Når man vil bygge en robotbil er der forskellige elementer man skal have styr på…

• Chassis / hjul / motor
• Motor driver
• Hastighedsbestemmelse / obstackle detection
• Navigation / intelligens…

Denne blog handler om Chassis, motor og motordrive

Chassis / hjul / motor

Jeg fandt et kit på ebay – så det tænkte jeg var et godt udgangspunkt 🙂

Hvis du vil finde den på ebay så søg efter “Robot Car Chassis Kit”. Den koster 4-10 GPB.

Bemærk at en del af de kit man kan få er uden speed encoder skiverne. Det er lidt ærgerligt at få fat i et kit uden…

Den jeg bestilte var MED encodere… Desværre var de ikke med i kassen :-(. Jeg skrev til leverandøren og de ville sende mig et nyt kit – men med 20-30 dages shipping så får man jo gråt hår inden den dukker op…

Kittet inkluderer chassis, hjul, 2x gearet dc-motor, møbelhjul (forhjul) og speed encoder skiver.

Samlingen er fikst lavet så motorerne / hjulene bliver holdt af nogle plexiglasstumper.
Motor / gearkasse er fint integreret og ultra simple.

 

Motor driver

H-bro

Motoren er en 3-6V DC-motor. Det betyder at man kan bruge PWM (pulsbredde modulation) til at justere hastigheden og fortegnet kan vende retningen.

For at kunne justere både pulsbredde og fortegn så bruger man en såkaldt H-bro. En H-bro er et kredsløb som gør at hver side af motorviklingen kan sættes til hhv. 0V og 5V. Det samme kunne man jo principelt opnå ved at bruge to digitale udgange direkte – med den lille detalje at de digitale udgange ikke kan levere strøm nok til det…

Der er en lille detalje man er nødt til at tage hensyn til “i den virkelige verden”. Nemlig det at en transistor (eller FET) tager lidt tid om at gå fra on til off og tilbage igen. Som vist i billedet betyder det at både A og B er tændt samtidig i et kort stykke tid. Med andre ord er der det man kalder “gennemtænding”. Når der både er strøm og spænding samtidig vil der afsættes effekt i transistoren. Det holder de sjældent til i længden… En yderligere detalje er at de fleste transistorer og FET’er er hurtigere til at tænde end til at slukke.

Løsningen er at lægge et “dead band” ind. Altså et kort stykke tid fra den ene er sat off før man tænder den anden. Tiden er meget afhængig af transistor/FET valget – men ofte i omegnen af 1-2us.

Når man skal dimensionere sin H-bro har man brug for at vide hvor meget strøm motoren trækker. Man har dels brug for at vide hvad motoren trækker ved “normal” belastning – men også worstcase. Det værste der kan ske er at moteren bliver blokeret da det betyder at der er en kortslutning af motoren. Så er det kun den ohmske-modstand i motoren og forsyningens kapacitet der begrænser strømmen.

En hurtig måling med 6V og hhv. belastet og blokeret motor viser at strømmen er ca. 250mA ubelastet, 800mA tungt belastet, 1A lige før blokering, 1.3A blokeret.
Jeg har købte nogle H-broer færdige på Ebay. Søg på “arduino L9110” og “arduino L298N”. Begge er 2-kanals hvilket vil sige at de hver har 2 H-broer og dermed kan styre to motorer.

L9110 kan drive 800 mA kontinuert (2A peak) på hver kanal. Forsyningsspændingen skal ligge mellem 2,5-12V.
L298N kan levere 2A continous, 3A peak, supply 2.5-46V.

Det fede ved begge moduler er at de klarer det praktiske omkring dødbånd – så det eneste vi skal er at sende en PWM til hver side af H-broen.

Til denne applikation er det fikst at vi kan drive begge motorer med samme modul.

De markedsføres nogle steder som “stepper drivers”. Hvis man vælger at “håndstyre” stepmotorer kan man også gøre det med en enkelt af driverne. Personligt foretrækker jeg godt nok at slippe for at skulle styre pulstogene til stepmotoren – altså ved at bruge en driver der tager sig af det praktiske… En blog om stepmotorer kommer senere.

Nå – men den “lille” – L9110 – er helt fin til disse motorer – så den monterer jeg.

L298N ligger på bordet ved siden af.

Hastighedskontrol – PWM

Helt kort om PWM – pulsbreddemodulation. Det går helt enkelt ud på at hvis man har et signal med konstant frekvens men varierer pulsbredden, så vil gennemsnittet blive afhængigt af pulsbredden. Det kan bruges til at bestemme lysstyrken på en pære eller lysdiode – eller justere hastigheden på en motor.

De 4 styresignaler er parvis inverterede – A og B i forhold til C og D. Tænder man både A og B (eller C og D) vil det give en kortslutning af forsyningsspændingen. Som nævnt håndterer hardwaren denne kompleksitet – så styringen kan nøjes med at fokusere på A og C signalerne.

