Område 5 · lektion 28 · 8 april

Bygge 4 – motor med drivkrets och utväxling

En givare mäter något. Kortet bestämmer riktning och fart. En drivkrets bär strömmen som pinnen inte får bära. En utväxling byter varvtal mot kraft, och något rör sig på riktigt — lyfter, drar eller rullar. Det är kursens fjärde bedömda system, och det sista med en kravlista skriven av mig.

Det här är ett bedömt mekatroniskt system Bygge 4 sammanför alla tre delarna: kugghjulen, axlarna, trumman och fästena är den mekaniska strukturen, drivkretsen, matningen och den gemensamma nollan är elektrotekniken, och givarens avläsning, tillståndsmaskinen och PWM-styrningen är styrtekniken. Det ger belägg för alla fem förmågorna: F1 planera och bygga, F2 använda ritningar och manualer samt samarbeta, F3 dokumentera, F4 beskriva systemuppbyggnad och fysikaliska principer, och F5 bedöma din egen förmåga vid samråd. Det nya jämfört med bygge 3 är att hela kedjan bär kraft: ett fel i dimensioneringen syns nu som något som inte orkar, inte bara som ett tal som blir fel.

Uppgiften

Bygg en driven mekanism som en givare bestämmer över. Tre krav på vad det ska vara, och sedan är valet ditt:

• En likströmsmotor bakom en drivkrets, aldrig på en pinne, med riktning och fart under programmets kontroll.
• Minst ett kugghjulspar, remskivepar eller kuggremspar med tandtal du räknat, mellan motorn och det som rör sig.
• En givare som bestämmer. Kedjan ska börja i en mätning, inte i en knapp som bara betyder "kör". Ljus, temperatur, avstånd, vinkel eller läge — allt du använde i område 4 duger.

Några förslag som alla uppfyller de tre kraven, och som går att bygga med det du har:

Kopplingen ser i grunden likadan ut oavsett vad du väljer. Figuren visar det som är nytt och det som oftast blir fel: två matningar och en enda gemensam nolla.

• Givaren är inte utritad. Den ser olika ut beroende på vilken du väljer, och den kopplas precis som i område 4 — som spänningsdelare för LDR, NTC och potentiometer, eller med sina egna anslutningar för HC-SR04. Ringen på A0 är där den kommer in.
• "Styr" är tre eller fyra ledningar, inte en: två riktningssignaler, en PWM-signal, och på en TB6612 dessutom STBY. PWM-signalen får inte ligga på D9 eller D10 om bygget också har ett servo — välj 3, 5, 6 eller 11.
• Batteriet matar motorn genom drivkretsens VM-anslutning. Aldrig kortets 5 V, och aldrig tvärtom.
• Den vågräta ledningen längst ned är den gemensamma nollan. Kortets GND, drivkretsens GND och batteriets minuspol i samma punkt. Det är en sladd, den är obligatorisk, och den ska ritas ut i ditt eget schema.
• M1 är motorn, med sina två anslutningar till drivkretsens utgångar. Byter du plats på dem går motorn åt andra hållet — men gör det i koden i stället, så att schemat och verkligheten stämmer överens.

Ett pass, och veckan innan

Det här är den viktigaste raden på hela sidan, och den skiljer sig från bygge 3. Där låg lovet mellan kravlistan och bygget. Här ligger det före kravlistan. Påsklovet infaller mellan lektion 26 och lektion 27 — torsdagen den 25 mars är lov — så när du får kravlistan har du bara en vecka kvar.

55 minuter räcker till felsökning, inte till att bygga Det här är kursens kortaste bygge — ett pass i stället för två — och det är medvetet: mekaniken är repetition från din tidigare kurs, och det nya är den elektriska halvan. Men det betyder att mekaniken ska vara ihopskruvad innan du kommer. "Motorn snurrar men kugghjulen hoppar över när jag hänger på vikten" är en fråga som går att lösa på ett pass. En påse lösa delar är det inte. Kom i gång under lovet, även innan du vet exakt vad kravlistan säger — motorns strömmar, drivkretsen och kugghjulen behövs i vilket bygge du än väljer.

Parvis, med egen dokumentation

Bygget görs i par, som de tre föregående. Ni planerar, ritar och felsöker tillsammans. F2 handlar bland annat om att samarbeta, och passet är det enda ställe där samarbetet går att observera.

Dokumentationen skriver ni var för sig. Samma bygge, två texter. F3 och F4 bedöms individuellt. Ni får dela mätvärden, schema och tandtal; formuleringarna, motiveringarna och exemplen ska vara dina.

En bra arbetsfördelning här är att en av er tar den elektriska halvan — strömmätning, drivkrets, matning — och den andra den mekaniska — utväxling, axelavstånd, momentmätning — och att ni sedan byter och gör om varandras mätningar. Den som inte rört drivkretsen kan inte förklara varför batteriet ser ut som det gör, och det märks direkt i dokumentationen.

Innan passet

Fyll i samrådsunderlaget. De tre frågorna — vad jag redan kan, vad jag behöver hjälp med, vad jag tror situationen kräver — tar två minuter och är kursens enda belägg för F5.

