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[电动]为戈麦斯锂电钻添加电量显示功能(调速器结构原理详解+电量板设计制作+调试安装) [复制链接]

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— 本帖被 小霞 设置为精华,作者+3000M币+5专家(2017-05-09) —
之前马云家买的几十块的廉价锂电钻由于成本问题电量显示功能被厂家阉割,对使用造成一定不便。如图 此帖共100多张图片 预计三层楼。。。


这个电钻就算电量显示功能没被阉割也基本等于形同虚设,主要是指示功能十分粗糙(这类电量指示就用了几颗二极管和电阻加三颗led)不能体现真实电量状况,于是决定为其设计一个电量板。如下图手绘版原理图,此电量板带有负载补偿功能,引入电流反馈克服一般电量指示带载和空载时压降变换带来的指示不准确问题,拥有四段指示最后10%会闪灯提示。

开始前先了解一下调速开关详细原理,这个大概原理坛友基本都知道但开关的详细运作原理论坛貌似还没有一篇帖子有过介绍
为了设计好电量板必须了解其详细原理,这个小东西看似小,其实设计的还是挺精妙的 ,如图下半部分为调速器原理图 跑了一下电路。

绿框为 调速开关结构 k1 k2 k3 为联动开关 当开关按下时 k1 k2 k3 同时滑动 首先k2(电子刹车 你按下开关复位后电钻电机会立即停转就是这个开关在起作用,它的两点和图中调速器原理图中a b 两点直连 复位后会将两点也就是电机两端短路起到刹车作用,这就是为什么有坛友疑惑很快的复位调速开关电机里面会有很大的火花,就是因为电机两端被开关短路线圈里的反电动势放电造成,慢慢回位开关由于感应电动势很小则不会有很大的火花)会从连接状态断开 ,电机不再被短接 开始行程,k1 也在滑动 准备调速 ,随着行程进行,k3 滑动触片将d点和e点短接,d点为电池负极 e为调速板地  两点相连 调速板得电运行,相当于电源接通,与此同时k1 滑动电位器触点1和c接通 使pwm芯片产生特定脉宽从8脚芯片(型号看不清也查不到,但不影响分析)第脚输出pwm脉冲送mos管g极 控制电机转动,随着行程的加大,k1中会依次连通c2 c3。。。。c7 转速不断提高,当到达c7后调速器滑动电位器触点接通最后一个电阻端子7 的20k后转速不再提高,以达到pwm芯片占空比极限,再向下按压调速开关 k3的d e f 三个触点会短接再一起,相当于电路图中把 电池负极 调速板mos的漏极和源极短接在一起,这时相当于把调速器短接直连此时电机是直通电池的,不再受调速器调速控制,电机也达到最高转速和最大功率。看似7速 实际是8速 最后一档是直通。

松开调速开关就是以上的逆过程, 先解除mos管直通 恢复调速功能 转速越来越慢 到最慢后断开电源 最后短接ab两点电子刹车。
好了分析完调速器原理后就知道怎么加这个电流取样了, 图中下半部分中段虚线方框就是后加的电量板电流取样电阻的位置。



下面是调速器拆解和原理图中对应关系












开关触片


正反转开关





下面介绍电量板原理  图中上半部分  用lm324做电压比较器 ne555做10%闪灯时基, tl431做电压基准 78l05做振荡器稳压电源和反馈电路稳压偏置。 电量板分4段 分别 70%-100% (绿灯led1)   40%-69%(黄灯led2)   10%-39%(橙灯led3)  0-10%(红灯闪led4)

