Линейные приводы: устройство и управление от микроконтроллера

Устройство

• Двигатель и редуктор. Коллекторный двигатель вращается быстро и с малым моментом; редуктор понижает скорость и увеличивает момент. Actuonix выпускает L16 с тремя редукторами, и по таблице видно, как передаточное число меняет скорость на силу. Пересчитать скорость и момент через редуктор поможет калькулятор передаточного числа, а ток и скорость двигателя под нагрузкой — калькулятор коллекторного двигателя.
• Ходовой винт и гайка. Винт превращает вращение в перемещение: за оборот гайка проходит ход винта (lead). По терминологии Haydon Kerk ход равен шагу резьбы, умноженному на число заходов. У PA-14P винт с трапецеидальной резьбой ACME.
• Самоторможение. Винт с мелким ходом не проворачивается под нагрузкой на шток, и привод держит положение без тока. Actuonix указывает это как силу обратного хода (back drive): L16 без питания держит до 31, 46 или 102 Н в зависимости от редуктора. Haydon Kerk даёт правило для винтов: обратного хода обычно нет, если ход винта меньше 1/3 его диаметра.
• Концевые выключатели и обратная связь — ниже по разделам.

Пересчёт фунтов и дюймов — по коэффициентам из даташита Actuonix: 1 Н = 0,225 фунта-силы, 1 дюйм = 25,4 мм.

Скорость, сила и рабочий цикл

Скорость привода с коллекторным двигателем задаёт нагрузка: чем больше сила, тем медленнее шток, — так прямо пишет Actuonix, и это видно по PA-14P: исполнение на 35 фунтов проходит 2,00 дюйма в секунду без нагрузки и 1,38 под полной нагрузкой. Снизить скорость можно напряжением или ШИМ — как у обычного коллекторного двигателя.

У L16 производитель называет две характерные точки. Наибольшая мощность (для 63:1 — 75 Н при 10 мм/с) — режим, в котором привод выполняет работу быстрее всего. Наибольший КПД (38 Н при 15 мм/с) — режим, в котором на ту же работу уходит меньше всего энергии и привод меньше греется. Нагрузку лучше выбирать ближе ко второй точке.

Рабочий цикл ограничивает, сколько привод может двигаться: у L16 — 20 %, у PA-14P — 25 %, по даташиту это 5 минут работы на 15 минут отдыха. Останов — самый тяжёлый режим: двигатель стоит и потребляет наибольший ток. Actuonix предупреждает, что повторные остановы или останов дольше нескольких секунд заметно сокращают срок службы, поэтому программа должна распознавать его и снимать питание.

Концевые выключатели

Приводы с концевиками (у Actuonix — исполнение -S) сами выключают двигатель в крайних положениях: у L16 — за 0,5 мм до конца хода. Положение концевиков задано на заводе и не меняется, у PA-14P они тоже встроенные и нерегулируемые.

Каждый концевик нормально замкнут и зашунтирован диодом. Когда шток дошёл до края, концевик размыкается, а диод в этом направлении заперт — двигатель встаёт. Стоит сменить полярность, и ток пойдёт через диод: привод отъедет, концевик замкнётся. Отсюда два следствия для схемы управления:

• Сигнала «дошёл до края» нет. Концевик просто разрывает цепь. Микроконтроллер узнаёт об остановке по пропаданию тока двигателя или по времени, превышающему время полного хода.
• Управлять нужно сменой полярности — переключателем на два направления, реле или H-мостом. Исполнение -S у Actuonix не работает с их платой позиционирования LAC: та рассчитана на потенциометр.

Привод с концевиками — самый простой вариант для двух положений: «открыто — закрыто», «выдвинуть — втянуть». Для промежуточных положений нужна обратная связь.

Обратная связь: потенциометр и энкодер

В приводах с обратной связью (у Actuonix — исполнение -P, у Progressive Automations — PA-14P) вдоль хода стоит потенциометр, движок которого связан со штоком. На его концы подают опорное напряжение — Actuonix: выводы 1 и 5, — и напряжение движка (вывод 2) линейно меняется между ними пропорционально положению.