Spændingen over motoren er differencen mellem A/B og C/D:

Så – så længe broen er i 50% dutycycle på både A/B og C/D vil spændingen over motoren være 0V. Først når broen går “ud af balance” – altså at A/B siden kører med anderledes pulsbredde end C/D siden. Hvis A/B siden er mere “positiv” end C/D vil resultatet være at motoren oplever en positiv spænding. Omvendt hvis C/D-siden er mest positiv vil motoren opleve negativ spænding – og dreje “baglæns”…

Arduino PWM-kontrol

PWM funktionen er linket til ATmega processorerens timere. Jeg har ledt rundt – men det er ikke så nemt at finde et simpelt library… Der er nogle guides – men jeg tror at fordi der er så mange muligheder så er det svært at lave et ordentligt generelt library. OG det er nogle rasende avancerede enheder – så det jeg beskriver herunder er kun en lille flig af helheden – den flig jeg skal bruge 🙂

Der er tre timere i ATmega 328. De fleste funktioner virker på alle tre timere – så jeg bruger notationen “x” hvis det er underordnet hvilket register der vælges.

Det smarte ved at der er to compare registre per timer er at man kan få to ben til at vippe synkront – det skal vi bruge :-). Det man bruger når man skal have en timer til at virke som PWM-kanal er “output capture”-funktionalitet. Der er to compare registre – dem benævner jeg “y” når det ikke er vigtigt hvilket af registrene der anvendes. Output Compare går helt enkelt ud på at sammenligne et compare register (OCxy) med timerens værdi (TCNTx). Når de er ens sættes det tilknyttede “flag” (OCFxy). Afhængigt af settings for “waveform generatoren”  kan dette flag kobles sammen med et output ben – og voila har vi et PWM output.

Der er to PWM-modes: “Fast PWM” og “Phase correct PWM”. Forskellen er illustreret her.

“FastPWM”: Tæller fra 0 til 255 og starter så forfra. Output Capture giver dermed ét skift per kanal per periode.

 

“Phase correct PWM”: Tæller fra 0-255-0. Det betyder at der er to skift per periode per kanal. Perioden er dog den dobbelte af fast-pwm og det vigtigste er at outputtet er symmetrisk. Dvs. begge flanker flytter når output capture registeret ændres.

Phase correct PWM er fint i mange situationer – men uden betydning her – så jeg holder mig til Fast PWM.

MEN MEN MEN… Og det er så her bagsiden af Arduino rammer en i nakken hvis man ikke er opærksom… Arduino er før med et 1kHz interrupt der søger for at delay() funktionen virker. Dette interrupt hænger på timer 0 – så hvis man bruger den til pwm – og sætter frekvensen til andet end SCLK/64 – ja så vil delay() ikke give korrekte forsinkelser længere…

PWM outputs

Hver timer er relateret til nogle ben:

Timer	Pins
0	5, 6
1	9, 10
2	3, 11

Register configuration

TCCRxA (Timer/Counter Control Register A):

7	6	5	4	3	2	1	0
COMxA1	COMxA0	COMxB1	COMxB0	–	–	WGMx1	WGMx0
1	0	1	0	0	0	1	1

Se herunder for detaljer om begge control registrene.

TCCRxB (Timer/Counter Control Register B):

7	6	5	4	3	2	1	0
FOCxA	FOCxB	–	–	WGMx2	CSx2	CSx1	CSx0
0	0	0	0	0	X	X	X

COMxy[1:0] – Compare output match; non-inverting: 0b10

WGMx[2:0] – Waveform generation mode; Fast PWM; 0-255 count: 0b011

FOCxy – Not used in PWM mode: 0b00

CSx[2:0] – Clock source; afhænger af den valgte timer (bemærk at det tager 256 cycles at foretage en komplet cycle):

Clock source	Timer 0 CS0[2:0]	Timer 1 CS1[2:0]	Timer 2 CS1[2:0]
Off	0b000	0b000	0b000
SCLK/1 (62.5 kHz)	0b001	0b001	0b001
SCLK/8 (7812.5 Hz)	0b010	0b010	0b010
SCLK/32 (1953.1 Hz)	NA	NA	0b011
SCLK/64 (976.6 Hz)	0b011	0b011	0b100
SCLK/128 (488.3 Hz)	NA	NA	0b101
SCLK/256 (244.1 Hz)	0b100	0b100	0b110
SCLK/1024 (61.0 Hz)	0b101	0b101	0b111

TCNTx (Timer/Counter Register):

Momentan timer værdi. Timer 0 og 2 er 8 bit. Timer 1 er 16 bit.

Dette register skal man normalt ikke bruge i PWM-mode. Det kører frihjul af sig selv…

OCRxy (Output capture register):

PWM-værdi. Timer 0 og 2 er 8 bit. Timer 1 er 16 bit. 1 er en smal puls 255 (eller 65535 for Timer 1) er fuld bredde (all-on).

