Un motore che gira su un file MP3

 

Di seguito descriverò un modo inedito per alimentare un motore di Hard Disk dismesso a causa di guasti dell’elettronica o dismesso in quanto facente parte di un vecchio PC obsoleto non più usato.
I micromotori degli HD dismessi  hanno alcune caratteristiche che li rendono particolarmente appetibili per particolari applicazioni amatoriali:
-Velocità che va da un minimo di 3000 RPM (giri /min) per gli HD più vecchi a 10.000 RPM ed oltre per i più recenti.
-Assoluta mancanza di vibrazioni o per lo meno ridotte al minimo possibile e silenziosità.
-Capacità di funzionare per parecchie ore di seguito senza alcun problema di surriscaldamento.
I motori per Hd appartengono alla categoria dei Motori BLDC o brushless questi motori sono essenzialmente dei motori sincroni in cui la commutazione delle correnti di statore viene effettuata da un controller che utilizza l’input fornito da dei sensori di hall che trasmettono l’esatta posizione del rotore in ogni singolo momento.
Questi motori possono essere a una 2 o 3 fasi, in quelli a 3 fasi ci sono 3 sensori di Hall che trasmettono al controller i momento esatto in cui eseguire la commutazione. I micromotori per HD usano 3 fasi collegate a stella non hanno sensori di Hall ed usano una tecnologia diversa per controllare velocità e posizione, usano un micro processore che interagisce con l’attuatore che tramite le testine di lettura – scrittura misura velocità e posizione sul disco e la trasmette al micro processore che regola di conseguenza i tempi di commutazione delle correnti inviate al motore. Sotto un tipico HD smontato.

 

 

Quindi ne discende che una volta che un HD è stato privato del suo attuatore non si può più usarlo con l'elettronica originale, visto che questa lavorava in sinergia con l’attuatore. Più precisamente se alimentiamo questo HD con la propria elettronica originale usando il connettore standard per l’alimentazione, succederà che il motorino partirà e si porterà alla velocità di regime ma dopo circa 30 sec l’elettronica si accorgerà della mancanza dei segnali di controllo e si fermerà definitivamente.
Comunque i 30 sec sono in genere sufficienti per fare alcune misure sulle tensioni effettive ai capi dei 4 contatti del motore sulla frequenza delle tensioni di alimentazione che stabiliscono la velocità del motore stesso. Da ricordare che il motorino di un HD perfettamente funzionante per girare di continuo ha bisogno di un collegamento dati (SATA, IDE o SCSI) perché il microprocessore che lo comanda ha bisogno di un input da un sistema operativo, quindi anche in questo secondo caso in mancanza di un collegamento dati il motore si ferma. Di seguito misure di caratteristiche elettriche del motore dell’HD Western Digital da 5200 RPM, oscillogramma della sua alimentazione e frequenza di lavoro.

 

 

Sotto un tipico micromotore da HD sezionato a 8 poli simile al precedente con schema degli avvolgimenti

 

In genere questi motori possono essere pilotati da microprocessori dedicati o da micro controller pilotati da Arduino tramite apposito programmino con possibilità di variarne la velocità di rotazione.
Il sistema da me messo a punto è un sistema completamente diverso uso un file audio stereo per far girare questo motore . Posso far girare il motore a velocità a mia scelta dipende tutto dal file.

 

Attrezzature necessarie per questa realizzazione:

- un PC anche di vecchio tipo con scheda audio
- un amplificatore audio stereo
- un oscilloscopio
-software generatore di segnali sinusoidali
-software di elaborazione audio

Il PC da me usato per questa procedura è un vecchio Pentium III con Windows 2000, l’amplificatore é stato costruito ad hoc ed è costituito da 2 TDA2030 con alimentazione duale, inserita anche una protezione elettronica contro i sovraccarichi, sotto lo schema usato:

 

 