• Сопротивление — у L16 6, 11 или 16 кОм ±50 % для хода 50, 100 и 140 мм; у PA-14P — до 10 кОм, многооборотный, ±5 %. Из-за большого допуска сопротивление в расчёте не используют: положение считают по отношению напряжений.
• Линейность и повторяемость — у L16 линейность лучше 2 %, повторяемость при ходе 100 мм — 0,4 мм. Привод с хорошей точностью возвращается в ту же точку, но отсчёт в миллиметрах по двум крайним точкам может разойтись с реальным на 2 % хода — 2 мм на 100 мм (наш расчёт). Если нужна точность выше, строят таблицу калибровки по нескольким точкам.
• Подключение к АЦП. Концы потенциометра подключают к тому же питанию, от которого работает АЦП (у Arduino Uno с опорным по умолчанию — 5 В, AVcc), и к общему проводу: тогда результат — доля хода и не зависит от точности питания (ратиометрическое измерение). Вывод AREF для этого не используют: в режиме по умолчанию (REFS1:0 = 01 — «AVcc с внешним конденсатором на AREF» по даташиту ATmega328P) на AREF ставят только конденсатор, а внешнее опорное подают на него лишь в режиме REFS1:0 = 00; нагружать AREF потенциометром нельзя. 10-битный АЦП на ходе 100 мм даёт 100 / 1024 ≈ 0,1 мм на отсчёт — меньше повторяемости привода.

У приводов на шаговом двигателе положение известно по числу шагов, а для контроля пропуска шагов ставят энкодер: Haydon Kerk предлагает для своих гибридных приводов оптические инкрементные энкодеры с квадратурными выходами и индексом; энкодер для Size 14 — на 200, 400 и 1000 отсчётов на оборот. Отдельный вариант — исполнение -R у Actuonix, «линейный сервопривод»: он управляется как модельный сервопривод, импульсом 1,0 мс — втянут, 2,0 мс — выдвинут; длительность импульса и настройку таймера посчитает калькулятор ШИМ сервопривода.

Управление: H-мост, позиция и ток

H-мост. Привод — коллекторный двигатель, и управляют им так же: H-мостом с ШИМ. Для L16 с током останова 650 мА подходит DRV8871 — 6,5–45 В, пиковый ток 3,6 А. Его режимы по таблице 1 даташита:

TI советует при ШИМ чередовать ход с торможением: для половинной скорости вперёд IN1 = 1, а IN2 переключать между 0 и 1. Ограничение тока моста задаёт резистор: I_TRIP = 64 кВ/R_ILIM (по таблице 59–69 кВ), например 32 кОм — 2 А; меньше 15 кОм ставить нельзя. Это защита моста и проводов, а не датчик останова: L16 при останове потребляет всего 650 мА. Приводу PA-14P, которому под нагрузкой нужно 5 А, DRV8871 мал — нужен мост на больший ток.

Позиция. Программа сравнивает напряжение потенциометра с заданным и включает мост в нужную сторону. Чтобы привод не «качался» вокруг цели, вводят зону нечувствительности — несколько отсчётов АЦП, больше шума и меньше повторяемости, — а при подходе к цели снижают заполнение ШИМ.

Ток и останов. У DRV8871 нет вывода для шунта в нижнем плече: PGND и теплоотводящую площадку TI велит соединять с землёй платы, а ограничение тока работает на внутреннем датчике. Поэтому ток двигателя для программы измеряют шунтом в цепи питания моста VM, а усилитель включают по верхней стороне (high-side) — INA180 допускает синфазное напряжение до 26 В. Наш расчёт: шунт 0,1 Ом при 650 мА даёт 65 мВ — для АЦП это мало, нужен усилитель вроде INA180; сопротивление шунта подберёт калькулятор. Порог ставят между током при рабочей нагрузке, измеренным на образце, и током останова, а срабатывание — с выдержкой, чтобы не путать останов с пусковым броском.

// Position loop for an Actuonix L16-P on a DRV8871 bridge (IN1 = pin 5, IN2 = pin 6).
// Pot ends on 5 V (AVcc) and GND, not on AREF; wiper on A0. High-side shunt amplifier
// (shunt in the VM line) output on A1.
const int DEADBAND = 4;            // +-4 ADC counts: an 8-count band, about 0.8 mm over 100 mm
const int STALL_ADC = 500;         // set from measurements: between working and stall current
const unsigned long STALL_MS = 300;

unsigned long overSince = 0;

void drive(int dir, uint8_t duty) { // dir: +1 extend, -1 retract, 0 brake
  if (dir > 0)      { digitalWrite(6, LOW);  analogWrite(5, duty); }
  else if (dir < 0) { digitalWrite(5, LOW);  analogWrite(6, duty); }
  else              { digitalWrite(5, HIGH); digitalWrite(6, HIGH); }
}

bool moveTo(int target) {          // target in ADC counts; returns false on stall
  for (;;) {
    int err = target - analogRead(A0);
    if (abs(err) <= DEADBAND) { drive(0, 0); return true; }
    drive(err > 0 ? 1 : -1, abs(err) > 50 ? 255 : 120); // slow down near the target
    if (analogRead(A1) > STALL_ADC) {
      if (overSince == 0) overSince = millis();
      if (millis() - overSince > STALL_MS) { drive(0, 0); overSince = 0; return false; }
    } else {
      overSince = 0;
    }
  }
}

Здесь ШИМ идёт с выключенным противоположным входом — это режим «ход — выбег»; вариант «ход — торможение» по совету TI получится, если держать активный вход в единице, а ШИМ подавать инвертированным на второй.

