МИР ПЕРИФЕРИЙНЫХ УСТРОЙСТВ ПК

 

Такой модуль лазерных принтеров, как двигатель сканирующего зеркала, дает достаточно высокий процент отказов и проблем, вызванных необходимостью проведения профилактической чистки и смазки. Поэтому рассказ о принципах функционирования этого блока в самых современных и самых распространенных моделях принтеров будет весьма актуален. Как показывает опыт некоторых специалистов, ремонт блока лазера не является такой уж безнадежной затеей, как это изображается в сервис-мануалах и во множестве около-ремонтных публикаций. Все упирается лишь в квалификацию и профессиональную подготовку сервисных специалистов.

Для вращения сканирующего зеркала лазерного принтера, которое представляет собой многогранную призму с полированными гранями, используется бесколлекторный двигатель постоянного тока (шпиндельный двигатель). Этот двигатель обеспечивает высокую и равномерную скорость вращения призмы. Обо всех достоинствах и преимуществах шпиндельных двигателей, об общих принципах управления ими, а также об их работе в отдельных моделях принтеров, мы уже рассказывали на страницах нашего журнала. Но пока еще нигде не рассказывалось о том, как работают шпиндельные двигатели в принтерах Hewlett Packard, точнее сказать в принтерах HP, начиная с модели LaserJet1100. Во всех последующих моделях принтеров этой фирмы, для управления двигателями использовались схемы с точно таким же принципом действия. Кроме того, аналогично стали управляться и главные двигатели, обеспечивающие подачу и протяжку бумаги. Одним словом, разговор об управлении шпиндельными двигателями в принтерах Hewlett Packard назрел.

Классический вариант управления шпиндельным двигателем (рис.1) подразумевает достаточно типичный набор сигналов, а именно:

- сигнал START/STOP – для запуска и остановки двигателя;

- сигнал FREF – сигнал опорной частоты, задающий скорость вращения двигателя;

- сигнал FGOUT или READY – с помощью этих сигналов контролируется исправность двигателя и правильность его работы.

Однако в принтерах HP, начиная с модели LaserJet 1100, для управления шпиндельным двигателем стали использоваться всего два сигнала, обозначаемые на схемах, как ACC и DEC. Именно этот вариант управления двигателями нас и будет интересовать. Пример такой схемы показан на рис.2 на котором приводится электрическая принципиальная схема драйвера сканирующего двигателя (схема управления двигателем вращающейся призмы блока лазера).

Как это уже давно принято, управление двигателем осуществляется с помощью специализированной микросхемы- драйвера двигателя. В представленной схеме эту роль играет микросхема IC1 (M56750FP). К функциям драйвера двигателя относятся:

- коммутация фаз двигателя в заданной последовательности;

- контроль положения ротора двигателя с помощью внешних датчиков магнитного поля (датчиков Холла);

- контроль и ограничение тока фаз двигателя на заданном уровне;

- контроль и стабилизация скорости вращения ротора.

Однако в принтерах Hewlett Packard драйвером двигателя часть функций не выполняется. В первую очередь это относится к функции контроля скорости вращения ротора, т.е. входные контакты FG и выход FGOUT вообще не задействуются. Конструкторами HP (или Canon?) в блоках лазера применяется такое техническое решение, как контроль скорости вращения двигателя через датчик луча лазера (Beam Detector). Датчик луча является оптическим датчиком, на который попадает луч лазера, отраженный от поверхности вращающейся призмы (рис.3). В результате на выходе датчика BEAM формируются импульсы, частота которых прямопропорциональна скорости вращения призмы, хотя и выше реальной скорости двигателя в 4 или в 6 раз (в зависимости от количества граней на призме). Эти импульсы считываются процессором принтера и на их основе «принимается решение» о необходимости разогнать или притормозить ротор двигателя, т.е. функцию контроля и стабилизации скорости двигателя в принтерах HP сейчас выполняет процессор механизмов принтера (см. рис.3). Сигналами, позволяющими разогнать или притормозить двигатель, являются ACC и DEC.