Svara också på de sex frågorna i kravställningen. Två av dem är särskilt lätta att skjuta upp och särskilt dyra att skjuta upp: vad motorn drar i stopp, och vad som ska hända när något går fel.

Arbetsgång

1. Skriv en mening om vad mekanismen ska göra. Med tal och enhet: "lyfta 200 gram tjugo centimeter på fyra sekunder". Den meningen avgör alla val efter den.
2. Mät motorns strömmar. Fritt, med last och i stopp, med multimetern i 10 A-uttaget. Utan de tre talen går det inte att välja drivkrets, och de är ett eget krav.
3. Välj drivkrets och matning. Räkna drivkretsens spänningsfall och lägg till det på motorns märkspänning när du väljer batteri, som i PWM-guiden.
4. Räkna utväxlingen baklänges ur ditt krav: kraft, moment, varvtal, utväxling, tandtal. Sikta på ungefär dubbel momentmarginal.
5. Räkna axelavståndet och borra eller montera på det måttet. Prova inte fram det.
6. Rita kopplingsschemat. Ditt eget, inte en avritning av figuren ovan. Givaren, drivkretsens alla anslutningar, motorn, batteriet, pinnummer och den gemensamma nollan utritad som en ledning.
7. Kör motorn fri i luften, utan mekanik, med drivkretsen inkopplad. Kontrollera alla fyra lägen: framåt, bakåt, broms, frihjul. Skriv ned vilken insignalskombination som gav vad.
8. Hitta ditt lägsta pulsförhållande — det värde under vilket motorn bara surrar. Gör det både utan och med mekaniken monterad, och notera båda talen.
9. Montera utväxlingen och kontrollera att den går lätt för hand innan du kör den med ström. Kärvar den för hand kärvar den värre med last.
10. Mät utväxlingen i stället för att lita på den. Räkna varv på båda axlarna under samma tid och jämför med tandtalen.
11. Koppla in givaren och skriv ut råvärdet innan du låter det styra något. Kontrollera att det ändrar sig åt det håll du väntade dig.
12. Sätt ihop kedjan. Givare, medelvärde, beslut, riktning, fart. Låt setup() börja med motorn stilla, och använd millis() för alla väntetider.
13. Mät under last. Ström och matningsspänning medan mekanismen arbetar och medan den startar. Se nästa avsnitt.
14. Prova det som inte ska fungera. Kör i botten, blockera mekanismen med fingret i två sekunder, skugga givaren, dra ur batteriet mitt i en rörelse. Anteckna vad som hände — de anteckningarna blir dokumentationens bästa avsnitt.
15. Dokumentera. Var för sig.

Mätningarna

Ett bedömt bygge ska innehålla mätvärden med enhet. Här är tre obligatoriska och en frivillig, och alla fyra är sådant du inte kan gissa dig till.

Obligatorisk: motorns tre strömmar

Multimetern i serie, i 10 A-uttaget och med vredet på 10 A. En motor kan dra över en ampere, och i milliampere-uttaget bränner du säkringen i stället för att få ett mätvärde.

Talen är ett exempel på hur tabellen ska se ut, inte ett facit. Vad som gör den till ett belägg är sista kolumnen plus en räkning. Med stoppströmmen 0,74 A:

0,74 A / 0,020 A = 37 gånger en pinnes rekommenderade ström

0,74 A / 0,200 A = 3,7 gånger vad hela chippet tål

Och mot drivkretsens gräns: en TB6612 klarar 1,2 A kontinuerligt, alltså

1,2 / 0,74 = 1,6 gångers marginal

Den meningen — "min drivkrets har 1,6 gångers marginal mot stoppströmmen" — är precis vad "utförligt" betyder i F4.

Obligatorisk: matningen under start

Multimetern över batteriet, i likspänningsläge, medan mekanismen drar i väg med last. Läs av vilan och startögonblicket.

6,05 V i vila, 5,10 V under start

6,05 − 5,10 = 0,95 V spänningsfall, alltså 16 % av matningen

Ett fall på några tiondels volt är normalt. Ett fall ned mot fyra volt betyder att batteriet inte orkar, och då är det batteriet — inte koden — du ska arbeta med. Skriv ned båda talen och en mening om vad de betyder.

Obligatorisk: utväxlingen, beräknad mot uppmätt

Det här är bygge 4:s motsvarighet till bygge 0:s beräknat-mot-uppmätt, och det tyngsta enskilda beviset för F1. Med 12 tänder på motoraxeln, 36 på den drivna axeln och en motor som går 200 varv per minut:

i = 36 / 12 = 3

n_beräknat = 200 / 3 = 66,7 varv/min

Mät sedan genom att räkna varv på den utgående axeln under 30 sekunder. Säg att du räknar 31 varv:

n_uppmätt = 31 · 60 / 30 = 62 varv/min

62 / 66,7 = 0,93, alltså 7 % lägre än beräknat

Sju procent är rimligt: förlusten i kuggingreppet är några procent, och resten är att motorn går långsammare under last än den gör fri. Ett avvikande tal på tjugo procent eller mer betyder däremot att något slirar eller hoppar över, och det ska du leta upp innan du dokumenterar det som förlust.

