di avvertenze. L’encoder va ruotato con decisione fra un
“fermo” e l’altro perché ad ogni scatto viene generata la sequenza
completa dei quattro stati. Se si inizia la rotazione e ci si ferma senza
completarla quasi sicuramente si chiude e si riapre solo uno dei due
interruttori generando una sequenza errata: un PIC la recupera, il flip
flop no. Seconda avvertenza: quando si da tensione al lettore di
floppy alcuni firmware avviano la calibrazione e muovono la
testina verso la traccia zero seguendo il segnale STEP ma ignorando
il segnale DIR. Una volta raggiunta la traccia zero prende avvio il
funzionamento normale in avanti ed indietro.
Ovviamente non c’era molto da inventare visto che per decodificare i
segnali dell’encoder basta un flip flop, il mio contributo è solo quello di
aver connesso l’encoder al lettore di floppy per spostarne la testina!
Il prototipo
In attesa dell’assemblaggio definitivo insieme ad altri circuiti per un
mio lavoro in corso di sviluppo ho realizzato il circuito sulla
breadboard per testare il collegamento con il lettore di floppy. I tre
diodi led in basso non sono riportati sullo schema, li ho collegati sulle
uscite dei due flip flop per avere una visione dei segnali generati.
clicca per ingrandire
clicca per ingrandire
la bread board, a sinistra l'encoder a 24 passi
sul connettore sono usati solo i pin 12-18-20-26
Il lettore di floppy va aperto per accedere alla slitta portatestina, poi si
toglie la testina di lettura superiore e si fissa la “piattaforma di
servizio” usando i due fori filettati M2 presenti sulla slitta portatestina.
Anche se non è indispensabile è opportuno inserire un floppy disk nel
lettore perché così tutte le parti meccaniche libere vanno in posizione
di blocco rendendo il tutto più stabile.
clicca per ingrandire
clicca per ingrandire
il lettore con la testina superiore in posizione
la slitta senza testina è fissata con due viti M2
Ho fatto anche delle prove di carico: l'attuatore solleva senza problemi
un peso di 100 grammi e comprime il piatto di un bilancia (quella
per pesare la posta) con 100 grammi. In posizione di fermo mantiene
la posizione sia con il carico di trazione che con quello di
compressione. Li fanno robusti i lettori di floppy!
clicca per ingrandire
clicca per ingrandire
la piattaforma con i fori a 0 e 90 gradi
la slitta sulla traccia 79
Due parole sul lettore di floppy disk
Il lettore del floppy disk ha un motore brushless che ruota a 300 giri
al minuto a velocità controllata ed un motore passo passo che sposta
la testina di lettura. Le 80 tracce sono distanziate di 187.5 micrometri
con una tolleranza di +/- 15 micrometri, circa l'8%. A noi basta usare
il pin 18 che stabilisce la direzione del movimento (se =0 la testina va
verso l’esterno fino alla traccia 0, se =1 la testina va verso l’interno)
ed il pin 20 che comanda i passi di avanzamento con un impulso di
zero lungo almeno 1 microsecondo e con periodo di ripetizione
massimo di 3 millisecondi.
Se non attestate i collegamenti direttamente sul connettore maschio
ma usate il cavo piatto pc/floppy come prolunga ricordate che tale
cavo ha alcuni conduttori incrociati e scambia il pin 10 col pin 16 e il
pin 12 con il pin 14. Da molto tempo i lettori di floppy sono configurati
in modo fisso come drive B ed i pin 10
e 14 spesso non sono più collegati,
quindi per far vedere al PC il lettore
come driver A occorre invertire tali fili,
cosa non fanno le grandi ditte per
risparmiare sui costi di produzione!
I pin dispari da 1 a 33 sono collegati a massa. Gli ingressi TTL
compatibili se messi a zero assorbono non più di 6 mA mentre le
uscite sono Open Collector con una corrente massima di circa 25
mA. Per attivare il lettore di floppy occorre mettere a massa il pin12
SEL_B: si accende il led sullo sportello, vengono accettati i segnali
DIR e STEP (ed anche MOTOR_B pin 16 che non usiamo) e sono
attivate le uscite.
Quasi tutti i lettori di floppy sono ormai alimentati solo a 5 Volt, quindi
basta usare il filo rosso ed il filo nero, se ne avete uno vecchio dovete
collegare anche i 12 Volt.
Conclusione
Considerato il costo e la semplicità realizzativa un attuatore lineare
che produce una forza di 100 grammi con uno spostamento di 15
millimetri con 80 passi di 187,5 micron non è male! L’elettronica
interna al lettore di floppy che muove la testina accetta segnali in
ingresso simili a quelli che pilotano un integrato L297 quindi è facile
comandarla oltre che “a mano”, come ho fatto io, anche tramite la
porta parallela del PC o con un PIC. In rete ci sono numerosi video di
lettori di floppy “canterini” ai quali un PIC o un PC fa muovere la
testina per produrre note musicali, tuttavia mi sembra un un impiego
molto riduttivo rispetto alle effettive possibilità. A me
serviva muovere uno specchio ma forse si potrebbe realizzare un
microsaldatore per componenti SMD. Buon lavoro!