Skocz do zawartości
Zaloguj się, aby obserwować  
Treker

[Kurs] Turbinki - napędy tunelowe w robotyce. Część 1 - napędy oraz regulatory.

Pomocna odpowiedź

W artykule tym zajmę się turbinkami jakie w ostatnich miesiącach stały się popularnym wyposażeniem robotów typu linefollower. Osoby początkujące, które wzorują się na konstrukcjach z takimi małymi „odkurzaczami” nie zawsze wiedzą tak naprawdę po co się je stosuje oraz, co ważne – jak je stosować.

W poradniku tym, zebrałem moje doświadczenie poparte wyłącznie praktyką – nie pojawi się tutaj żadna teoria. Po pierwsze warto zwrócić uwagę czym tak naprawdę są „turbinki”. Nazwa pod jaką można odnaleźć je w sklepach modelarskich to napędy tunelowe (EDF - Electric Ducted Fan). Stosowane one są przed modelarzy do napędu modeli zdalnie sterowanych (samoloty, poduszkowce itd.). W modelarstwie napędy te są popularne ponieważ pozwalają na budowę szybkich i stosunkowo lekkich modeli. EDF-y używane są raczej przez doświadczonych modelarzy. Tak naprawdę oryginalne zastosowanie napędów tunelowych ma niewiele wspólnego z tym, do czego wykorzystywane są w linefollowerach. Stosując taki napęd w robocie można łatwo stworzyć wydajny i dobrze uszczelniony system tworzący podciśnienie między robotem, a podłożem.

Przykłady moich robotów wykorzystujące wspomniane napędy: Silver, Feniks3.

1. Kilka mitów

Po pierwsze, co wymaga zaznaczenia turbina zamontowana w linefollowerze służy do tworzenia podciśnienia pod robotem. Sporo osób widząc pierwszy raz takie ustrojstwo w robocie pyta czy przypadkiem EDF nie jest używany do „dmuchania w podłoże”, co miałoby skutkować „lżejszą konstrukcją”. Jeszcze raz powtarzam (reszta chyba potwierdzi…), że tak nie jest. Drugie najczęściej pojawiające się pytanie: „Czy ta turbina coś daje?”. Daje i to dużo, gdyby nie dawała to nikt by jej przecież do ozdoby nie używał. Pozwala na zwiększenie docisku, dzięki czemu robot może pokonywać zakręty z dużo większą prędkością. Po trzecie, turbina nie służy do chłodzenia silników/mostków/mikrokontrolera – bo i tak teorie już się pojawiały.

2. Budowa turbiny

Napęd tunelowy to bardzo prosta konstrukcja składająca się wyłącznie z trzech rzeczy:

1. Silnika z przewodami

2. Tunelu

3. Wirnika

Kompletny napęd EDF 27mm

2.1. Silnik

Zacznijmy od omówienia silnika. Na początku konstruktorzy robotów testowali rozwiązania oparte na dużych szczotkowych silnikach. Później nastała era turbinek napędzanych silnikami bezszczotkowymi – i tak już zostało. Co sprawia, że silniki bezszczotkowe są tutaj tak popularne? Na pewno głównymi czynnikami jest wydajność, niska masa napędu oraz łatwość sterowania. Jedna z najbardziej popularnych turbinek, EDF 27mm, posiada silnik, którego obroty osiągają 11000kv. Jednostka ta opisuje jak szybko silnik wiruje przy zasilaniu z każdego Volta. Przykładowo dla pakietu 8V, turbina ta powinna osiągnąć 88000RPM. Dla zobrazowania jak wielka jest to prędkość, wystarczy porównać to z łopatami śmigłowca – przykładowo w helikopterze Apache, główny wirnik obraca się z prędkością 292,2RPM (tak… 300 razy wolniej).

Śmigłowiec szturmowy Apache, fot. www.etan.org

Przy 8V zasilania turbinka taka pobiera około 5,7A, a generowany ciąg ma wartość około 72g (na podstawie danych ze strony dystrybutora), co przy wadze samej turbiny (8g) jest znakomitym wynikiem. Mam nadzieję, że nie trzeba nikogo już przekonywać, że silniki bezszczotkowe są idealnym rozwiązaniem w lekkich i zwrotnych linefollowerach.