运放a1-a3接成比较器 同相输入端分别接到 tl431阴极作为基准 设定3v 反向输入端通过 r6 r7 分压节点取样(a1比较器)当分压节点电位高于3v基准时比较器a1 7脚输出低电平 12v电源经led1 电阻r8限流到a1 7脚低电平点亮,当电池电压降低到设定电位 r6 r7 分压节点电位低于3v基准则比较器翻转 a1 7脚输出高电平 led1熄灭 ,达到指示目的,a2 雷同   说下a3 当电量小于10% 也就是a3 14脚输出高电平 led3橙色灯熄灭 的同时高电平被送入 二极管d1 和r15限流电阻送入npn型三极管的基极 三极管导通 使集电极c电位为零(接近)ne555组成的振荡器得电开始工作频率为3hz 每秒三次 ,ne555三脚输出脉冲推动led4(红灯闪烁),由于lm324并非轨对轨运放输出低电平带载2ma左右时并非为0v(大概0.5-0.7v)如果不串联二极管三极管会处于微导通状态,导致led4应该为关断状态时会微微闪亮,二极管d1的作用是利用其0.7v左右的压降吸收运放这0.7v使送到三极管基极电位为0 使三极管可靠关断。78l05为ne555供电的同时会通过rp1电位器上端输入5v稳压源,通过分压后送a0 3脚 作为电流取样放大器的稳压偏置(单电源供电需要设置偏置)运放a0 接成反向放大器 (为什么要反向放大器,因为抗干扰能力强,由于取样信号是脉动和谐波成分非常严重的信号,如果用同相输入端会造成放大器无法正常工作)a0 1 2 脚 接r1 2脚接rp2 上端 下端去电流取样点。输出电压计算公式 vout=vin+ * (1+r1/pr2)- vin- * r1/rp2  r3 r4 r5 是431 上下臂和偏置电阻  选择得当 使431输出 3v基准电压  q1 三极管 pnp型  c e 分别并联在r4两端 作为电子电位器使用,设定好r1 rp2 放大器的倍数就确定了,调节rp1设定合适偏置电压使 运放a0 2脚反向输入端为0时 三极管q1 正好处于微导通状态 调节到基本不影响3v基准的 状态,当电钻接通 随着按压力度的增大转速提高 电池由于内阻的存在输出电压会降低此时指示灯取样分压电阻如果靠近转换点会下降一格电量(低于3v基准了),这并不是真实的电池容量变小,而是压降造成的,这显然是不准确的,就需要随负载大小的补偿功能。
负载加大的同时电流取样电阻电流增大 下半图虚线 mos 源极s和5毫欧电阻节点电位上升送到a0 2脚 会使1脚 电位降低 三极管q1 基极电位下降开始导通,导致 e c 等效电阻降低 会使r4 等效并联电阻变小 431输出基准会降低 这时取样分压电阻检测到的压降会被动态基准的降低所抵消,led就不会因为带载跳电了,这个就是带载补偿功能。


原理说完了 需要确定电压电量对应节点 用ebd做了一次电池完全放电 如图 可以看到电池标称1300mah 1a放电也是1300 图中标注出了电量对应点 但不能准确看出具体数值 这可不行


再看下图 软件导出的excel文档 里面详细记录了 放电信息和电压电流时间对应关系




需要查看 3个点位的具体数值 先看看总放电时间和放电截止电压 可以看到截止时间为4691秒 截止电压9.199v



好了可以计算 电量电压对应点了  先70% 4691* (1-70%)=1407s 查表看电压 可以看到1407对应11.417v  


40% 4691*(1-40%)=2814s 对应2814  10.832v


10% 4691*(1-10%)=4221s 对应10.187v


元件取值  lm324 取样电阻 最大输入电压为4.2*3 =12.6v 运放输入ma级电流即可 假设1ma 两个分压电阻就需要12/1ma =12k  取总值20k
比较器上臂由于承受大部分电压越 3分之2  取15k 也就是 r3 r9 r12 取15k  

计算 下臂电阻取值 由于基准设定3v  a1比较器 对于节点电压为11.417 ,(11.417-3)/r6(15k)=0.561ma  根据欧姆定律 r7=3/0.561=5.3k
剩下a2 a3 取样以此类推不再赘述。赠送个324资料