Descrizione del circuito

I due segnali in uscita dalla scheda audio prima di entrare nei 2 TDA 2030 vengono filtrati dalle 2 celle R1-C1 che costituiscono un filtro passa basso, avevo notato che nelle due linee in uscita dalle scheda audio esisteva un rumore di fondo sui 10 KHz che in questo modo è stato completamente eliminato. Le tensioni lette ai punti 1 – 2 – 3 – 4 tramite oscilloscopio permettono di risalire alle 2 I_M erogate dai 2 amplificatori e quindi alle 2 I_RMS le 2 correnti che entrano nei morsetti 1 e 2 del motore sono sfasate fra loro di 120º si uniscono al centro stella ed escono verso massa attraverso la fase 3 del motore nella fase 3 si forma una corrente I_3-0 sfasata di 120º rispetto alle precedenti, si forma cosi il campo magnetico rotante che trascina in rotazione il motore (un’accurata spiegazione più avanti).
L’accensione degli amplificatori viene fatta attraverso il relè R comandato da Int. e sottoposto al controllo da parte del circuito di protezione contro i sovraccarichi, costituito dal TL 084 che contiene 4 circuiti operazionali. Il primo è un amplificatore differenziale che legge la differenza di potenziale tra i punti 1 e 2 la raddrizza, livella e la porta all’ ingresso del comparatore dove viene confrontata con la tensione fornita dal potenziometro P , che permette di scegliere il livello di protezione, quando il livello di protezione e superato al piedino 14 esce una tensione positiva che viene memorizzata dal successivo operazionale e trasmessa dall’ultimo al Tr BC 337 che manda a massa la base di BD291 la bobina del relè si diseccita e l’alimentazione viene interrotta, per riaccendere il circuito una volta eliminata la causa del sovraccarico basta premere il pulsante Reset.

 

Correnti nel motore, grafici e vettori

Tutto quanto verrà detto ora si riferisce al motore di Hard disk Caviar 21200 della W. D. 8 poli da 5200 RPM, già citato in precedenza, il motore è stato caricato con 2 piatti (29g). In questi tipi di motore bisogna distinguere 2 regimi di lavoro: quello di avvio e quello a regime. Questo motore ha una frequenza di lavoro a regime di 347 Hz pari ad una velocità di rotazione del motore di 5205 RPM è impensabile pensare che basti alimentarlo a 347 Hz perchè il motore si avvii, data la sua inerzia andrebbe subito fuori fase visto che è un sincrono. Il motore va avviato a partire da una frequenza molto bassa 1 – 10 Hz aumentandola gradualmente sino a 347 Hz nel tempo di un decina di sec., questo è quello che fa la scheda elettronica di controllo. All’avvio ai morsetti del motore abbiamo non un’onda sinusoidale ma un onda quadra e la corrente assorbita dalle singole fasi è di parecchio superiore a quella a regime infatti alla partenza l’impedenza di una singola fase è praticamente uguale alla sola R di fase la reattanza X= 2πfL è praticamente = 0.
Sotto schema dell’alimentazione del motore con grafici vettoriali di tensioni e correnti nel motore nel normale regime di funzionamento,

 

Ai morsetti 1 e 2 (A) del motore sono applicate 2 tensioni sinusoidali sfasate di 120º visibili in (B) il punto di riferimento di queste grandezze vettoriali è il punto 3 del motore posto a massa, in (C) il circuito equivalente delle tre fasi del motore con direzioni delle correnti nelle singole fasi nello specifico istante congelato dai grafici vettoriali, sotto un’animazione dell’andamento delle correnti nelle tre fasi del motore.

