[Minisumo] BLDC

[Hudyvolt]

Antiga ma już swoje lata i dziesiątki stoczonych walk za sobą, więc czas wysłać ją na emeryturę.

Od dłuższego czasu pracuję nad nowym robotem minisumo. Tym razem chciałem wykonać spory skok technologiczny w stosunku do tego co jest znane w tej kategorii. To co wyróżnia nową konstrukcję to zastosowanie silników bezszczotkowych z wirującymi magnesami. Pomysł wpadł mi do głowy już dawno, a do rozpoczęcia prac zmotywował mnie brak informacji w internecie na temat takich konstrukcji (chyba jestem pionierem) oraz konieczność napisania pracy magisterskiej (dwie pieczenie na jednym ogniu).

Obronę miałem na początku lipca i od tamtej pory nic przy robocie nie robiłem, dlatego zakładam ten temat. Mam nadzieję, że wasza konstruktywna krytyka zmotywuje mnie do dalszego działania.

To krótko o robocie:

NAPĘD

Tak jak wspomniałem we wstępie, napęd stanowią dwa silniki BLDC. Wybrałem modelarskie outrunnery NTM Prop Drive Series 28-30A 750kv. Dobierając silniki kierowałem się przede wszystkim rozmiarem oraz współczynnikiem Kv. Outrunnery (zewnętrzny wirnik), ponieważ oponę mogę odlać bezpośrednio na wirniku dla oszczędności miejsca.

ENKODERY

Do wysterowania silnika bezszczotkowego niezbędna jest informacja o położeniu wirnika. Do tego celu zastosowałem enkodery magnetyczne AMS AS5040.

PÓŁ-MOSTKI

Tutaj zastosowałem scalone układy TI DRV8332. Co prawda za ich pomocą nie jestem w stanie wykrzesać pełni możliwości silników, bo podają tylko 8A, ale zależało mi na prostocie.

CZUJNIKI

Standard: 8x SHARP340K i 4x KTIR0711S

STEROWANIE

3 mikrokontrolery XMEGA. 1x XMEGA128A3U i 2x XMEGA32E5.

XEMGA128A3U - układ główny: odczyt czujników, realizacja algorytmu walki.

XMEGI32E5 - po jednej na silnik: odczyt z enkodera, generowanie PWM na półmostki, odbieranie komend z głównego uC po USART

Aż 3 XMEGI, bo nie wiedziałem czy jedna podoła obsłudze dwóch silników BLDC oraz czy ja będę w stanie napisać taki kod 😉

Teraz wiem, że jedna XMEGA da radę i ja chyba też 😋

Na pokładzie jest też moduł BT HC-05 do zmiany parametrów, sterowania itd.

Schemat blokowy co i jak:

KONSTRUKCJA

Elektronikę musiałem rozmieścić na dwóch PCB (pomijając małe PCB z KTIRami), podział na schemacie powyżej.

Duża moc silników, duży pobór prądu, krótki czas działania na baterii. W podwozu jest otwór z klapką zatrzaskową do szybkiej wymiany. Lipol powinien wytrzymać ok. od pół do pełnej minuty ostrego przepychania.

Tylna oś z silnikami i enkoderami jest jednym podzespołem. Na początku planowałem aby pomiędzy przodem a tyłem był jeden stopień swobody (takie zawieszenie), ale jedyne łożyska, które jeszcze zmieściłem w robocie były za słabe i ulegało uszkodzeniu przy samym manipulowaniu robotem nie mówiąc już o walce.

PCB projektowane w Altium Designer 15, konstrukcja w Autodesk Inventor Pro 2015

Na chwilę obecną projekt robota to bardziej PROOF OF CONCEPT, niż robot na zawody. Chciałem przede wszystkim sprawdzić czy podołam z wysterowaniem silników BLDC i jak to się będzie sprawdzać w praktyce. Robot jeździ, jednak tylko jako zdalnie sterowany z BT. Nie wiem jeszcze dlaczego, ale nawet najprostsze algorytmy walki autonomicznej nie działają - robot wariuje, na pewno nie robi tego co zakładałem. Podejrzewam, że namieszałem coś z komunikacją USART pomiędzy XMEGAmi. Zastosowana metoda wysterowania silników to też najprostsza z możliwych, ale miło się zaskoczyłem i silniki działają bardzo dobrze.

PLANY

• - zmiana półmostków - osobne mosfety ze sterownikiem scalonym - obecne układy pod względem mocy są wystarczające, ale ich budowa utrudnia zastosowanie lepszych metod sterowania silnikami
  
• - zmiana metody sterowania silnikami - obecnie jest totalne minimum, brak jakiegokolwiek sprzężenia zwrotnego (no poza pomiarem położenia wirnika, który jest niezbędny)
  
• - jeden mikrokontroler - może w końcu nauczę się programować STMy
  
• - jedno PCB - dzięki temu robot będzie niższy
  
• - złącze baterii - teraz jest standard na przewodzie i pomimo zastosowania klapki wymiana jest zbyt trudna i długa

[Chumanista]

Imponujące. Jak generujesz komutację dla silników?