 

В лазерных принтерах традиционно используются 3-х фазные двигатели, фазы которых на схемах принято обозначать U, V, W. Коммутацией тока этих фаз в определенной последовательности, создается вращающееся магнитное поле, воздействующее на постоянные магниты ротора. В результате, ротор начинает перемещаться вслед за магнитным полем статора, а, это значит, что ротор начинает вращаться. Для того чтобы магнитное поле (и ротор вслед за ним) вращалось равномерно и в заданном направлении, необходимо контролировать текущее положение ротора. Такой контроль осуществляется тремя датчиками Холла, обозначенными на схеме H1, H2 и H3. На выходе каждого из этих датчиков формируются дифференциальные сигналы, например HU+ и HU-, которые показывают силу и направление магнитного потока в том месте, где установлен датчик. Когда ротор вращается, сигналы от датчиков Холла представляют собой синусоидальные напряжения. На основе анализа сигналов от датчиков Холла, драйвер двигателя подключает ту или иную фазу статора.

Чтобы досконально разобраться в работе драйвера двигателя и понять, каким образом можно проводить его диагностику, необходимо рассмотреть главный элемент схемы – микросхему M56750FP.

Микросхема M56750FP разработки фирмы Renesas Technologies Corp. предназначена для управления 3-фазным бесколлекторным двигателем, и оптимизирована для применения в лазерных принтерах, о чем прямо и заявлено в описании этой микросхемы. К особенностям M56750FP можно отнести следующее:

- широкий диапазон рабочих напряжений: от 12 до 24 В;

- возможность работы с токами, величиной до 1А;

- наличие встроенной защиты от превышения тока;

- наличие встроенной схемы подкачки заряда;

- наличие встроенной схемы контроля датчиков Холла;

- наличие встроенной схемы сохранения энергии;

- наличие встроенного усилителя сигнала от датчика скорости вращения;

- наличие встроенной защиты от перегрева кристалла.

Внутренняя структурная схема драйвера M56750FP представлена на рис.4, а распределение сигналов по контактам микросхемы дается на рис.5.  Назначение контактов микросхемы описано в таблице 1.

 

 

 

Таблица 1. Описание контактов микросхемы M56750FP

№	Обознач.	Описание
1	VCC	Напряжение питания (12-24В).
2	CI	Вывод фазовой компенсации.
3	TEST	Тестовый вывод.
4	PS	Контакт сохранения энергии. Микросхема переходит в режим сохранения энергии, если на этом входе устанавливается сигнал высокого уровня. Если на контакте установлен низкий уровень или контакт вообще не подключен, микросхема работает в обычном режиме.
5	ACC	Вход сигнала ускорения (разгона). Для запуска и ускорения двигателя сигнал должен установиться в низкий уровень. Для остановки двигателя сигнал переводится в высокий уровень.
6	DEC	Вход сигнала замедления (торможения). Для замедления и остановки двигателя сигнал должен устанавливаться в низкий уровень. А для запуска и ускорения двигателя сигнал должен установиться в высокий уровень.
7-12	GND	Земля.
13	RCP	Контакт, используемый для установки величины тока накачки заряда. Величина тока задается резистором, включаемым между этим контактом и «землей».
14	CPOUT	Выход схемы накачки заряда. К контакту подключается сглаживающий конденсатор, на котором и создается выходное напряжение цепи накачки заряда.
15	VCTL	Входное напряжение, управляющее скоростью двигателя.
16	FGOUT	Выход усилителя датчика скорости. На этом выводе генерируются импульсы, частота которых пропорциональна скорости вращения ротора.
17	FG+	Неинвертирующий вход усилителя датчика скорости вращения.
18	FG-	Инвертирующий вход усилителя датчика скорости вращения.
19	HW-	Вход датчика положения ротора (датчик Холла фазы W).
20	HW+	Вход датчика положения ротора (датчик Холла фазы W).
21	HV-	Вход датчика положения ротора (датчик Холла фазы V).
22	HV+	Вход датчика положения ротора (датчик Холла фазы V).
23	HU-	Вход датчика положения ротора (датчик Холла фазы U).
24	HU+	Вход датчика положения ротора (датчик Холла фазы U).
25-30	GND	Земля.
31	HD	Выход драйвера датчиков Холла. Драйвер используется для управления датчиками и создания на них необходимого потенциала.
32	RNF	Вход сигнала от токового датчика выходных буферов. На этот вход подается напряжение, пропорциональное величине тока фаз двигателя.
33	RS	Контакт для подключения токового датчика – низкоомного резистора. Через этот датчик протекает ток фаз двигателя.
34	W	Контакт для подключения одной из фаз двигателя.
35	V	Контакт для подключения одной из фаз двигателя.
36	U	Контакт для подключения одной из фаз двигателя.