Frivillig, för den som siktar högre: medelspänningen mot pulsförhållandet

Multimetern i likspänningsläge rakt över motorn, med bygget stillastående i ett fast läge. Skriv ut fyra olika PWM-värden och jämför uppmätt med beräknat. Med en TB6612 på 6,0 V matning ligger det ungefär 6,0 − 0,5 = 5,5 V på när pulsen är hög, så det beräknade värdet är varde / 255 · 5,5.

Att kolumnerna följer varandra är beviset för att du förstått vad analogWrite gör — och att multimetern visar ett medelvärde av något som i verkligheten är fulla pulser är en poäng värd en mening i dokumentationen.

Dokumentationen

Använd dokumentationsmallen. De fyra E-punkterna är golvet: vad systemet gör, kopplingsschemat, koden, och vad som gick fel på vägen.

Dokumentationen bär E/C-gränsen F3 skiljer E från C på ett enda ord: enkel mot noggrann. Ordet handlar om vad du skriver, inte om vad du byggt. En mekanism som lyfter perfekt och en tunn text landar på E. Det motsatta gäller inte — du kan inte skriva dig till en utväxling som orkar. Men av de två är det texten som oftast fattas.

Fyra saker som hör särskilt till det här bygget

• Strömbudgeten som en egen rubrik. Motorns tre strömmar, drivkretsens gräns, batteriets spänning i vila och under start, och marginalerna som tal. Det här är byggets elektriska hjärta.
• Utväxlingens räkning, framlänges och baklänges. Kravet i newton och meter per sekund, momentet det gav, utväxlingen du valde, tandtalen, det beräknade varvtalet och det uppmätta. Med en mening om varför de skiljer sig.
• Vad du valde bort och varför. En annan utväxling, en annan drivkrets, broms i stället för frihjul. Att kunna motivera ett bortvalt alternativ är det tydligaste tecknet på att valet var ett val.
• Vad mekanismen inte klarar. Den last där den slutar orka, den fart den inte når, det läge den inte hittar tillbaka från. Att kunna säga var din konstruktion slutar hålla är precis vad "utförligt och nyanserat" betyder.

Om det inte fungerar

• Ingenting händer alls, eller något slumpmässigt som blir bättre när du håller i sladden. Den gemensamma nollan saknas. Kontrollera den först, varje gång, innan du tittar på något annat.
• Kortet startar om när motorn drar i väg. Brownout. Matningen orkar inte startrycket, som är lika stort som stoppströmmen. Mät spänningen över batteriet under start. Se servoguiden för hela förklaringen.
• Motorn går bara för fullt eller inte alls. PWM-signalen sitter på en pinne utan PWM, eller på 9 eller 10 med ett servo inkopplat, eller så sitter ENA-bygeln kvar på en L298N-modul.
• Motorn går trögt och drivkretsen blir varm. Spänningsfallet över drivkretsen är större än du räknade med, eller mekaniken kärvar. Mät spänningen rakt över motorn medan den går och jämför med batteriet.
• Mekanismen går tom men står stilla med last. Momentmarginalen är för liten. Öka utväxlingen eller minska trummans radie — det är samma räkning åt två håll.
• Det knäpper och mekanismen rycker under last. Kugghjulen hoppar över tänder. Antingen är axelavståndet för stort, eller så fjädrar motorfästet isär under kraften. Kontrollera avståndet med skjutmått och fästet med fingret.
• Mekanismen går åt fel håll. Kasta om de två riktningssignalerna i koden. Räkna samtidigt hur många kuggingrepp du har — varje ingrepp vänder riktningen.
• Givaren styr men bygget rycker fram och tillbaka vid gränsen. Råvärdet darrar över och under din gräns. Ta medelvärde av flera prov som i kalibreringsguiden, och lägg in ett litet mellanrum mellan gränsen för att starta och gränsen för att stanna.
• Motorn stannar aldrig där du vill. Du har frihjul där du ville ha broms. Kontrollera din egen sanningstabell — samma insignalskombination betyder olika saker på TB6612 och L298N.
• Uppladdningen misslyckas. Sitter något på pinne 0 eller 1? Är rätt port vald? Koppla ur allt utom USB-sladden och ladda upp en tom sketch för att avgöra om felet sitter i kortet eller i bygget.

Vidare

Med bygge 4 klart är område 5 slut, och du har byggt fyra bedömda mekatroniska system. Det fjärde kan något de tre första inte kunde: bära kraft. Kedjan från givare till rörelse är nu komplett i båda riktningarna — systemet mäter världen och kan påverka den tillbaka.

Nästa område är slutprojektet. Där finns ingen kravlista skriven av mig: du kravställer själv, väljer själv, räknar själv och dokumenterar mot samma fem förmågor. Allt du gjorde här — strömbudgeten, spänningsfallet, den gemensamma nollan, utväxlingen räknad baklänges — gör du då utan att någon säger till dig att göra det. Det är hela poängen med att bygge 4 ligger sist.

Tillbaka till område 5 eller till kursens material.