下面t431 工作需要至少1ma的偏置电流 上面已经查表得出 电池放电截止电压为9.199v(保护板动作)取9v 9-3(基准取值)=6v /1ma=6k
实际为了留出余量我改成了4k  实际电路板上用的3.9k。 431 上下臂取值 431pdf文档要求输入上下臂分压最少能提供ma级的电流ref负载最小大约2-4ua,也就是上下分压电阻要远大于 ua电流 为了较强的抗干扰能力我取2ma 总值10k左右 结合公式vout=(1+r4/r5)vref (2.5v)3(设定基准)r5(取10k)  r4计算结果为2k  再赠送一个431资料


运放a0 rp1 要求ma输入 5v偏置电源 设1ma电流 需5k 所以rp1 取5k

r1 rp2 要求远大于 输出负载阻抗 由于 q1 三极管 输入限流电阻 取1k  为了较强的抗干扰能力取值较小 1-5k都可以 (运放最低输出为0.7三极管集电极电位最高3v 压差2.3v 电流限制在几ma即可所有取 1k ) 输出阻抗确定 输入增益调节电位器 取值10几20k都可以 这个手绘版原理图我用的10k 和2k 电位器 最终电子版原理图和实物用了一颗20k贴片电位器代替。

ne555取值 设定振荡频率3hz 根据公式t=ti+t2=0.7(r16+2r17)c    周期c=1/f 1/3=3.333 充放电电阻一般习惯几十k 我选两个100k 代入公式最终 电容取1.5uf
ne555 5内部基准控制端 我用内部基准 所以接了一颗0.1uf 电容






r15 10 几20k 都行 ne555 5v下工作电流 10ma左右 r15能使三极管在10ma饱和导通就行。

78l05 的作用一个是为a0提供稳压偏置源 一个是给ne555供电,不然振荡频率会随电压变化。



r8 r11 r14 led限流电阻 led 工作电流2-3ma就行 12v -2v(led压降)=10v /2(取2ma)=5k 最终4.7k代替

r18 led4限流 这个工作电压5v r= 5-2-0.3(q2饱和管压降)=2.7/2=1.75k 最终1k 代替。


下面是电子版原理图和pcb图
和手绘版有点区别以这个为准



pcb图  由于体积较小走线单面板无法布通 所以采用双面走线单面分布元件
顶层 紫色为机械层1 定位标记



底层 四周方框为禁止布线层



机械层13


机械层15


丝印层


阻焊层


锡膏层没有截图 我用不上 一把烙铁就够了
下面全部图层




3d 由于没有贴片电位器3d封装 我也懒得画这个 只画了元件封装库 所以电位器位置缺失图形


2楼是pcb制作详细过程。。。。
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只看该作者 1楼 发表于: 05-09
Re:为戈麦斯锂电钻添加电量显示功能(调速器结构原理详解+电量板设计制作+调试安装 ..
由于热转印法线宽一般不低于10-15mil 不然转印和腐蚀过程会失败,由于此板子体积限制线宽最细0.1mm约3.9mil
对手工制作工艺提出了要求,0.1mm是我的激光打印机能打印出不断线的最低线宽,这么些的线宽制作难度还是很
大的,下面分享个人的一些经验确保做成精度较高的板子来。

