Mechaduino,一款与Arduino兼容的经济实惠的开源工业伺服电机

2019年09月12日 作者:suc1247

工程师使用伺服电机来实现机器人,自动化和CNC制造等应用所需的精确运动。 与RC伺服系统一样,工业伺服系统可以主动纠正外部干扰。 与RC伺服系统不同,工业伺服系统可以提供非常精确的运动,并且通常支持高级运动控制模式。 不幸的是,工业伺服系统的成本对于个体制造商而言是令人望而却步的(每台电机数千美元)。

该项目致力于开发一种经济实惠的开源工业伺服电机,为复杂的机电一体化应用打开了大门。该设计利用了大批量生产的步进电机的低成本。能够通过14b编码器反馈实现非常高的分辨率(在校准程序之后!)。

目标:

  • 位置,速度,扭矩环
  • 步进和方向输入,用于与步进电机/步进杆的插入兼容性
  • I2c,串行输入
  • 可定制/开源,可访问内部变量
  • 透明和用户可定义的控制算法(商业伺服通常缺乏这个)
  • Arduino兼容易于使用的界面
  • 高分辨率指向(低于0.1度)
  • 低成本(不应该是步进+步长杆成本的巨大飞跃)
  • 用于电机间通信的串行接口
  • 板载处理器允许单独用于简单应用
  • 可调换向轮廓
  • PID自动调谐
  • 抗齿槽能力
  • 开放定制。除了固件之外, Mechaduino将被视为一个非常有用的硬件包。如果您想在带编码器的开环模式下使用步进电机来验证位置,您可以这样做。

Mechaduino还可以被看作是一种教育工具。由于所有硬件都在一块板上(传感器,处理器,电机驱动器),因此设置时间非常短,学生可以专注于使用控制器。

战略:

工业伺服电机可分为四个主要部件(下图)。首先,需要查看了这些组件中的每一个,并尝试将经济实惠的面包板级原型拼凑在一起。经过一些实验,能够提炼出一系列有效的组件。从那里开始,一直在迭代设计,解决所有的问题,并调整控制回路。它开始走到一起了!

回到这四个主要组成部分:

1)实际的电动机,通常是无刷直流电动机。当你看到工业伺服电机时,很大一部分成本就是电机本身。它们通常是定制的,或者至少是有限数量的,这意味着$$$。对瓦特来说,我猜大批生产的NEMA 17或NEMA 23步进电机的成本是工业伺服电机中使用的BDC电机成本的十分之一到百分之一。虽然它们的设计针对“踩踏”进行了优化,但步进电机实际上只是50极无刷直流电机。它们可以像更传统的具有更多极点的三相BDC电机一样进行控制。这就是计划。它的工作原理!

2)用于反馈的传感器,通常是编码器。光学编码器非常标准,但如果您需要高分辨率和/或绝对位置信息,则会非常昂贵。AMS等供应商提供的一些廉价的高分辨率磁编码器令人非常感兴趣。事实证明,虽然他们声称12和14位分辨率(分别为0.09和0.02度),但他们遭受大约一度左右的非线性!然而,可以发现的是,这种非线性非常可重复,能够开发一种快速,自包含(在电机上)校准程序,将分辨率恢复到优于0.1度。 (稍后会详细介绍。这是一项重大的设计工作,值得拥有自己的构建日志!)

3)驱动电路/电力电子设备以激励电机绕组。许多工业伺服系统使用离散H桥。每个阶段都需要它自己的H桥(对于两相电机......三相电机中每个都有半桥),它至少由4个(如果不是8个)(包括续流二极管)分立开关设备组成。抛入栅极驱动电路,事情开始变得昂贵。希望找到一种能够提供电流反馈的单芯片集成解决方案,最终在A4954双全桥PWM驱动器中找到了这一点。

4)控制电子设备。 通常是微控制器或FPGA。 在早期,Arduino兼容性是必须的,以使固件尽可能地可访问。选择使用SAMD21 ARM M0 +(Arduino Zero兼容)处理器来平衡成本和性能。面包板原型系统验证了该处理器能够执行必要的算法。

这是一个将所有这些结合在一起的框图:

控制算法绝不仅限于PID。关于商业工业伺服系统总是让人烦恼的一件事是它们的接口不允许你输入自己的自定义控制算法。这不是一个很好的功能。如果您的应用程序具有棘手的工厂动态,PID可能无法满足您的性能要求。甚至根本无法稳定您的工厂!使用Mechaduino,您可以编写自己的控制律。目前已经能够在Octave / Matlab中成功建模系统并设计定制的Mechaduino控制器。现在,您可以真正使用在控件类中学到的所有技术!

在Octave中设计控制器(离散环路整形):

应用实例:

  • 适用于3D打印机的精细闭环定位
  • 精确指向光学(激光,望远镜,相机万向节)
  • 录音机的速度循环机器人的力反馈/阻抗控制
  • 强制反馈游戏控制器
  • 可调节的机械阻抗:虚拟弹簧,质量,阻尼器
  • cnc机器上两个轴之间的电气传动装置等
  • 触觉
  • 远程操作
  • 重力消除(例如对抗机器人手臂上的重力扭矩)
  • 负载检测和表征(简单情况:用作秤!)
  • 纸巾/ tp饮水机
  • 可变负载(制动)
  • 可变负载(发电机)
  • 市场阀门控制(自动化花园软管等)后

其他优点:

  • 比步进电机更精细的分辨率(0.02度)
  • 用于干扰抑制的真闭环
  • 降低功耗:仅使用电源来对抗干扰。这反过来意味着更高的峰值扭矩。
  • 绝对位置控制(非增量)。无需上电。

 

来源:hackaday.io

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