开源硬件,哈,无刷绣花篇,有图有真相。

中山野鬼 发布于 2016/02/08 18:00
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挖坑篇:

回到2个月前,折腾mpu6050,发现给出电机的控制驱动信号,到检测出机器人小车有加速度,中间延迟达到了大几十毫秒级,非常非常的不爽,于是决定替换我们的电机系统。为了简化机械结构,准确说,我看着变速箱和潜在的传动轴,头就大,所以打算电机前置(相对轮子)。有多前置?哈,直接放到轮子里。

原先这样滴:

目标这样滴:

那么问题来了,传统直流电机通常需要个减速箱来折腾,塑料减速箱延迟明显,金属减速箱你还能再重点吗?只好选择无刷电机。无刷的控制驱动,可粗分为有感和无感,前者通过外部位置检测来确定控制逻辑,后者通过反向电动势来预测外部位置从而确定控制逻辑。无感的方式最大问题和它的实现方式有关,就是低速下,电动势不明显,所以低速性不好,因此选择有感驱动方式。那么问题又来了,上x宝一看,体积满意的电机,几乎没有有感的,有感的没有我所期望的。哈。默默的竖起一个指头,决定自己折腾无刷电机的驱动电路。既然是有感,那么总要在电机里面放点什么。那么既然总要放,不如把整体驱动电路都放进去。于是就有了我这两个月的绣花忙。

原型篇:

先买了三个霍尔传感器模块,测试下磁场。测试环境搭好,然后发现少了点什么。。。。想起来的,没磁铁。。。。头顶三条汗,到处找磁铁,后来发现傻x了。我的ipad的外壳上有磁铁。于是这样折腾了。。。。

接着就是用模块检测转子上的磁铁:

下面就是把霍尔传感器模块中的传感器件放到电机壳子里。这开始了第一次的绣花。谈不上难度最大,但是是最抖的。你想测试自己有没有帕金森综合症,就可以考虑如我一样,用0.1mm的漆包细铜线做信号线。抖到什么程度,反正眼花,我看不轻线头具体在什么位置,反正它就在那抖,哈。

三个都折腾好了


开始准备用502胶,将传感器放入电机底壳内,这个鬼胶,反正后面是和它抗上了。。。

放好就成这样了,

发白是502胶干后的效果,器件没问题滴。将各种线联入到传感器模块,其实就是vcc,gnd和out。

放回定子线圈,用502胶死,盖上转子,

这就算设备到位了。。余下就是控制电路系统选型。

无刷电机,给小朋友玩滴,希望4500mAH的电池能支持2个小时以上,4轮独立驱动,那么控制电流是有必要的。假设堵转时电流700mA,4个就是2.8A,大体不会一直堵转,那么按照这个限制,系统基本可以坚持2小时而不掉链子。这里额外说一句,车模是暴力,几十安的有,要多快有多快,但我问一句,你充一晚的电,能挺多长时间?这叫体验度?

刚巧,找到了安森美的一款驱动ic,lv8829。最大电流能到1.5A,刚好刚好。反正别相信最大值。标称最大值打7折做应用是比较妥当滴。。。但这款ic是qfn24(4x4)封装。啥情况?就是0.5mm的引脚间距,有24个腿,每个边是6个腿。电烙铁是搞不定了,下面是请出我一修手机的朋友折腾的效果,

上点焊油,然后吹。

看了朋友的电吹风蛮好,还带数字显示滴,于是问问多少money?2000多?好吧,当我没提,上x宝看看,最便宜要1000多,所以大出血,为了自己吹的玩,买了下面的设备:

顿时高大上了。毕竟花了350大洋,比原先17元的黄花烙铁好太多。当然,下定决心买这货是另外一个原因。用17元的黄花烙铁,焊接0603的发光二极管,烙铁漏电,二极管能自己发光,想想,好工具有好报滴。。。所以省了几个星期的口粮,终于入手了这个快克705。问我啥感受,就一个字“爽”。。。。

拿着朋友吹好的转接板,回来后就是各种插,以做原型验证。当然为了少插点,能先焊的先焊。

即便这样,最终还是插成这样:

一切ok后就开板,采购元器件。自从能吹了,效果就不一样呢。。。

放到电机里,空间还够。

注意这个电机外壳,新的哦。。。下面你就知道为啥我说和502胶抗上了。

测试篇:

因为是散件,所以线圈有点松,有多松呢,用力,用力,再用力,还是能转一转的。于是就是各种悲催。一会怀疑电角度计算错误,一会怀疑霍尔传感器有问题。。。。理论预计的角度,驱动的不是发抖,就是正反向电流不一样。

和霍尔厂家的技术交流交流,发现自己原型验证时,白痴了。。。。简单说,我们做的电路板有一部分错了。这是我的错,和做电路的无关。结果继续绣花,

其实上面的电路还是有问题,而且有大问题。。。对比下面的图。我只将板子一端的12v线路割了,让霍尔器件和逻辑vcc连接,而另一端没割,下场就是,stm32的gpio一个个烧掉,烧了3,4个后,经过万用表的各种短接,终于在我点支烟后,同时冒烟。当时我就确信那烟绝对不是香烟的烟。哈。

下面是正确的绣花,背面割了两个地方,使得1个10uf,1个103f一个104f的三个电容不得不独立引线出来接动力电12v。:

电路是修正了,但是测试还是各种乱,后来发现,是线圈松动,于是,502胶的伺候。。。基本成这样了。。。

中间是n次打胶的残留,边上是n次拆机的痕迹。。。每次换线或换板,需要先把线圈拆下来,拆之前,来个冰火伺候。热风枪160度火一火,然后上酒精冰一冰。之后就是用“特制”板子,慢慢撬,撬点太靠外,没力气会打滑,撬点太靠内,就是断线圈。最终的诀窍是,“即要给力,还要温柔”,不矛盾,这需要用心体会。哈。拆完后,该怎么折腾怎么折腾,然后还要再将线圈装回去,继续502,等干固,做测试。一个测试周期要30分钟到40分钟。其实真正测试最多5分钟。所以说,还是纯软爽。说程序员苦逼,你折腾折腾硬件就知道不苦逼了。。哈。

经过两次,每次连续10小时的折腾,痛定思痛,得到结论是,步子迈的太大了,扯淡的疼,所以,开始继续绣花。

做个转接器,将电机里的板子,只折腾传感,并将控制线路引出,由外部的板子做驱动。还好用的是废电机里的铜线,还好厂家给力,中途又发了4个线圈,实际等这个版本实验成功时,只剩最后一个好线圈了。其他都因为各种“不温柔”断线了。。。如果是0.1mm的铜线,肯定没有如下挺起的效果。哈。

经过各种测试,找到了合适的引线方式和定子线圈布置,然后得到一个撞墙的结论,理论推演是正确的,之所以前面测试不通过,不是线圈松动,就是因为板子改来改去,电容虚焊等各种原因。。。。

工具效率篇

电路测试通过,于是电路板做改版,顺带做了块钢板。怎么样,还是有点logo范吧。

上钢板的原因,是买了焊锡膏,用焊锡膏的原因是因为先打锡,再上焊油,再贴片的方式效率太低。为了提高效率,开始采用人肉贴片机方案。

要问我啥感受,就一个字“确实快”,嗯,好像是3个字。即便每次需要花几分钟时间,把元器件放到铝合金槽里面,但整体时间也比镊子的方式来的快。

改的板子到了,厂家给力,第二批线圈和外壳也到了。准备上钢板。。。

用双面胶将电路板沾在台面上,把钢板对上焊盘,上了焊锡膏,贴上元器件,

然后就是一通吹。。。吹谁不会,但是要憋着气吹,还是考验肺活量的。焊锡膏有毒,没钱买口罩。霍尔传感器厂家的资料,记得不能超过260度,只好打到275度慢慢吹。。。

自从改良了工具,速度有多块?原先1个多小时做一块板子,现在40分钟可以做2块板子。新的电机,新的高度,哈。

这是摆拍,其实上面的线圈已经被我折腾坏了。反正新东西落我手上,第一个,或者第一次,总是这里或那里受伤,哈。怎么坏的,很简单,新的总是太紧,一用力,结果。。。哦,断了。。。。

于是一个崭新的定子底壳,被我用锉刀,锉的更“崭新”了。。

当然少不了外接线和测试,仍然是绣花无数。不过和最终的测试工具篇的绣花量比较,已经不算什么了。。。

测试工具篇

电机厂家很给力,当然传感器厂家也给力,无以回报,就做个小的电机测试模块吧。用一个arduino mini pro,通过两个按钮可以修改速度,通过max471检测电流,通过两个电阻分压,检测电压,将速度、电压、电流显示在一个7段数码管上。

大体布局如下:

这里少了两个按钮和一个电机输出接口,ffc软排线。小洞洞板,太小了,12v的电源座怎么也放不下,最终放弃固定在板子上了。

摆好位置,开焊,先这么焊:

数码管的腿能直接和arduino mini pro的引脚接着的,也就不绣花了。这里有4根线需要飞到转接板上。实在不喜欢直插的元器件,所以4个共阴极的1k电阻,用0603的贴片,贴到转接板上。。

7段数码管点亮了,开始折腾按钮和电流电压检测的模块。对于动力电源,给电机的,还是得用电线了。不过实在太粗,对比下就知道细电线相对1mm以下的线圈铜线是多粗了。

按钮是10k拉高,按下接地的方式。所以vcc引的线,接到0603的电阻上。电阻另一端和按钮连接 。。。继续测试。结果arduino mini pro的稳压模块实在不给力。看着板子上的led灯慢慢变暗,然后就没有然后。吹掉,换新的,继续烧掉。烧了两次后,学乖了,从一个arduino uno的废弃板子上把二极管和1117-5.0吹下来,焊在洞洞板的反面。结果证明,板子废弃的原因是那个1117-5.0坏了。不得已,用了库存的新货,折腾上去,并补上无刷电机接口的几根线。。。

通电测试,总算ok。

最终,驱动电机也一切ok。

显示0.03A 电流。

按了按键,显示60e,表示反转速度为60,最大速度按照255计算。

到此,无刷电机的驱动设计,总算结束。。。。

回头看看曾经的电机底壳,为啥第二版需要厂家的新电机外壳。这就是和502胶抗上的下场。。

被啃无数。。。。

当然成功的小实验背后,一定是一堆垃圾。。

上面超过4毛的元件都拆了,问我在哪?当然在最终实验成功的电机里。哈。霍尔元器件已经是二次焊了,虽然超过4毛钱,不过不多事了。。。。厂家说,不能超过两次,那就不超过吧。。。

吹水归吹水,最后还是要鸣谢一下在整个开发和测试过程中给予帮助的朋友们,分别是:

南京欧卓科技提供的霍尔传感器和器件讲解。

深圳骏旺达提供的电机散件。

总结一下:

硬件设计,不苦逼,测试苦逼。

热风枪太好使了,有次下雪,出门袜子湿了,300度,最大风档,1分钟立干,当然气味扩散也很迅速。。。

本着不重复造轮子的态度,lv8829刚好够用,绝不额外花时间设计。

当然等后面需要更大功率的无刷驱动,肯定要把自己老本行,算法设计的家底搬出来,自行设计驱动逻辑了,想想还是写代码舒服多了。。。






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