 

 

Prova preliminare di alimentazione del motore

L’ alimentazione originale di questo motore prevede un tensione concatenata di 8,5V_M 6,1 V_RMS (fra i morsetti 1-3, 1-2, 3-2), quindi per l’alimentazione con 2 fasi dobbiamo attenerci circa a questi valori. Prima di collegare il motore attacchiamo 2 resistenze da 4 ohm 5W tra le due uscite degli amplificatori e massa , quindi installiamo su PC il generatore di segnali che potete trovare qui: Two channels frequency generator Impostati i dati come nell’immagine sotto si fa partire il generatore dopo aver attaccato un oscilloscopio tra massa ed uscita amplificatore il volume del generatore va regolato sino a ottenere 8,5V_M eventuali differenze di ampiezza nei 2 canali vanno regolate con i 2 potenziometri P1 e P2 (schema amplificatore) , annotare il valore in dB del volume.

 

 

Ora si può attaccare il motore dopo averlo privato dei suoi dischi per diminuire la sua inerzia. con il volume selezionato in precedenza portare il cursore della frequenza a 0 accendere l’amplificatore ed il generatore, si fa quindi scorrere molto lentamente il cursore della frequenza verso destra ed il motore si avvia , se questa manovra viene fatta troppo rapidamente il motore va fuori sincronismo e si ferma . Questo modo di operare è solo a scopo dimostrativo in quanto poco pratico, per un funzionamento preciso bisogna creare un’apposito file.

 

Generazione dei files necessari al funzionamento del motore per una velocità di 4500 g/min. (motore caricato con due piatti 29g.)

Per la generazione dei files propulsori mi sono avvalso di 3 programmi:
- Soundcard Scope, per la generazione dello Sweep d’avvio,
- Realtime Analyzer RA, per il funzionamento a regime,
- Sony Sound Forge, per l’unione dei 2 spezzoni e la regolazione dell’ampiezza dei 2 segnali stereo.
I criteri per la generazione dei files variano a seconda dell’uso che se ne fa, se la massa portata in rotazione dal motore e piccola lo sweep d’avvio può essere breve 10 - 15 sec., se la massa è consistente lo sweep bisogna farlo durare 30 – 45 sec. Una volta a regime l’ampiezza del segnale si può diminuire.
Sotto schermata per la generazione dello Sweep da 5 a 300 Hz nel tempo di 30 sec

 

 

Di seguito la schermata di Realtime Analyzer per realizzare il resto del file quando il motore ha raggiunto la velocità di regime in questo caso 4500 RPM pari ad una F di 300 Hz il file può essere lungo da pochi minuti ad ore.

 

 

Alla fine i due file vanno riuniti con Sound Forge o con altro programma di audio editing, sotto particolari del file

 

 

In (A) file composto da 30 sec. Sweep d’avvio e 5 min a 300Hz; in (B) zoom all’avvio, in (C) a regime con riduzione al 40% dell’ampiezza del segnale.

Per mandare in esecuzione questo file viene usato un programma di audio editing tipo audacity o Audiodope, volume regolato a 0,6 il segnale in uscita dalla scheda audio del PC viene mandato all’amplificatore audio e quindi al motore, in fase d’avvio il controllo oscillografico tra centro stella e fasi darà delle sinusoidi fortemente deformate ma una volta a regime si dovrebbero vedere delle perfette sinusoidi i 2 canali audio devono essere perfettamente bilanciati e ciò si ottiene regolando P1 e P2 (schema), le deformazioni nella forma d’onda vengono corrette diminuendo il volume del programma solo in queste condizioni si avranno 3 fasi bilanciate, comunque anche in caso di sbilanciamenti il motore gira senza problemi, importante è lo sfasamento a 120º fra i 2 canali e la qualità dei 2 segnali che deve essere perfetta senza la minima interruzione. Con questo sistema è stato fatto girare un motore caricato con 4 dischi (74,6g) a 7000 RPM per usarlo come giroscopio. Sotto foto del prototipo dell’amplificatore usato con i motori usati per le prove.

 

 

Bibliografia:

-Introduzione al controllo dei motori brushless
-Azionamenti brushless
-The PC guide: Servo Techniques and Operation
-Controllo motore di Hard Disk
-Two channel frequency generator
-Soundcard Scope
-Realtime Analyzer [RA]