Nie jest to artykuł poświęcony silnikom bezszczotkowym (BLDC - BrushLess Direct-Current motor) dlatego ograniczę się do zwrócenia uwagi, na to, co wyróżnia ten silnik. W przeciwieństwie do silników szczotkowych tutaj obracają się magnesy, a nie cewki. Pozwala to na rezygnację ze szczotek, co prowadzi do niższej awaryjności, cichszej pracy oraz większej wydajności. Po więcej informacji odsyłam do Wikipedii.

2.2. Tunel

Tunel, w którym montowany jest silnik to po prostu „rura”, w której, na środku osadzony jest silnik. Ważne, aby był on wycentrowany – inaczej łopaty turbiny będą o niego zahaczać. To właśnie dzięki tej części na wyjściu napędu formuje się silny strumień powietrza.

Tunel od EDF 27mm

2.3. Wirnik

Najważniejsza część napędu, która generuje ciąg. Większość sprzedawanych małych napędów jest już zmontowana, więc kwestią bezpiecznego i mocnego montażu plastikowego wirnika nie musimy się zajmować. Jednak należy pamiętać, aby pod żadnym pozorem nie korzystać z uszkodzonych wirników. Nie należy również kleić połamanych łopat. Na wirnik działają olbrzymie siły. Nierówno rozłożona masa lub drobne pęknięcia mogą okazać się katastrofalne w swoich skutkach. Nie chodzi tutaj już o zniszczenie turbiny, ale o własne zdrowie! Z tego samego powodu nie warto nachylać się nad pracującą turbiną. Nigdy nie wiadomo czy akurat nie odłamie się jakaś łopata.

3. Sterowanie silnikiem

Tutaj pojawia się pewien problem. Sporo osób, które nie miały nigdy styczności z silnikami bezszczotkowymi zapomina o tym, że wymagają one innego sterowania niż zwykłe, szczotkowe silniki. Na pewno nie można wykorzystać do tego popularnych mostków typu H, lub co gorsza samych pinów mikrokontrolera.

Z silnika wychodzą 3 przewody – w omawianej turbince ED27 są one bardzo cienkie i radzę postępować z nimi ostrożnie. Tak właściwie to nie są to przewody, tylko wyprowadzono wprost drut nawojowy. Nie radzę bawić się w skracanie przewodów, bo może okazać się to bardzo trudne. Aby uruchomić taki silnik potrzebny jest regulator modelarski. Aktualnie nie opłaca się raczej tworzyć własnych regulatorów, są tanie i ogólnodostępne sprawdzone rozwiązania. Ich koszt jest stosunkowo mały, a zdecydowanie ułatwiają pracę. Kupując regulator należy kierować się głównie dwoma parametrami – dopuszczalnym prądem oraz napięciem. Ja do swoich konstrukcji z powodzeniem używam TURNIGY Plush 6A:

Regulator TURNIGY Plush 6A (przód, tył)

W dalszym opisie zajmę się mniejszym regulatorem TURNIGY Plush 6A, dostępnym za 7.58$. Przystosowany jest on do pracy z aparaturą modelarską. Chcąc użyć go w robocie, dla własnej wygody, należy go odrobinę przerobić. Przewody wychodzą z dwóch stron: z jednej 3, z drugiej 5. Warto zajrzeć w tym momencie do instrukcji jaka dołączona jest do każdego regulatora, aby niczego nie pomylić. W moim przypadku strona z trzema przewodami jak łatwo się domyśleć służy do podłączenia silnika. Druga strona zawiera 2 grubsze przewody (wejście zasilania dla turbiny) oraz 3 mniejsze, które służą do sterowania regulatora. Po usunięciu osłony z folii termokurczliwej od razu można odciąć wtyczkę od 3 przewodów oraz odlutować cienki czerwony przewód. Kabel ten jest wyjściem stabilizatora 5V, który znajduje się w regulatorze. Jest on potrzebny do pracy regulatora oraz do zasilania aparatury zdalnego sterowania. Nasze roboty mają własne stabilizatory, więc nie będziemy korzystać z tego wyjścia. Oczywiście jeśli ktoś chce to może zasilić z niego robota i tym samym zaoszczędzić miejsce na własny stabilizator. Ja jednak wolałem nigdy nie mieszać układu zajmującego się zasilaniem prądożernej turbiny z wrażliwym na zmiany napięcia procesorem.

Po pozbyciu się tego przewodu, należy zająć się cienkim czarnym kablem. Jest to masa wyprowadzona od wewnętrznego stabilizatora. Aby wszystko poprawnie działało, należy połączyć obie masy. Ja robię to poprzez usunięcie całego przewodu, oraz zwarcie odpowiedniego pola lutowniczego z grubym przewodem, który zasila cały regulator. Układ po przeróbkach prezentuję na poniższej fotografii.