第一步 找一张不干胶底纸 要求尽量薄一些 这样打印时定影会好一些。


然后打印机里面打印 成这样 由于贴片安装顶层要镜像一下


选板子厚度 和裁切  由于电钻内部空间限制 考虑到元件厚度位置 分布等等因素 确定板子只能0.6mm一下 最终选0.6双面玻纤板




切成这个大小


用3000号砂纸打磨


准备转印 底下垫厚瓦楞纸


对好定位标记 用透明胶贴好


准备熨斗


翻过去 熨斗调最高温度 轻压住 20秒不动 然后再用熨斗尖部扫描式熨20秒


熨成这样状态 不要立即揭 也不要完全凉了再揭 50度左右再去揭 这是转印成功的关键


揭下后


转印反面 一定要对好标记


过程同上


完成后  有断线的部位要记号笔补下


准备腐蚀 三氯化铁加水1比1 可高不可低 ,这里说下如果一般线宽较高的板子直接泡里面搅动就可以了,但是不到4mil的线宽
直接泡里搅动或者泡泡机里腐蚀,100%报废,因为厚粗的地方还没腐蚀 细线早已不见了,怎么办下面请出神器,对就一块海绵
配合10爪加工中心  智能化刻板 板子不要泡里面 用手拿着板子一面向上一面向下,海绵蘸少量三氯化铁溶液慢慢的擦拭pcb
可以先擦正面一半 然后再正面另一半,你会发现腐蚀的速度是非常的快的,两分钟之内就可以了 两面不到4分钟,而且可以
哪里需要哪里去,腐蚀掉的可以不用继续I接触腐蚀液了,没动静的地方多擦几下,完全按需分配,比直接泡里出来的精度高
很多,速度也快很多,泡里没个10几分钟别想,而且出来就是废品。



腐蚀好了


用酒精擦去碳粉 不要用砂纸 不然连铜箔都打磨没了


反面


下面涂绿油 透明胶片打印好阻焊层(选激光专用的 耐高温的)


要打两个 打印时可以不考虑镜像与否 但最好打印面贴在pcb上


顶层的剪掉


底层的


合在一起 一层遮光效果有限 需两层


另一面的


挤点绿油


用卡片刮 不要用毛刷之类的 掉毛还刷不匀  这一步可以大概刮平 不用太平整


刮完成这样 不要太厚


下一步是关键 网上告诉你用胶片或普通塑料膜压在绿油上固化,我可以负责的告诉你这样的后果是100%报废,固化后绿油都
被胶片或塑料片粘走了,接下来一块一块的,怎么办,这个真不想说,还是分享出来吧。请出神器 一张高透膜 别以为原来
就一张高透膜呀,不知道用法你还得折,有没有发现贴膜时 粘上灰尘用不干胶纸去粘灰尘,如果直接粘正面无背胶的那一面
会粘住很难揭下来,如果粘有背胶的那一面会非常轻易的接下来并带走灰尘,要利用的就是有背胶的这一面,用这一面接触
绿油(哦我是用的蓝油 我喜欢蓝色)三层膜选中间的就是你贴手机的那层厚的。


压好定好位 用透明胶固定 然后刮板轻轻的刮匀 完全排除气泡 颜色深的厚度地方可以稍用力,浅的部分可向厚的地方借点
弄到完全均匀。


固化 我把灯底朝天了, 上面放一块有机玻璃 然后放上打印好的阻焊胶片和刚才的高透膜定好位 开照   时间需要实验得出
我的50秒 不能多了 1分钟就报废


然后棉签蘸酒精 擦 不要用抹布什么的因为 绿油还很脆弱 需要擦拭后二次固化


完成效果是这样的


然后是反面








镀锡 正面  都是焊油

反面


打过孔 由于手底下没有这么细的钻头了 一盒钨钢钻头都=让我整折了 只得用针磨一个临时的


磨成这样


小伟兄弟的小平口真的方便好用 先定位在钻



钻好后 孔有点大了 无奈 最细的针了 再磨细 我这十指叉子不够用了 眼神不好了 有的孔偏


一段漆包线 耳机线里面的 韧性好 可焊性好 镀锡后用来连接过孔 原谅我没有金属化设备 只能这样了



焊好后  (真体力活呀) 记号笔蘸蓝油 焊点都涂上覆盖好 本来过孔可以阻焊或者空着 手工后必须用蓝油固定里面焊接
的细铜丝,不然下个步骤风枪焊接时会导致过孔中焊锡融化铜丝脱落。


拿去固化 时间你随意


焊接


焊好后








三楼是调试装配。。。

[ 此帖被qrut在2017-05-09 17:46重新编辑 ]
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liuwn M币 +15 这板子做得没说的 06-03
花生仔 M币 +15 謝謝分享 05-17
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q版虎斑猫 M币 +15 - 05-12
ningjiang M币 +8 楼主手艺真好,谢谢分享实际操作的宝贵经验。 05-11
2n3055 M币 +30 優秀文章 05-11
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只看该作者 2楼 发表于: 05-09
Re:为戈麦斯锂电钻添加电量显示功能(调速器结构原理详解+电量板设计制作+调试安装 ..
调速器主板