Strømforsyning

Dummefejl… Eller i hvert fald ubetænksomhed… Da jeg testede mit library snurrede hjulene fint – i 1-2 sekunder hvorefter printet rebootede…
Meeeen – nu var min opstilling strømforsynet fra USB… Og USB kan ikke levere motorernes startstrøm… Desuden havde jeg ikke sat nogen ekstra kapacitet (kondensator) på ude ved H-broen. Så alle strømtræk (dynamiske som statiske) skulle gennem Arduino-printets USB forsyning. Ikke smart.

Den dårlige undskyldning er selvfølgelig at jeg ikke tænkte på det fordi mit robot-kit blev leveret uden (ved en fejl)… Jammerligt dårlig undskyldning 🙂

Så – jeg hittede nogle forsyningsledninger til batterier…

C++ library

Såe… jeg har klappet et simpelt library sammen med det ene formål at styre én H-bro med to PWM-kanaler.

Du kan hente h-bro library’et (med eksemple) her: Download

Kernen i biblioteket er konfiguration og ændring af dutycycle. Her i en forsimplet kode:

Interfacet er en klasse (class):

Her en stump testkode der skifter fra -100% til +100% og tilbage igen:

Du kan ændre til timer 0 i linje 3.
Hastigheden der ændres med kan ændres i de to linjer med “sign=+/-10”.

Test af biblioteket

Testene er lavet med min USB-logikanalysator (se mere her: link).

50% dutycycle og så skulle jeg lige vise PWM signal analysatoren i Pulseview:

Der er to lidt bemærkelsesværdige observationer her. For det første burde frekvensen være 976.6Hz (16MHZ/256/64) – men den er faktisk 1 kHz (freq = 1/periode; f=1/1ms=1kHz). Det er lidt uklart for mig hvorfor. Det må jeg lige grave i på et andet tidspunkt. Det andet interessante er at dutycyclen er 50.39Hz og ikke 50.00%. Årsagen er at dutycyclen for 50% er 128. 0 er 0%; 255 er 100%. Hældningskvotienten er alpha=100/255 så ved 128 får vi y=alpha*x= 50.20%. 127 giver 49.80%.

En del af fejlen skyldes dog også at jeg brugte for lille sample rate i pulseview…

Høj dutycycle:

Varierende dutycycle -max til +max:

Igen varierende – tættere på med PWM detaljer:

 

En af mine indkøbte dimser fra ebay er en “rotary encoder”.
Det er en dims der kan konvertere roterende bevægelser til digitale signaler. Den jeg har købt har 20 positioner på en omgang – og leverer output i to digitale pins der er “gray coded”.

Detekteringen sker mekanisk. Det betyder at det er kontakter der clicker ind og ud når man drejer akslen.

En udfordring ved den konstruktion er at mekaniske kontakter laver noget man kalder kontaktprel. Altså at kontakten hopper til og fra når den skifter position. På engelsk kalder man det bounching. Der er forskellige løsninger til at fjerne kontaktprel – på engelsk kaldes metoderne under et “de-bouncing”.

Der er en hel del mellemregninger – men jeg lover en (i min optik) lille lækkerbisken nederst.

Gray code

Gray code er en utroligt simpel men meget effektiv teknik der kan benyttes alle de steder hvor det kan give problemer når mere end ét bit ændrer sig ad gangen.

Et eksempel… binært 1 øges til 2:

01 -> 10

Lad os nu forestille os at vi læser de 2 bit af to gange. Første gang vi læser er lige før der lægges “1” til “01”. Bit 0 læses som “1”. Anden gang vi læser er lige efter opdateringen så nu er bit 1 = “1”. Når vi samler de to bit får vi “11” – og ikke “10” som er den korrekte værdi. Så – afhængig af hvornår man læser kan man få tre forskellige værdier hvoraf den ene er helt i skoven: “01”, “10” og “11”.

Nå – men hvad kan grey code da gøre ved det? Jo… Som nævnt er det smarte at kun ét bit ændrer sig ad gangen:

Index	bit 1	bit 0	decimal
0	0	0	0
1	0	1	1
2	1	1	3
3	1	0	2

Så – i eksemplet fra før – så vil man når man går fra 1 -> 2 i stedet få:

01 -> 11

Så læsning før / efter vil give “01” eller “11” – uanset timing.

Gray code og rotary encoders

En anden anvendelse af gray code er ved rotary encoders hvor gray code kan bidrage til at afsløre hvilken retning akslen drejes i. Det kaldes også quadrature encoding. Det er baseret på to bit og mekanisk eller optisk afkodning af en kode-skive der sidder på akslen:

Hvis der placeres to sensorer (A og B) ved den røde firkant og man roterer skiven så kan de sorte og hvide felter oversættes til “ettere” og “nuller”.