Самым необычным в M56750FP, относительно других микросхем драйверов двигателя, является принцип управления скоростью вращения. Скорость вращения в M56750FP регулируется напряжением постоянного тока, создаваемым на конт.15. Чем больше это напряжение, тем выше скорость вращения. Напомним, что в традиционных драйверах скорость задается опорной частотой (FREF). Преимущество регулировки с помощью постоянного напряжения состоит в том, что появляется возможность создать управляемый двигатель, который может работать на любой скорости и с изменяющейся нагрузкой на валу. В то же самое время, с помощью обычных микросхем, можно создавать только системы с одной, заранее установленной, скоростью вращения.

Для того чтобы двигатель мог управляться цифровыми схемами (микропроцессором) в составе M56750FP предусмотрено наличие схемы подкачки заряда. Этой схемой цифровые управляющие импульсы преобразуются в постоянное напряжение. Как уже говорилось ранее, для управления двигателем микропроцессор генерирует сигналы ACC и DEC. Эти сигналы являются импульсными сигналами, длительность которых микропроцессор начинает регулировать при необходимости изменения скорости вращения. Таким образом, получается, что процессором используется метод широтно-импульсной регулировки скорости вращения двигателя. Как это отмечено в табл.1, сигналы ACC и DEC активны низким уровнем, поэтому для запуска и разгона двигателя обязательно должны быть соблюдены два следующих условия:

- сигнал ACC (разгон) должен установится в низкий уровень;

- и при этом сигнал DEC (торможение) должен установится в высокий уровень.

Только такая комбинация сигналов ACC и DEC позволит запуститься двигателю, при этом напряжение на конт.15 будет максимальным, а, значит, максимальной будет и скорость двигателя.

А каким же образом связаны между собой напряжение на конт.15 и сигналы ACC/DEC? Дело в том, что сигналами ACC и DEC управляется схема подкачки заряда, являющаяся, по-сути, преобразователем импульсного напряжения в постоянное. Для сглаживания импульсов к выходу схемы подкачки заряда подключается накопительный конденсатор, на котором и создается постоянное напряжение, пропорциональное длительности управляющих импульсов. Выходом схемы подкачки, к которому подключается сглаживающий конденсатор, в M56750FP является конт.14. А чтобы полученное постоянное напряжение могло теперь управлять скоростью двигателя, конт.14 напрямую соединяется с конт.15 (рис.6). Стоит также отметить, что величина тока подкачки, а, значит, и величина напряжения на конт.14 определяется номиналом резистора, подключенного к конт.13. Таким образом, изменением номинала этого резистора также можно регулировать скорость вращения ротора.

 

Теперь скажем несколько слов о выходных буферах микросхемы M56750FP. Чтобы иметь возможность коммутировать фазы двигателя в различных комбинациях, каждый из трех выходных буферов представляет собой двухтактную схему, состоящую из двух ключей: верхний ключ подключает соответствующую фазу к питающему напряжению, а нижний ключ подключает эту фазу к «земле». Эквивалентная схема 3-х фазного двигателя, управляемого двухтактными каскадами приводится на рис.7.

 

 

Обзор схемы драйвера сканирующего двигателя принтера HP LaserJet 1100

Отметим некоторые особенности схемы.

1) Питание двигателя осуществляется напряжением +24В.

2) Фазы двигателя подключены напрямую к выводам микросхемы (конт.34, конт.35, конт.36).

3) Конденсаторами, обозначенными на схеме C5, C6, C7, обеспечивается защита обмоток статора от выбросов ЭДС самоиндукции.

4) Токовый датчик, контролирующий величину тока, протекающего через фазы статора, выполнен в виде двух низкоомных резисторов, включенных параллельно (R5 и R6). Сигнал от токового датчика подается на конт.33 (рис.8).

5) Фильтр схемы подкачки заряда образован конденсаторами C1 и С2, а также резистором R2. Диапазон изменения напряжения на фильтре при работе принтера составляет от 1.5 В до 3.4 В.

6) Величина тока подкачки задается резистором R1.

7) Резисторами R3 и R4 задается ток датчиков Холла, а значит и размах сигналов на их выходе.

8) Сигналы ACC и DEC являются цифровыми сигналами с уровнями напряжения +3.4В.