需要跳开mos源极


用一段粗铜丝 绕几圈 大概5-7毫欧 我最终用的7毫欧


找个圆柱的东西绕一下脱胎 3到4圈就行 没合适的小阻值贴片电阻 只能这样


焊好 511电阻右面的焊盘是需要引出的电量板负极 细黑线焊在在这里


再引出一条黄线 去取样电路输入


再加一颗5uf的贴片电容 由于取样电路电流脉动和谐波成分很大 必须加平滑电容滤波 不然 指示灯会随脉冲脉动 也可以补偿电感取样的感性使取样电路变为阻性

调到12v供电


连接好线路 调灵敏度 实验觉得增益为6正好 不会出现过补偿的情况



测试 电量指示精度 调整到11.32v 绿灯熄灭 和设计(11.4)有一点点误差 (这几个0402的取样电阻真是翻遍天找了几十块板子
就是没合适的最后两个每个用两只并联才了事,而且凑得阻值还不是特别的准确,没辙呀)能这样我已经很那啥了。。


两格电


一格 橙色


最后10%的红灯闪


一颗16v1000uf的电容  滤波用 感性负载和pwm调速带来很大的干扰和谐波成分,严重干扰电量板,必须加上滤波不然灯光烂闪
这么大的滤波只能外置 实测100uf 开始好转 1000uf完全稳定。


电机两端也焊一颗104的瓷片电容 抑制干扰


全部焊接好

一段热缩管较粗


打火机烧一下


截成三端



塞这里



板子塞里面严丝合缝,聚酰亚胺胶带贴好。最后实验发现由于电机的反电动势产生高压,有小概率造成lm324击穿(虽然调速器有反讽吸收二极管
)但效果不佳,最后并联一颗15v稳压管解决问题。这张图上没有焊 只表示出来 懒得再上图了。


装配好



最后效果 由于相机的原因 想拍灯就不要拍机身 想拍机身就不能拍灯 凑活看吧 由于亮度有限颜色有几乎表达不出来 实际效果很好,
由于负载补偿的作用 猛按下调速开关 和加大负载 电量灯也不会乱跳,非常稳定 并且正常的电量下降不受影响,指示较为精确
达到设计要求。


两颗灯



一颗橙色时


最后红灯闪烁


好了此帖结束,欢迎留下您的看法。。。。。
[ 此帖被qrut在2017-05-09 17:37重新编辑 ]
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wantech M币 +8 感觉功能简单,实现起来太不容易了。 08-11
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坐等大大更新,偶就只搞了个电压检测的
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lmy2003 M币 +8 原配也是检测电压 05-10
qrut M币 +5 元首驾到有失远迎~ 05-09
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Re:为戈麦斯锂电钻添加电量显示功能(调速器结构原理详解+电量板设计制作+调试安装 ..
这个牛,预测精华
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Re:为戈麦斯锂电钻添加电量显示功能(调速器结构原理详解+电量板设计制作+调试安装 ..
坐等更新。这肯定是个精华了。
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Re:为戈麦斯锂电钻添加电量显示功能(调速器结构原理详解+电量板设计制作+调试安装 ..
腻害了我的哥
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qrut M币 +5 小伟兄弟驾到热烈欢迎! 05-09

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Re:为戈麦斯锂电钻添加电量显示功能(调速器结构原理详解+电量板设计制作+调试安装 ..
楼主 威武 先顶了
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Re:为戈麦斯锂电钻添加电量显示功能(调速器结构原理详解+电量板设计制作+调试安装 ..
这么厉害这是工程师级别的专家
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Re:为戈麦斯锂电钻添加电量显示功能(调速器结构原理详解+电量板设计制作+调试安装 ..
这个太厉害了 。电专够手工钱么      有没有再简单的指示灯了
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