Rotation med uret:

A	0	1	1	0	0	1	1	0	0	1	1
B	0	0	1	1	0	0	1	1	0	0	1

Rotation mod uret så får man:

A	0	0	1	1	0	0	1	1	0	0	1
B	0	1	1	0	0	1	1	0	0	1	1

Hvis man nærstuderer signalerne kan man se at når det ene eller andet signal ændrer sig så kan man bruge niveauet på den anden til at se hvilken vej der drejes:

Med uret: ↑A+!B og ↓A+B og ↑B+A og ↓B+!A

Mod uret: ↑A+B og ↓A+!B og ↑B+!A og ↓B+A

Så med gray code kan vi med to bit detektere rotation og omdrejningsretning.

Debouncing

Debouncing går i al sin enkelthed ud på at eliminere det kontaktprel som alle mekaniske kontakter laver:

Her et ikke nærmere specificeret eksempel der illustrerer hvordan kontakten hopper mellem åben og lukket.

Udfordringen er at fjerne de falske on/off transitioner uden at forsinke signalet…

Det er en lidt umulig opgave – men den største del af problemet kan løses med et simpelt kredsløb som dette:

I al sin enkelthed går det ud på at bruge en kondensator til at forsinke ændringen i signalet indtil det er stabilt.

Når switchen er off vil modstanden lade kondensatoren op til forsyningsspændingen. Når kontakten lukker vil kondensatoren hurtigt aflades. Korte hop tilbage til åben position vil oplade kondesatoren lidt mere. Da impedansen til stel er mindre end den til forsyningen vil den hurtigt lande på 0V og blive der når kontakten holder op med at bounce. Forholdet mellem R og C fortæller noget om hvor lang tid de kan kompensere for prel. Bounce kan tage alt fra under 1 ms til 50 ms for relæer – og endnu længere for store kontaktorer. Hvis man designer efter ~5ms er man godt hjulpet med “almindelige” små kontakter. Tau = R*C. Tau er tiden fra 0 til 63% (link). Dimensionerer man efter 3*Tau er man på ~95%. Så hvis man sætter Tau = 5/3ms; R*C=Tau; så får man med en 10K pull up en kondensator på ~2uF. Så – vælg noget i den størrelsesorden.

Bare lige inden jeg får en kæmpe sviner… Kredsløbet ovenfor er i princippet ikke i orden. Hvis man kortslutter kondensatoren med en switch vil der løbe en meget høj strøm gennem switch og kondensator. Det kan kondensatoren ikke holde til i længden – så der burde være en strømbegrænsermodstand i serie med switchen… Nu er du advaret og jeg slipper for tæv :-). I praksis i fuskeropstillinger er det fint og velfungerende.

Inverteren (trekanten med bolle på udgangen) har et “schmitt trigger” symbol. Det betyder at der er tale om en speciel logikkreds der kan fungere korrekt når den udsættes for signaler mellem høj og lav. Normalt er logikkredses logik kun veldefineret når deres input ligger mellem Vil (input low) og Vih (input high):

Det betyder at mellem 0.8 og 2V ved kredsen ikke hvad den skal gøre og det kan give de mest mærkværdige resultater.

En schmitt trigger kreds derimod har en indbygget hysterese. Det betyder at den vil betragte et input som “high” når den passerer “upper threshold”. Det bliver den ved med indtil signalet går under “lower threshold”:

Da vores debounce kredsløb netop benytter sig at at lade det digitale signal være “analogt” i et stykke tid til der er ro på situationen – ja så er en schmitt trigger indgang at foretrække. Arduino (ATmega328) har schmitt triggere på alle inputs – og har i øvrigt synchronizers på også for at sikre meta-stabilitet. Ok – måske en blog om det senere :-).

Der findes et hav af metoder til at løse denne udfordring. Jeg faldt over en helt anden metode som jeg vil beskrive herunder. Så nu – til den lovede lækkerbisken 🙂

Algoritme til rotation og de-bounching

Jeg er lidt høj på en virkeligt smart løsning til at dekode gray code og samtidig eliminere kontaktprel. Jeg faldt over den på nettet mens jeg faktisk ledte efter noget helt andet :-).  Metoden er genial fordi den ikke betragter encoderen som to kontakter og forsøger at debounche dem hver i sær. I stedet udnytter man den egenskaber som gray code har – nemlig at der kun er nogle bestemte kombinationer der er valide. Og det virkelig smukke er at den er utroligt nem at implementere uden at påvirke flowet i koden – og ikke kræver interrupts.

Der er en vigtig antagelse der ligger til grund for denne metodik… Nemlig at der ikke er prel på begge signaler på én gang. Er der bounche på begge kontakter samtidig så er der problemer da vi ikke kan vide hvordan de bouncher i forhold til hinanden. Akslens omdrejningshastighed og hvor lang tid kontakterne bouncher afgør altså om metoden virker.

Artiklen er ikke om specifikt den encoder jeg har – men er helt identisk i funktion – altså mekanisk aflæsning og gray code. Hvis du vil læse originalen (skrevet af Oleg Mazurov) kan du finde den her: link. Jeg skal advare med at sige at der er en fin forklaring – bare ikke på hvorfor det virker… Jeg har prøvet at forklare det lidt dybere herunder.