 

Диагностика драйвера двигателя

Для проведения диагностики драйвера двигателя, необходимо получить доступ внутрь блока лазера , естественно, предварительно удалив все внешние крышки принтера. Для обеспечения полной лазерной безопасности можно отсоединить разъем драйвера лазера, что будет гарантировать отсутствие лазерного излучения. Далее переходим непосредственно к диагностике драйвера двигателя. Мы можем предложить две методики тестирования. И в том и в другом случае нам понадобиться лабораторный источник питания с регулируемым выходным напряжением.

Методика №1

1) Получив полный доступ к драйверу двигателя и отсоединив разъем драйвера лазера, подключаем 4-контактный разъем драйвера двигателя.

2) Включаем питания принтера. На конт.1 разъема драйвера двигателя J1 с помощью тестера контролируем наличие напряжения +24В.

3) Включаем лабораторный источник питания и устанавливаем на его выходе напряжение 1.8В.

4) Щупом от источника питания касаемся конт.15 микросхемы M56750FP. Напряжение от источника питания можно подать и на близлежащую контактную площадку (ее легко найти, проследив дорожки печатного монтажа).

5) Ротор двигателя должен начать вращение.

6) Уменьшая выходное напряжение источника с 1.8 В до 1.5 В можно видеть, что скорость вращения ротора падает, и наоборот при увеличении напряжения лабораторного источника скорость возрастает.

7) Если все работает именно так, то можно говорить об исправности микросхемы и самого двигателя.

Внимание! Не стоит подавать на конт.15 микросхемы M56750F управляющее напряжения свыше 1.6В в течение достаточно долгого времени – это может привести к перегреву микросхемы и ее возможному отказу.

 

Методика №2

1) Получив полный доступ к драйверу двигателя и отсоединив разъем драйвера лазера, подключаем 4-контактный разъем драйвера двигателя.

2) Включаем питания принтера. На конт.1 разъема драйвера двигателя J1 с помощью тестера контролируем наличие напряжения +24В.

3) Включаем лабораторный источник питания и устанавливаем на его выходе напряжение 3.3В (предположим, что щуп на котором создается это напряжение красного цвета).

4) Берем отдельный щуп, один конец которого соединяем с корпусом («землей») принтера, а второй конец оставляем свободным. Пусть этот щуп будет черным.

5) Далее одновременно касаемся щупами (красным и черным) конт.5 и конт.6 микросхемы M56750FP. При этом черный щуп соединяется с конт.5 (ACC), а красный щуп – с конт.6 (DEC). Щупы можно подключить и к разъему J1 (красный – на конт.3, а черный – на конт.2). Проанализировав печатный монтаж можно найти и более удобные контактные точки.

6) В результате двигатель дожжен начать ускоряющееся вращение.

Внимание! В этом случае двигатель будет достигать наибольшей скорости вращения, что может привести к отказу как двигателя. Так и микросхемы. Поэтому эту проверку необходимо проводить крайне осторожно и в течение очень малого периода времени (5-7 сек.). Но этого времени будет достаточно, чтобы убедиться в исправности и микросхемы и двигателя.

7) Для остановки двигателя и прекращения разгона необходимо отсоединить от микросхемы оба щупа. Отсоединение только одного из них не прекратит разгона.

Метод №2 несмотря на свою большую сложность, хорош тем, что позволяет проверить исправность схемы подкачки заряда т.е. дает более полную функциональную поверку микросхемы M56750FP.

В принципе исправность сканирующего двигателя и его драйвера можно осуществить и проще – на глазок. Попробуйте включить принтер с открытым блоком лазера, всеми подсоединенными контактами, замкнутым дверным размыкателем и сдвинутой блокирующей шторкой лазера. Двигатель должен начать вращение. Но этот способ тем плох, что двигатель не будет нормально вращаться при неисправном лазере, сильном внешнем свете, неисправном датчике BEAM. Таким образом, эта простая проверка зачастую не может дать точного ответа на вопрос об исправности именно двигателя.

Разговор о сканирующем двигателя был бы неполным, если бы мы не рассмотрели его типовые неисправности. Поэтому переходим именно к этому вопросу.

 

Неисправности сканирующего двигателя принтера HP LaserJet 1100

Все неисправности сканирующего двигателя можно разделить, как обычно, на две группы:

- механические неисправности;

- электрические неисправности.