Przerobiony regulator

Biały przewód, z którym nic nie robiliśmy służy do podawania sygnału sterującego prędkością turbiny. Regulatory te są bardzo proste w użyciu. Wystarczy na przewód sterujący podawać sygnał PWM o częstotliwości 50Hz i wypełnieniu regulowanym od 1 do 2ms. Brzmi znajomo? Dokładnie, jest to identyczny system jak przy sterowaniu serwomechanizmami. Kłopot może sprawić pierwsze uruchomienie, ponieważ często początkujący zapominają o zachowaniu odpowiedniego, wymaganego czasu na inicjalizację regulatora.

4. Uruchomienie napędu

Skoro już wiem mniej więcej jak działa EDF oraz regulator możemy połączyć i uruchomić całość. Przewody z silnika łączymy w dowolnej kolejności z 3 grubszymi przewodami wychodzącymi z regulatora. Do grubszych przewodów z drugiej strony możemy podłączyć zasilanie – przykładowo 8V. następnie należy wygenerować odpowiednie sygnały, które uruchomią turbinę. Algorytm jest prosty. Uruchamiamy sygnał PWM 50Hz i ustawiamy wypełnienie równe 1ms – usłyszymy melodyjkę, która dzięki regulatorowi zostanie zagrana na cewkach silnika. Sygnał ten oznacza, że wszystko jest poprawnie podłączone. Następnie należy odczekać kilka sekund – zależnie od regulatora, jednak ~4s powinny być wystarczające dla każdego. Dopiero po tym czasie możemy zwiększyć wypełnienie, wraz ze jego zmianą silnik zacznie się obracać. Oczywiście maksymalna prędkość zostanie osiągnięta przy wypełnieniu 2ms.

Podsumowanie części 1.

Podsumowując napędy EDF to bardzo użyteczne elementy przy budowie robotów. Nie są one trudne w obsłudze jednak należy wiedzieć jak się z nim obchodzić. Jeśli macie jakieś pytania lub własne uwagi to czekam na komentarze. W drugiej część artykułu zajmę się stworzeniem programów do obsługi turbinek na przykładzie ATmegi128 oraz STM32F103RB. Omówię podstawowe usterki i sposoby ich naprawy oraz podam kilka moich, prywatnych uwag.

Untitled-5.jpg

  • Lubię! 2

Udostępnij ten post


Link to post
Share on other sites
Kłopot może sprawić pierwsze uruchomienie, ponieważ często początkujący zapominają o zachowaniu odpowiedniego, wymagane czasu na inicjalizację regulatora.

Chyba powinno być "wymaganego" 🙂

STM32F1003RB

A tutaj STM32F103RB 🙂

A tak poza tym, to z pewnością będzie to bardzo pomocny artykuł dla tych, co chcą się zacząć bawić napędem tunelowym. Jedyny problem widzę w tym, że zaczną one być standardem, a nie oszukujmy się, nie każdy będzie umiał je wykorzystać w pełni... W każdym razie: dobra robota!

Udostępnij ten post


Link to post
Share on other sites

Dobrze napisany artykuł i na pewno wielu osobom bardzo się przyda.

Udostępnij ten post


Link to post
Share on other sites

Do mitów dodałbym ten z którym ja się spotykalem kilka razy - a polegający na twierdzeniu ze turbina zwiększa masę robota. Kiedyś rozmawiałem z kimś kto stosował turbinę najwyraźniej bez zrozumienia, bo zastanawiał się czy silniki dadzą radę, skoro robot po włączeniu turbiny waży ponad pół kilo.

Udostępnij ten post


Link to post
Share on other sites
Do mitów dodałbym ten z którym ja się spotykalem kilka razy - a polegający na twierdzeniu ze turbina zwiększa masę robota. Kiedyś rozmawiałem z kimś kto stosował turbinę najwyraźniej bez zrozumienia, bo zastanawiał się czy silniki dadzą radę, skoro robot po włączeniu turbiny waży ponad pół kilo.

