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[钟表] 石英钟跳秒机芯驱动板工作原理分析、输出波形测试(更新定向旋转原理)

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发表于 2021-11-8 12:47:45 | 显示全部楼层 |阅读模式

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本帖最后由 qrut 于 2021-11-21 17:06 编辑

之前论坛和网上有人认为普通挂式跳秒石英钟输出频率为1hz?其实这个说法是错误的,于是抽时间拆个跳秒的山寨机芯介绍一下工作原理并且测试一下实际输出波形和频率。

山寨机芯一个
1.jpg

拆开
2.jpg


除去齿轮部分只留下驱动板和步进电机,这个电机属于交流永磁同步电机,转速只和频率有关和电压电流基本无关。工作原理类似微风吊扇的爪极式交流永磁同步电机。
只不过是两极同步电机,线圈穿入u形铁芯(这个山寨货直接用的铁片,好点的用两片叠加硅钢片)u形末端形成n,s 磁极 ,也就是定子部分。内部一颗圆柱形磁铁充当转子。
线圈内部接入正负变换的交流电就会旋转起来,一个正脉冲转子转180度,也就是秒针跳一下,再一个负脉冲转子又转180度回到原位,秒针就又跳一下,完成一周。
因此半圈跳一秒而不是一圈。所以实际工作频率并不是网上一些错误介绍里的1hz输出频率,而是0.5hz(一个正脉冲,一个负脉冲,总周期2秒)。
3.jpg


拿出来
4.jpg


反面一个臭油块,下面32.768khz 晶振,能集成的都集成了。
输出直接接线圈
5.jpg


磁石上面有个齿轮
6.jpg


中空,内部有个塑料的主轴,分两个磁极。
7.jpg


转子侧面
8.jpg


量一下阻抗,96欧,很低,怪不得这么费电,如果按1.5v输出脉冲幅值计算,1.5/96=0.0156A 大概15.6ma电流,电流比普通350欧线圈大了3.6倍。
但是实际电流不能按15.6来算

IMG_20211108_114445.jpg


先测下输出波形,可以看到输出周期2秒,频率0.5hz 正负幅值1.4xv 的窄脉冲。
半个周期的脉宽非常的窄,到底有多窄?
10.png


只有大概31ms,只占1000ms(半个周期的3%),如果按96欧线圈电阻计算,平均1秒消耗的平均电流就是(1.5/96)*0.03=0.468ma,一粒碳电大概500mah,因此500mah/0.468ma=1068小时,1068/24  大概44天就没电(实际后期电池电压下降电流会减小一些,此表实际使用时间2个月左右),好的线圈阻抗高的可以撑过这个3-4倍,大概能用7个月以上,当然好点的电池会更久。
11.png


负半周和正半周对称,设计成窄脉冲一个是为了省电,一个还和转子平稳运转有关。
12.png


下面是原驱动时的运行状况视频,用红线标记了一下转子,可以看到跳1秒转半圈,转子运行平稳。
12a.mp4 (2.69 MB, 下载次数: 0)



下面用信号发生器模拟驱动板,但是脉冲宽度1000ms 峰峰值调到2.8v(相当于1.4v正负脉冲幅值),频率0.5hz双极方波。
13.jpg


可以看到,也能转动,但是转子由于方波宽度大幅提高,不但费电,而且有回摆现象,这是因为驱动脉冲宽度太宽导致能量太大,启动时间太长,转子一直受电磁牵引,没有不受牵引的自由行程,一次脉冲冲到180度到头才断电,由于转子惯性会向前再转动一些再被磁极吸引力拽回来回到180度的位置,行成跳动。所以驱动脉冲必须是窄脉冲才更省电,也不会回摆,一些劣质机芯就存在回摆问题,就是脉冲宽度设计不合理。
14.mp4 (2.46 MB, 下载次数: 0)

下面测试一下调速,可以看到改变频率就能改变转速,由于转子上面主轴齿轮没有固定入槽,所以高速会很大抖动和噪音
15.mp4 (4.69 MB, 下载次数: 1)




更新一下: 有坛友问定向原理,简单说就是不对称磁场导致的,详细讲如下。
这是拆去线圈后,只留下定子和转子,可以看到定子上下左右并不是完全对称的。
a.jpg


拆下来看的更清楚
b.jpg


注意红线标记,对角方向上下是直角,左右类似梯形角。
c.jpg


如下图,红线标记结构造成不对称气隙,看黄线标记轮廓,直角边的气隙小,梯形边的气隙较大, 气隙结构从上半部看,从左向右气隙从小逐渐变大。
由于不对称气隙导致无线圈时(或者说线圈无电流时)转子会在不对称气隙中找到平衡位置(绿线分割线位置就是平衡位置)类似于普通电机转子都有个固定角度的位置,就是这个平衡位置。中线部分圆圈是转子,上半部是n极下面是s极。
d.jpg


如下图黑色箭头指示,气隙从小变大,导致驱动时受力也不一样。
e.jpg


假设第一个脉冲进入线圈,定子产生上n 下s 磁场,同性相斥则转子就会如箭头所示 逆时针旋转,180度后脉冲早已消失转子磁极翻转后的惯性,被转子定子固定牵引力强制停止在绿线位置,完成半圈的转动。等到下一个反极性脉冲到来再转180度,完成一圈。

f.jpg


如果第一个脉冲产生磁场和转子相反会怎样?由于异性相吸则转子理论上应该顺时针旋转,但是由于前面说了,定子是不对称磁场,气隙从小变大,顺时针旋转将导致气隙越来越大,所受电磁驱动力越来越小,最终导致驱动力不足以克服定子和转子之间的固定牵引力而顺时针旋转一定角度后被牵引力再拽回绿线位置。等下一个反极性脉冲到来再逆时针旋转,这就实现了定向旋转。
g.jpg


下面视频演示,正常转动时用手握住转子将半个周期脉冲忽略,强制转子保持原位不动,等下一个反极性脉冲到来正好是反转脉冲,可以看到和理论分析的现象是一样的,转子向相反方向转动一定角度后被强制拉回原位,实现定向旋转。
VID_20211110_134604.mp4 (1.77 MB, 下载次数: 0)

有少数坛友对0.5hz输出频率还存在异议,对交流信号 频率 周期等 定义认知模糊,精力有限还请自行百度补充相关专业知识。
下面是某钟表厂产品信息页截图,可以看到输出频率标明0.5hz, 之前也搜到相关技术文档,也写明输出频率0.5hz, 有兴趣可以自行搜寻查证。
IMG_20211114_082400.jpg


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