Grunden til at denne algoritme er så genial er at den kan udføres i sekventiel række uden hensyn til timing og ventetid på at signalerne har stabiliseret sig. Det er en kæmpe fordel når man egentligt bare gerne vil koncentrere sig om funktionaliteten eller ikke vil ofre interrupt-ben og timere på håndteringen.

Men først – hvis du vil lege med har jeg lavet et library som du kan hente her: Download

Lad os starte med at se på hvad vi kan konkludere hvis vi kigger på alle kombinationer af skift i hhv. A og B signalerne. Det er samme betragtning som ovenfor – bare oversat til et univers hvor vi sampler signalerne og detekterer flanker som ændringer fra 0 til 1 og 1 til 0. Jeg benævner for nemheds skyld det nyeste signal for hhv. A og B. De signaler der er målt for “et øjeblik siden” (sidste måling) kalder jeg A’ og B’. Dvs. A’A=00 og =11 betyder uændret og =01 og =10 betyder en hhv. rising og falling flanke.

Invalid / no rotation	Clock wise	counter clock wise
A’=A; B’=B (ingen ændringer)	A rise & B low	A rise & B high
A’!=A; B’!=B (begge ændret)	A fall & B high	A fall & B low
	B rise & A high	B rise & A low
	B fall & A low	B fall & A high

Dvs. rising / falling flank på enten det ene eller andet signal mens det modsatte er stabilt betyder altså rotation. Er signalerne stabile eller ændrede på begge signaler så er der ingen rotation eller signalerne bouncher.

Gul: rising / falling flanke
Blå: stable position direction
Grøn: med uret
Rød: mod uret
Lys grå: no change
Grå: invalid

Oleg Mazurov oversætter dette diagram til et array hvor index er A’B’AB og outputtet er Q som kan adderes til en tæller for at få den position man har bevæget sig til (-1 er mod uret, 1 er med uret og 0 er invalid/no rotation):

static int8_t enc_states[] = {0,-1,1,0,1,0,0,-1,-1,0,0,1,0,1,-1,0};

Index’et (A’B’AB) er indrettet så listigt at det er utroligt nemt at udregne… AB er A og B værdierne som bit 1 og bit 0. Old_AB er en statisk variabel (altså holder sin værdi mellem kald til funktionen):

old_AB <<= 2; //move old AB to A'B'
old_AB |= AB & 0x03; //insert AB as bit 1-0; old_AB is now A'B'AB

Hvis man ikke har AB i samme variabel (det har man ofte kun hvis man læser en port og ikke enkelte pins) så kan man bare skifte linje 2 ud med:

old_AB |= ((A<<1) | (B&0x01))&0x3;

Hvis du er sikker på at der ikke er overflødige 1’ere i  A og B kan du droppe “&0x01” og “&0x03”. De har kun til formål at beskytte mod “støj” i signalerne.

Det eneste der nu mangler er at returnere Q (enc_states i Oleg Mazurov’s terminologi). Det gøres ved at bruge de nederste 4 bit af old_AB (A’B’AB) som index:

return enc_states[ (old_AB & 0x0f) ];

Meeen – hvorfor virker det egentligt? Hvis B er low og A hopper op og ned – ja så må vi da stadig få fleredetekteringer. Og ja – det gør vi faktisk! Det unikke er at uanset hvor mange “hop” vi når at opdage – så vil den sidste flanke sikre at vi ender på det rigtige. Årsagen er at vi tæller op på hver stigende flanke og ned på den faldende. Da usikkerheden er overstået på måske 5 ms vil det næppe være noget brugeren når at opdage – hvis man eks. bruger det til at styre en menu eller lignende. Hvis man måler på omdrejningshastighed og retning på en motor eller andet hvor det er kritisk, kan man kompensere med elektrisk debouncing som beskrevet ovenfor. Metoden er dog stadig god fordi der kan afvikles i konstant tid (altså tager lige lang tid at udføre hver gang) og fordi der ikke indgår delays eller avancerede timere og interrupts.

Som nævnt skal man bare være sikker på at bounching er ophørt inden man når frem til næste kontakt…

Praktisk med DHV encoderen

Den encoder jeg har er markeret “DHV” og den har tydelig click-markering af step i rotationen. Da ét step giver en flanke på både A og B giver den viste metode 2 step hver gang. For at undgå det har jeg modificeret listen over “lovlige” kombinationer af A’B’AB så ændringer i B ignoreres (ændret til mørkegrå og Q=0):

Det betyder at arrayet ændres til:

static int8_t enc_states[] = {0,0,1,0,0,0,0,-1,-1,0,0,0,0,1,0,0};

Og voila – kun ét step per trin på encoderen…

Jeg tror enhver nørd drømmer om det store sindsygt smarte og fuldt integrerede home automation system. Med alarm, lysstyring, musik, videoovervågning, ventilation, varme, dørlåse og alt hvad man ellers kan komme i tanke om…