Przecież turbinka zwiększa masę robota 😉 np. EDF27 z HK o 8 gram 😉 I nawet nie musi być załączona 😋

A tak na poważnie, to wydawało mi się, że jak się załączy tubinę, to ma to wpływ na silniki, bo zasysając powietrze i dociskając robota do podłoża, zwiększa się tarcie pomiędzy kołami. No ale ja się nie znam - uwierzę we wszystko co tutaj napiszą eksperci od LFów z turbinami:)

Udostępnij ten post


Link to post
Share on other sites

MatManiak, tak jak piszesz zwiększa się docisk, ale masa nie ma prawa się zmienić, bo jak? Gwarantuję, że robot z włączoną i wyłączona turbinką waży dokładnie tyle samo. Jeśli miałoby to zmieniać masę równie dobrze można by było zamiast turbinki "instalować" kawałek ołowiu - a gdyby tak zrobić to zwiększyłaby się tylko bezwładność.

Udostępnij ten post


Link to post
Share on other sites
A tak na poważnie, to wydawało mi się, że jak się załączy tubinę, to ma to wpływ na silniki, bo zasysając powietrze i dociskając robota do podłoża, zwiększa się tarcie pomiędzy kołami.
No jasne że zwiększa, ale nie obciąza to silników w takim stopniu jak po porstu dodanie tam pół kilo masy, a przede wszytskim nie zwiększa bezwładności, co ma największe znaczenie na zakrętach.

Udostępnij ten post


Link to post
Share on other sites

Z tą "zmianą masy" to jest dosyć ciekawa sprawa i można zrozumieć, dlaczego niektórym osobom wydaje, że masa się zmieni. Można zrobić prosty eksperyment: potrzebna nam będzie waga, LF z turbinką oraz śmigłowiec lub inna drona:

Stawiamy na wadze LF, ważymy, włączamy turbinkę, ważymy. W obu wypadkach waga pokaże prawie taką samą wartość.

Ale teraz stawiamy na wadze śmigłowiec.. ważymy, włączamy wirnik i co.. eureka, waga pokazuje coraz mniejszą wartość! Więc dlaczego przy odwróconym ciągu, takim jak w LF, ta masa na wadze nie wzrosła? No? 🙂

Znam odpowiedź i wiem jak zrobić, aby jednak masa wzrosła, a Wy? 😎

Udostępnij ten post


Link to post
Share on other sites
A tak na poważnie, to wydawało mi się, że jak się załączy tubinę, to ma to wpływ na silniki, bo zasysając powietrze i dociskając robota do podłoża, zwiększa się tarcie pomiędzy kołami.
No jasne że zwiększa, ale nie obciąza to silników w takim stopniu jak po porstu dodanie tam pół kilo masy, a przede wszytskim nie zwiększa bezwładności, co ma największe znaczenie na zakrętach.

Nie no, jasne że się nie zwiększa masa - to akurat dla mnie oczywiste (bo niby jak?). Chodziło mi o ogólny wpływ na silniki, tzn na większe zapotrzebowanie na ich moc.

A co do zwiększania masy i ważenia helikoptera, to był taki odcinek pogromców mitów w którym sprawdzali, czy jak w zamkniętej przyczepie/kontenerze zaczniesz latać smigłowcem RC to masa kontenera spadnie wraz z oderwaniem się smigłowca od ziemi - oczywiście masa jest taka sama (bo niby jak miałaby być inna? 😉 ).

Znam odpowiedź i wiem jak zrobić, aby jednak masa wzrosła, a Wy? 😎

Stawiasz LFa na wadze i wiercisz dziurkę w szalce na której stoi LF? Po włączeniu turbiny masa wzrośnie, bo robot będzie wsysać powietrze z dziurki, naciskając bardziej szalkę😉 tak? tak na szybko wymyślilem, ale chyba ma to sens 😉

Udostępnij ten post


Link to post
Share on other sites

Turbina ma wpływ na obciążenie silnika, nie zmienia ona bezwładności wiec dynamika prawie nie zostaje zmieniona jednak siły występujące na wałach przekładni są większe. Większe obciążenie promieniowe będzie powodować szybsze ich zużycie. Spadnie też ich sprawność ponieważ będą większe siły tarcia w przekładniach i łożyskach.

Edit:

Tak zastanawiam się nad turbiną, mianowicie o ile zwiększa docisk. W artykule jest podane 72g jako ciąg jaki jest wstanie turbinka wytworzyć. Mnie jednak bardziej zastanawia jaką masę można podnieść. Można by to spróbować zmierzyć tak: kładziemy robota na wagę włączamy turbinę i próbujemy podnieść robota, o ile zmieni się wskazanie wagi zanim oderwiemy robota od wagi.

Udostępnij ten post


Link to post
Share on other sites

Masa się nie zmieni. Natomiast zmieni się ciężar, czyli siła z jaką robot naciska na podłoże. To jest to samo jakby docisnąć robota ręką to podłoża. Masa robota nadal jest taka sama ale silniki muszą ciężej pracować.