 

Механические неисправности, как правило, вызваны следующими причинами:

- загрязнение втулки двигателя;

- выработка смазки втулки двигателя;

- ослабление прижимной пружины вращающейся призмы.

 

Большая часть неисправностей двигателя сопровождается индикацией фатальной ошибки (рис.9). Различные варианты неисправностей сканирующего двигателя обсуждаются далее.

 

1. Двигатель не запускается (совсем не крутится), однако вручную ротор прокручивается очень легко. На панель управления выводится фатальная ошибка. Причиной такой ошибки могут быть:

- отсутствие питающего напряжения на драйвере двигателя из-за плохо установленного разъема или дефекта соединительного шлейфа;

- отсутствие управляющих сигналов ACC и DEC от платы управления из-за плохо установленного разъема или дефекта соединительного шлейфа;

- отсутствие управляющих сигналов ACC и DEC по причине неисправности основной платы управления;

- неисправность микросхемы M56750FP;

- неисправность (обрыв) резисторов токового датчика (R5 и R6).

 

2. Двигатель не запускается. Вручную ротор либо совсем не прокручивается, либо прокручивается с большим усилием. На панель управления выводится фатальная ошибка. Все это говорит о том, что «сгорели» обмотки статора – их просто-напросто разорвало. В этом случае другого выхода нет, кроме как заменить либо блок лазера целиком, либо плату драйвера двигателя (если есть такая возможность).

 

3. Двигатель запускается. Долго-долго крутится, но принтер так и не входит в состояние готовности. Через несколько минут вращения двигателя, на панель управления выводится фатальная ошибка. Причиной такого поведения принтера могут быть:

- загрязнение втулки двигателя или отсутствие смазки;

- обрыв или неисправность одного из резисторов токового датчика (R5 или R6).

 

4. На распечатке вертикальные линии получаются волнистыми. Фатальная ошибка не возникает. Причиной такого дефекта печати могут быть:

- ослабление пластинчатой пружины зеркальной призмы – пружину необходимо установить на место, либо слегка ее разжать;

- плохой контакт в местах пайки резисторов токового датчика (R5 и R6);

- загрязнение/износ втулки двигателя или отсутствие смазки.

 

5. Двигатель запускается, но через1-3 секунды отключается. На панель управления выдается код фатальной ошибки. Причиной проблемы, скорее всего, является не драйвер двигателя и не сам двигатель. Возможно, неисправен, либо лазер, либо датчик Beam, либо основная управляющая плата.

 

6. При печати блок лазера издает высокий свистящий звук. Причиной посторонних звуков блока лазера являются:

- загрязнение/износ втулки двигателя или отсутствие смазки;

- ослабление пластинчатой пружины зеркальной призмы.

Как видно из обзора неисправностей, причиной очень многих проблем блока лазера является загрязнение или износ втулки двигателя, а также отсутствие смазки на оси ротора. Для устранения этой проблемы, необходимо провести демонтаж ротора двигателя с закрепленной на ней призмой. Для этого требуется повернуть пластмассовый ограничитель (рис.10), после чего потянуть ротор верх. В результате получим доступ к втулке ротора (рис.11). Эту втулку вычищаем каким-нибудь растворителем (например, спиртом) и наносим туда смазку. Также необходимо провести очистку оси ротора.

Для смазки втулки ротора можно использовать следующие типы смазок:

- синтетическое машинное масло;

- часовое или веретенное масло;

- силиконовое масло низкой вязкости, но оно может несколько притормаживать вращение ротора, поэтому его количество должно быть незначительным;

- графитовая смазка (очень хороша при сильном износе втулки).

На этом обсуждение драйвера сканирующего двигателя принтера HP LaserJet 1100 мы заканчиваем, но можно с уверенностью сказать, что так подробно мы рассматривали его не зря. Все что обсуждалось в этой статье применимо к драйверам сканирующих двигателей всех современных принтеров, МФУ и цифровых копировальных аппаратов фирм Canon и Hewlett Packard, а это очень значительная часть рынка печатающих устройств. Что же касается микросхемы M56750FP, то она применяется также очень широко, и в частности уже приходилось проводить замену этой микросхемы в принтере HP LaserJet 5000, т.е. в LaserJet 5000 драйвер сканирующего двигателя имеет практически такое же построение, что и в принтере LaserJet1100.