Og ja – også jeg. Måske mere end de fleste. I 2006 var jeg med en kammerat, Søren, i gang med at udvikle et home automation system der skulle konkurrere med IHC ved at være bedre egnet til renovering af boliger, og ved at være opbygget decentralt så man kunne komme i gang uden at købe en dyr dims til at styre det hele. Vores første enhed skulle være en dobbelt lysdæmper til montering direkte i loftdåser. Der var den centralt placeret til at modtage “tryk” fra afbrydere (der skulle opgraderes med en fjeder) og havde adgang til lamperne der skulle styres. Mock-up og prototyperne på billederne er af dette modul. Vi designede et ret fedt koncept hvor printene fungerede både som køleflader og stik-forbindelser.
Vi stoppede da det trådløse IHC-system blev introduceret. Bagefter må vi nok erkende at det var lidt heldigt at vi fik stoppet der – med finanskrisen lige om hjørnet kunne vi virkelig have brændt fingrene. Men jeg synes nu stadig at vi havde fat i noget af det rigtige. Især konfiguration af funktionaliteten mener jeg vi havde fat i den lange ende af…

Nytårsaften ’15-’16 blev fejret i gode venners lag… Og ja – der går altid nørd i den når Steffen og jeg mødes… Med tiden har emnerne skiftet lidt… Der kommer både lidt teknik og ledelse ind i snakken 🙂

Meeen – Nu er det altså tekniknørderi det gælder.

Steffen har i mange år leget med et home automation system baseret på HomeSeer og X10 baserede enheder. X10 er en protokol der oprindeligt blev udviklet til power line kommunikation (altså kommunikation på 230V nettet) men der er nu også defineret en trådløs variant. HomeSeer er en kommerciel home automation controller. Controlleren er det lim der binder de forskellige sensorer, relæer, lysdæmpere osv. sammen. Steffen havde fundet ud af at der findes en masse sensorer og udgange (og radiomoduler) som er designet til at blive tilsuttet til en Auduino. OG de kan fås på Ebay og AliExpress til nærmest ingen penge (1-2 USD per dims). Der er et system til at kæde dem trådløst sammen der hedder MySensors. Endelig er der også open source alternativer til HomeSeer (som jeg synes er for pebret).

Og – så var jeg hooked 🙂

Så jeg brugte nogle timer på ebay i julen. Sørger man for at holde hver ordre under 80 kr incl fragt så er der ingen told og moms på – og det kan man sagtens når der på de fleste dele er med fri fragt og koster 0,5-2 USD per styk.

Arduino

Det første man skal have styr på er selve Arduino’en. Der findes et hav af forskellige modeller. Jeg har valgt at fokusere på Arduino Uno og Arduino Nano – begge baseret på Atmel ATmega328 microprocessoren. Uno er fysisk større og har USB-stik on-board og er derfor fin til test og udvikling. Nano er fin til de sensorer der bygges, da den er mindre og kan klemmes ind hvor de nu skal bruges.

Arduino er et “format” som reelt bare dækker over en Atmel ATmega processer hvor det grundlæggende (oscillator og forsyning) ligger på boardet og alle pins er ført ud til pinheaders så det er nemt at slutte andre enheder til.
Da placeringen af headerne er standardiseret findes der et hav af “shields” – altså print der bare skal presses ned over moder-printet som giver alverdens funktioner: Display, ekstra hukommelse, real time clock, fugt/tenmperatur sensor og 100 andre.

Atmel laver en meget stor familie af nogle ret gode og billige processorer. De starter i ATtiny til et par kroner og op til ATmega til 120 kr. Ved Digikey koster en ATmega328 ca. 8 kr. Hvordan kineserne på ebay så er i stand til at lave en Arduino Uno til ca. 22 kr og en Nano til 10 kr er mig absolut en gåde…

Stifterne bag Arduino røg for nogle år siden i totterne på hinanden. Det var noget med at de hver især mente at eje domæne og registrerede varemærker. Så i dag kan Arduino også købes under navnet Genuino…

Arduino modellerne begge baseret på den samme microcontroller (ATmega328) – så de har de samme ben og funktioner. Mange ben kan bruges til flere ting så man har både interrupt inputs, analoge inputs, pwm outputs, capture inputs (kobles til timere) og sikkert mere jeg ikke lige kan komme i tanke om. Der er 15 digitale pins samt 6 analoge inputs der også kan bruges som digitale ind-/udgange. En lidt spøjs ting er at Arduino’s benævnelse af benene. Det er lidt forvirrende at de ikke bruger de samme betegnelser som Atmel. Port D (altså D0-7) svarer til ben 0-7 på Arduino. Port B (B0-5) svarer til ben 8-13 på Arduino. Port C (C0-5) svarer til A0-5 på Arduino.

Micro’en har 2KB ram (der glemmer ved power off), 1KB eeprom (der kan huske også selvom strømmen afbrydes og som er nem at skrive til i applikationen) og 32 KB flash (kode memory). Den kører med en 16MHz clock.