Udostępnij ten post


Link to post
Share on other sites
Po trzecie, turbina nie służy do chłodzenia silników/mostków/mikrokontrolera – bo i tak teorie już się pojawiały.

Tutaj się nie zgodzę - turbina może służyć do chłodzenia - Hurricane w dniach swej świetności używał turbiny do chłodzenia mostka L298 oraz mosfetów sterujących silnikiem turbiny 🙂

  • Lubię! 1

Udostępnij ten post


Link to post
Share on other sites

Mnie również ciekawi wartość siły docisku.

Znowu mamy dziwną modelarską jednostkę ciągu 😋. Te 72g oznaczają 0.72N? To by było w sumie nie za dużo, tylko że w sumie są trochę inne warunki pracy niż te, do których są te napędy dedykowane (jeśli faktycznie jest to napęd 😋 ). Po pierwsze, ciekawe na ile turbina zwalnia przez wytwarzane przez nią podciśnienie i jak duże ono jest. Powinno się to przekładać na dodatkową siłę, która chyba może mieć tu kluczowe znaczenie. Z tego wynika kolejne pytanie, czy w takim razie warto zwiększać powierzchnię robota, bo teoretycznie powinno to wpływać na wartość docisku (F = p * S).

Ma ktoś możliwość przeprowadzenia eksperymentu który by to jakoś weryfikował?

A sam artykuł fajny, dobrze by było jak by się w drugiej części jakieś konkretne fizyczne dane pojawiły, np. porównanie przyspieszeń robotów, nacisk na podłoże, tarcie itd. 😋

Udostępnij ten post


Link to post
Share on other sites

Masa się nie zmieni, ciężar się nie zmieni 😉 zmieni się suma wektorów sił ciężaru i siły docisku generowaną przez turbinkę, tak dla ścisłości 😋

Fajny artykuł, ciekawi mnie jedna rzecz - czy przez kręcącą się z dużą prędkością turbinkę robot nie skręca inaczej w jedną a inaczej w drugą stronę? Wiem, że robot sam to niweluje, ale czy jest to jakaś zauważalna różnica, czy w zależności od kierunku zakrętu roboty jadą szybciej lub wolniej 😋

Udostępnij ten post


Link to post
Share on other sites
- Hurricane w dniach swej świetności używał turbiny do chłodzenia mostka L298 oraz mosfetów sterujących silnikiem turbiny

😃 Ok, ale to nie było chyba jej główne zadanie. Z drugiej strony warto zwrócić uwagę, na to, że podmuch turbiny to całkiem porządny "wiatr", jednak gdy robot jedzie to podmuch na wylocie jest tak naprawdę niewielki.

Po pierwsze, ciekawe na ile turbina zwalnia przez wytwarzane przez nią podciśnienie i jak duże ono jest. Powinno się to przekładać na dodatkową siłę, która chyba może mieć tu kluczowe znaczenie.

Nie mam jak tego zmierzyć, alb podmuch powietrza na wylocie podczas jazdy jest dość mały.

Fajny artykuł, ciekawi mnie jedna rzecz - czy przez kręcącą się z dużą prędkością turbinkę robot nie skręca inaczej w jedną a inaczej w drugą stronę?

Hmm no niby by tak mogło być, ale z drugiej strony element wirujący waży około 5g i jest dobrze wyważony. Szczerze mówiąc nie wiem jaki by to mogło mieć wpływ 😉

Udostępnij ten post


Link to post
Share on other sites

Dołącz do dyskusji, napisz odpowiedź!

Jeśli masz już konto to zaloguj się teraz, aby opublikować wiadomość jako Ty. Możesz też napisać teraz i zarejestrować się później.
Uwaga: wgrywanie zdjęć i załączników dostępne jest po zalogowaniu!

Anonim
Dołącz do dyskusji! Kliknij i zacznij pisać...

×   Wklejony jako tekst z formatowaniem.   Przywróć formatowanie

  Dozwolonych jest tylko 75 emoji.

×   Twój link będzie automatycznie osadzony.   Wyświetlać jako link

×   Twoja poprzednia zawartość została przywrócona.   Wyczyść edytor

×   Nie możesz wkleić zdjęć bezpośrednio. Prześlij lub wstaw obrazy z adresu URL.

Zaloguj się, aby obserwować  

×
×
  • Utwórz nowe...