Шаговый линейный привод

В приводах Haydon Kerk на шаговом двигателе винт и гайка встроены в сам двигатель. Бывают три исполнения: captive — шток с защитой от проворота выходит из корпуса, non-captive — винт проходит сквозь двигатель и защиту от проворота делают снаружи, external — гайка движется по винту, закреплённому на валу.

Положение здесь задают числом шагов, как у шагового двигателя, и перемещение за шаг следует из определений Haydon Kerk: за оборот гайка проходит ход винта, а оборот — это n_об шагов (200 при шаге 1,8°). С микрошагом 1/n_m:

Таблица серии 43000 это подтверждает: для винта 6,35 мм перемещение за полный шаг кода C — 0,00125″ (0,0317 мм), и $200 \cdot 0{,}00125″ = 0{,}25″ = 6{,}35$ мм — ход винта на оборот. Частота импульсов STEP для нужной скорости — f = v · N_мм; DRV8825 считает её так же — по скорости, микрошагу и углу шага.

Особенности шаговых приводов по каталогу Haydon Kerk:

• Биполярное включение. Униполярное даёт примерно на 30 % меньше силы.
• Сила падает со скоростью, кривые силы от скорости в каталоге сняты при 100 % рабочем цикле с чоппером.
• Крайние положения. Если шток оставляют полностью выдвинутым или втянутым, Haydon Kerk предупреждает, что могут понадобиться особые меры при управлении (special drive considerations). Наше толкование: не оставлять привод упёртым в край под током — снижать ток или отводить шток от упора.
• Обратный ход зависит от винта: с крупным ходом нагрузка может провернуть винт, и тогда положение держат током удержания обмотки.

Пример расчёта

Коллекторный привод. Нужно поднимать заслонку весом 38 Н на 100 мм. Берём L16-100-63-12-P: 38 Н — его точка наибольшего КПД, скорость около 15 мм/с, ход занимает 100 / 15 ≈ 6,7 с. При рабочем цикле 20 % после хода нужна пауза не меньше 4 · 6,7 = 26,7 с, то есть не больше 1,8 хода в минуту. Механическая мощность — 38 · 0,015 = 0,57 Вт, а при останове привод потребляет 12 · 0,65 = 7,8 Вт, и вся она уходит в нагрев двигателя: заклинившую заслонку нужно распознать по току за доли секунды. Без питания заслонка не опустится: 38 Н меньше силы обратного хода 46 Н. Боковая нагрузка на выдвинутый шток — не больше 30 Н.

Шаговый привод. Haydon Kerk 43000 с винтом 6,35 мм (ход 6,35 мм на оборот), драйвер с микрошагом 1/8:

Для скорости 10 мм/с нужна частота STEP 10 · 252 ≈ 2520 Гц; при микрошаге 1/16 — 504 шага на миллиметр и вдвое большая частота. Ток обмотки 2,33-вольтовой версии — 1,5 А на фазу, напряжение VREF для него и предел скорости по индуктивности (1,9 мГн) посчитает калькулятор шагового двигателя.

Линейный привод или соленоид

Типичные ошибки

• Привод гудит в крайнем положении и греется — у привода без концевиков (исполнение -P) программа продолжает толкать шток в упор. Ограничьте заданное положение диапазоном, измеренным на образце, и снимайте питание по превышению тока.
• Привод не возвращается от концевика — подано то же направление; концевик разорвал цепь, нужна обратная полярность.
• Шток «качается» около цели — нет зоны нечувствительности или скорость при подходе слишком велика; сузьте шум АЦП фильтром и снижайте заполнение ШИМ у цели.
• Позиция «плывёт» при работе двигателя — помехи от двигателя на проводе потенциометра. Ведите провода движка отдельно от силовых, ставьте конденсатор на вход АЦП и измеряйте позицию в паузах ШИМ или усредняя.
• Привод медленный и слабый — питание не держит пусковой ток: у PA-14P под нагрузкой 5 А при 12 В. Проверьте источник и сечение проводов.
• Шаговый привод пропускает шаги — частота STEP выше той, что двигатель вытягивает под нагрузкой, или нет разгона; уменьшите скорость, задайте разгон и проверьте ток драйвера.