Arduino giver faktisk ret meget for pengene. Og kan man ikke være i formatet kan man skifte til Arduino Mega2560 der er baseret på ATmega2560. Den har  16 analoge inputs og 54 digitale i/o. Det kan man hurtigt få lyst til hvis man begynder at sætte display, 2-3 temperatursensorer, relæudgange og andet sjov på samme controller…

Udviklingsmiljø (IDE)

Der er forskellige udviklingsmiljøer til arduino. Dels de originale fra Arduino som kan hentes på arduino.cc (link) og dels et online miljø på codebender.cc (link). Jeg har leget med begge dele – og havde jævnt mange problemer med codebender.cc. Men Steffen bruger det så det må kunne bringes til at makke ret… Det fede ved codebender er at der er utroligt nem adgang til alle de andre udvikleres kode og der er et hav af officielle libraries. Jeg har på grund af problemerne valgt miljøet fra arduino.cc. Det skal dog ikke hindre mig i at stjæle med arme og ben fra det kode der ligger på codebender…

Uanset hviket miljø man vælger er der utroligt mange ting der bare virker “out of the box”. Ting man som traditionel udvikler selv må klare – såsom biblioteker med adgang til hardwaren og håndtering af interrupts etc. Alt det og meget mere er der taget hånd om – men som gammel embedded udvikler kræver det altså lidt tilvænning ikke at have indflydelse på alting 🙂

Et første forsøg…

Jeg vil rigtigt gerne lægge links til ebay her… Meeen – ebay linkene har en tendens til at gå tabt kort efter kort tid. Så i stedet vil jeg skrive de nøgleord som man kan bruge til at søge stumperne efter. Et lille tip til brug af ebay… Hvis du vælger “Lowest price + P&P” så får du alle dem med gratis fragt 🙂 først i listen.

Stumperne i dette indlæg er: “arduino nano 328 5v”; “arduino ft232rl usb to serial adaptor”; “arduino led breakout board”; “Male To Female Jumper Wire”; “Male To Female Jumper Wire”.

Efter jeg modtog de første stumper skulle den første prøve stå…

Nano har ikke indbygget USB-adaptor – så det første var at slutte USB-serial port til. Det var ret nemt 🙂 – 6 ben lige igennem. Det er her “female to female jumper cables” kommer i brug. Det er en dejligt nem måde at klaske ting sammen på. Ikke egnet til den endelige applikation men fin til test.

Step to var at forbinde lysdioderne. De har et stelben og 6 lysdiodeben. Det passer så fikst at de kan sættes på GND og ben 2-7 der ligger lige ved siden af hinanden.

Mit første eksempel fandt jeg på codebender – en simpel LED blink test. Jeg modificerede den lidt så den laver et løbelys på det eksterne lysdiodepanel 🙂

Hent eksemplet her: Invalid download ID.

Voila – oppe at køre… 🙂

Jeg stod for nylig med en udfordring  – en af mine arduino sensorer holdt op med at virke når jeg kommunikerede med den for hurtigt… Min eneste indsigt i kommunikationen var gennem det softwaren gav – og det bragte mig ikke videre… Interfacet er via SPI som jeg bit-banger – dvs. styrer manuelt i stedet for at bruge den indbyggede SPI-controller i ATmega microcontrolleren.

Havde jeg ikke været for doven ville jeg være gået i kælderen, havde sat oscilloscopet på og analyseret signalerne på ledningerne. Desværre har jeg kun et 2-kanals scope og det har ingen SPI dekodning indbygget – så det ville være møg bøvlet på godt jysk…

Det “rigtige” værktøj til en applikation som denne er en logik analysator. Det er et digitalt oscilloscope – altså i stedet for at kunne måle analoge spændinger så måler den kun “1” og “0”. Det kan gøres meget billigere og de fleste logikanalysatorer har ret mange inputs (kanaler). De fleste har desuden avanceret dekodning af signaler – eks. SPI som jeg godt kunne bruge her…

Så – jeg gik på jagt med den intention at finde noget der ikke koster en million. Det naturlige var at kigge efter en USB-dims så jeg ikke skulle betale for en skærm – når den på PC’en sådan set virker fint. Det kunne også spare på bordpladsen 🙂

Med min nylige succes / overforbrug på ebay søgte jeg der – og efter nogen søgen opdagede jeg nogle moduler baseret på en Cypres CY7C68013A-56 chip.

til GPB 3,5 virkede det ret attraktivt… Jeg søgte dog efter software til den – og det vist sig at være ret tricky – noget med at downloade nogle developer tools fra Cypres’ hjemmeside. Lød lidt for bøvlet til mit temperament :-).

Så jeg ledte videre og endte på en “Hobby Components 8 ch / 24 MHZ logic analyzer”. Det er et britisk firma der har taget et af cypress modulerne og lagt deres egen firmware i – og så bruger det et open source tool der hedder “Sigrock Pulseview” (link) til analyen på pc. Det tændte jeg på – også selvom prisen var hele £9.90.