[Mechano]

Ładny! 🙂 Seria pytań:

Ile waży cały robot? Jak mocowane są silniki? Jak teraz sterujesz silnikami a jak zamierzasz sterować? Sinus czy może foc? Jaką realną prędkość możesz osiągnąć przy obecnym setupie?

[Hudyvolt]

Jak generujesz komutację dla silników?

Jak teraz sterujesz silnikami a jak zamierzasz sterować? Sinus czy może foc?

Teraz generuję trapez. Z enkodera odczytuję kąt absolutny, w zależności od kąta podaję odpowiednią komutację. Silnik ma 36 komutacji na obrót co gwarantuje płynną pracę nawet przy niskich prędkościach.

Docelowo zrobię FOC.

Ile waży cały robot?

460g

Jaką realną prędkość możesz osiągnąć przy obecnym setupie?

8 m/s - rakieta, jednak w minisumo prędkości większe niż 1 - 1.5 m/s są niepraktyczne. Moc będę wykorzystywał w postaci momentu, a nie prędkości.

Jak mocowane są silniki?

[Polecacz 101]

Produkcja i montaż PCB - wybierz sprawdzone PCBWay!
   • Darmowe płytki dla studentów i projektów non-profit
   • Tylko 5$ za 10 prototypów PCB w 24 godziny
   • Usługa projektowania PCB na zlecenie
   • Montaż PCB od 30$ + bezpłatna dostawa i szablony
   • Darmowe narzędzie do podglądu plików Gerber
Zobacz również » Film z fabryki PCBWay

[Harnas]

Czy pole magnetyczne z jednego enkodera nie zakłóca drugiego? W czym został zrobiony schemat blokowy? 🙂

[Hudyvolt]

Enkodery się nie zakłócają. Elementy do montażu silników wykonane są ze stali i widocznie zapewniają wystarczające ekranowanie.

Schemat blokowy wykonany w MS PowerPoint 2013 😋

[Chumanista]

Gdzie wykonywałeś elementy ze stali? Ile płaciłeś?

[Bobby]

Pokaż sekcję zasilającą - może przy szybkim udetzeniu indukuje się coś nieprzyjemnego dla procka i dlatego masz problemy z walką. Wprowadzenie sprawdzenia poprawności transmisji uart też mogłoby pomóc.

Co do STMów - polecam 😉 są tanie, teraz jest otwarte środowisko już skonfugurowane do nich (SW4STM32 oparte na eclipse, oficjalne IDE od ST), dodatkowo biblioteki HAL i narzędzie do generowania kodu inicjalizacyjnego CubeMX bardzo usprawnia pracę. Nie wspominając o debugerze wbudowanym w każde Discovery 😉

[Hudyvolt]

Elementy ze stali wykonywał mi kolega na elektrodrążarce. Rozliczone po znajomości 😋

Zasilanie:

VCC i PVDD na tych schematach to to samo. GVDD to +12V z przetwornicy.

Nie podejrzewam raczej zasilania, bo przy testach zdalnych mogę klikać w tę i z powrotem zmianę kierunku nawet na dwóch silnikach na raz i nic się złego nie dzieje.

Będę szukał w transmisji po USART.

[Bobby]

Rzeczywiście zasilanie wygląda w porządku - oprócz kondensatorów ceramicznych przy stabilizatorach. Raczej nie są one zalecane, bo stabilizator (a raczej ta część z opampem utrzymująca wyjście na stałym poziomie) może się wzbudzić. W każdym razie, sam tak robiłem i nie miałem nigdy z tym problemów, ale DS nie wspomina nic o dawaniu ich.

Nie wiem, czy posiadasz analizator, ale może Ci się przydać do badania UARTa. Nawet najtańsza podróba Saleae za ~40zł jest nieocenioną pomocą. Jeśli masz pod ręką megę16 możesz też zrobić sobie sam Scanalogic, który ma max próbkowanie 4MHz/kanał, z tym że w softwarze po stronie PC nie ma od razu podglądu wysyłanych wartości.

Tak w kwestii samego napędu - jakie jest opóźnienie w przełączeniu silnika max w jedną na max w drugą stronę? Może to być odczuwalne w ms? Jesteś w stanie oszacować, jakiego rzędu moment możesz teraz uzyskać przy sterowaniu max 8A/fazę? W filmiku przy zablokowanych kołach słychać takie brzęczenie - to PWM? Tak jeszcze w kwestii akusa - możesz pokazać (może być render) jak rozwiązałeś tę klapkę na akumulator? ;>

[madman07]

Świetny projekt, gratuluję włożonego wysiłku!

Sam od dwóch lat mam pomysł na minisumo z silnikami BLDC i takim montażem kół, lecz nigdy nie miałem czasu ani nikogo do pomocy mechanicznej aby zrealizować projekt.

Jaką częstotliwością kluczujesz PWM silników?

Moduł BT - czy masz jakąś dedykowaną apkę na androida?

Schemat wygląda okej prócz kondensatorów ceramicznych jak wspomniał kolega. Jeżeli możesz, to pokaż schemat z prockami - nic odkrywczego tu raczej nie ma, a może coś pomożemy 😉

[sobal44]

4 lata temu juz sie pojawil minisumo z bldc

http://www.instructables.com/id/How-to-Make-400Watt-Brushless-Mini-Sumo/

[Bobby]

Łe, ale na gotowych ESC, to nie to samo 😉 no i sterowanie silnikiem tylko za pomocą back-EMF, czyli napęd nie będzie zbyt przewidywalny przy niskich prędkościach.

[SzymonMCFT]

Cześć

mini na dwóch bldc pojawił się wcześniej na zawodach Robocomp 2013 (chyba) na AGHu, ale nie szło mu za dobrze. Widzę, że zrobiłeś to porządnie - gratulacje 🙂 Jednak moim zdaniem w mini dużo robi dokładne sterowanie przy niskich prędkościach... chyba że roboty naprzeciwko siebie 🙂

Pozdro

[Hudyvolt]

Bobby, nie wiedziałem tego o ceramikach. Dzięki.

Też nie miałem problemów do tej pory, ale to nie znaczy, że się nie pojawią.

Mam analizator i oscyloskop z dekodowaniem USART. Do tej pory nie sprawdzałem tych sygnałów, bo są dostępne tylko pomiędzy płytkami, a nie chciało mi się lutować kabelków do ścieżek.

Na pewno będzie to punkt TO DO w szukaniu przyczyny problemu.

Opóźnienie mogę pokazać na wideo w 240fps (niezbyt wiele widać - 5000 RPM w lewo i 5000 RPM w prawo na zmianę), dokładne wartości podam jak sklecę jakiś układ pomiarowy:

Nie mam pomysłu jakbym miał określić moment. Ciężarek na lince i nawijanie go na koło?

Zastanowię się i jak dam radę sprawdzić to napiszę.

Brzęczenie to PWM (kluczowanie ok. 8kHz) 😋 To wina zastosowanego drivera i mojego prymitywnego programu. Górny tranzystor i dolny są sterowane jednym sygnałem PWM, z czego jeden tranzystor jest zanegowany (dodatkowo układ generuje sprzętowo deadtime). Zerowy przepływ prądu jest teoretycznie osiągalny przy 50% wypełnieniu PWM co w przypadku 8-bitowego timera XMEGI jest nieosiągalne. Dla zerowej prędkości nie ustawiam Hi-Z na wszystkich pół-mostkach tylko dwie fazy (dodatkowo nieprawidłowe), mają to ~50% PWM. To jest do usunięcia.

Klapka na aku wzorowana na tych znanych z zabawek, pilotów itd.

madman07, do sterowania na androidzie używam apki Bluetooth Spp Pro

Prosty terminal, ale ma też opcję Keyboard mode, gdzie masz do zdefiniowania 12 przycisków. Na START, STOP, Do przodu, Do tyłu, W lewo itd. w zupełności wystarcza. Definiujesz też komendę do wysłania w momencie naciśnięcia przycisku, puszczenia go i przytrzymania.

sobal44, widziałem tego robota już dawno, ale on nie jeździ i nie ma szans na jeżdżenie. Już szybciej na latanie 😃

Minimalna prędkość obrotowa do osiągnięcia na ESC to pewnie nie mniej niż 1000 RPM, a sekwencja rozruchu bezczujnikowego nie daje szans na sterowanie robotem.

No i tak zmarnować potencjał MS z BLDC stosując ultradźwiękowe czujniki i drewniane podwozie.

SzymonMCFT, no to tytuł pioniera już mi się nie należy 🙁

Zgodzę się z tobą, że lepiej jest jeździć wolno i dokładnie niż szybko i "na pałę". Taki jest mój zamiar. Zanim zacząłem budować tego robota to eksperymentowałem z silnikiem z HDD i sterowaniem z najmniejszymi możliwymi prędkościami. To jest możliwe z sterowaniem sinusem lub FOC (czego jeszcze nie mam zaimplementowanego). Rzuć okiem na ten filmik:

Ja na razie (aż wstyd się przyznać) nie mam nawet sprzężenia zwrotnego od prędkości 😋

Sporo rzeczy zostało zrobionych na szybko, byle działały aby zdążyć z obroną jak najwcześniej. Oczywiście planowałem od razu po obronie zabrać się za poprawienie wszystkich rzeczy, ale jakoś tak nie wyszło 😉