Da jeg fik den opstod der ca. en halv times total forvirring om drivere. Pulseview ville ikke genkende min logikanalysator… Det viste sig at Hobby Components har lavet en opdatering i efteråret og forvirringen skyltes dels at jeg ikke vidste hvilken version jeg havde og dels at jeg ikke tænkte på at tage USB-stikket ud og ind og genstarte Pulseview flere gange. Så – hermed viderebragt 🙂

Sigrok Pulseview

Programmet er open source og der er ingen releases (i hvert fald ikke til Windows) – så man henter bare det seneste nightly build… (link)

Når altså driveren først er installeret opdager Pulseview selv logikanalysatoren og tilbyder de 8 kanaler med det samme. Konceptet er ret enkelt.

I det store areal vises de digitale kanaler. På “bobbel-knappen” kan man tilføje “logiske” kanaler som er dekodede / fortolkede versioner af de primære logiksignaler. Det er ret nemt at tilføje kanaler og så konfigurere hvilke ben der anvendes til hvad. Man kan tilføje flere samtidig.

En af de vigtigste ting ved en logikanalysator er at kunne indstille hvor hurtigt / længe der skal samples OG hvornår sampling skal starte… Samplerate og antal samples indstilles i menuen. Helt enkelt samples/sec (Hz) og antal samples. Tiden bliver så samplerate * samples… “Run” knappen sætter det hele i gang. Hvis man ikke gør andet starter sampling med det samme – men man kan også definere triggere. Det gøres ved at clicke på et signal og definere hvilke flanker der skal fungere som triggere.

Et praktisk eksempel

Nu hvor det virker – så lad os lave et praktisk eksempel.

Jeg skriver på et blogindlæg om en quadrature encoder til Arduino. Det er en mekanisk encoder som med to ben giver mulighed for at regne ud hvor akslen står.

Jeg vil gerne se om jeg misser step når jeg drejer så hurtigt som jeg kan. Og… om der er kontaktprel…

Så jeg modificerer koden til at sende de nederste 4 bit af positionen ud på port D (Arduino pin 8-11). Dem tilslutter jeg på logikanalysatoren ben 1, 3, 5, 7. Ben 4, 6 bliver til A og B på quadrature encoderen.

Jeg brugte “skruetrækkeren” i menuen til at fjerne pin 1, 3, 5, 7 som jeg dekoder i en paralle dekoder. Og så konfigurerede jeg en trigger på A:

Som det kan ses tæller den rigtigt :-). Der er en tælling for hver flanke

For at se reaktionen ved max hastighed satte jeg sample rate op til 6 MHz og vred akslen så hurtigt som muligt. Og… som forventet kunne koden ikke nå at fange dem alle som det kan ses her:

Som det kan ses står tælleren stille på 5 mens signalerne på A og B skifter flere gange. Kan den følge med vil der være ny tællerværdi for hvert skift i enten A eller B. Den blå markering er fra en cursor jeg satte på for at se hvilken tidsramme vi er i. Og det blå område er 18ms bredt. Det sjove er at 2 og 3 er meget korte / hurtige mens 4 og 5 er langsomme. Mit umiddelbare gæt er at koden går i gang med at sende serielle signaler ud på konsollen – men det har jeg nu indsigt nok til at kunne arbejde med.

Det er denne type indsigt som en logikanalysator kan give. Selvfølgelig havde det været fedt med en der også lige havde 4 analoge kanaler 🙂 – men til prisen (~100 kr incl. fragt) er dette her faktisk helt fantastisk!

Nå – og nu må jeg hellere få fundet den fejl jeg startede bloggen
med 🙂

I denne anden del af mit cnc-fræserprojekt vil jeg fortælle om styringsdelen af projektet. Jeg må advare om at der er gået nørd i dette indlæg… 🙂

Først et diagram:

Det er tegnet på schematics.com – link.  Den opmærksomme læser vil se at laseren i højre side ikke bliver nævnt i resten af indlægget… Det skyldes at jeg planlægger en blog om den alene…

Samlet var styringsdelen lidt pebret – men til gengæld masser af power og nem at strikke op uden at lave print eller andre kreative løsninger. Stepmotoren kostede €100. Stepmotorstyringerne €100 /stk, strømforsyningerne kostede 450 kr/stk og smoothstepper kostede ca. USD230. Så – i grove tal kostede det  spidsen af en jetjager 🙂

Stepmotorer

Jeg undersøgte muligheder, pris og behov på stepmotorer – og landede på 3 stk NEMA34 motorer. De to havde jeg i forvejen – de er faktisk omkring 25 år gamle… og fra en gang hvor jeg ville bygge stepmotorer på en SR80 metaldrejebænk. Desværre havde jeg hverken mekanik, elektronik eller software kundskaber nok til at lave noget praktisk færdigt dengang. Motorerne drejede men det var også det… Men nu kom motorerne altså til ære og værdighed.

Den sidste motor bestilte jeg ved cnc66.com. Det var en N34-9801 (link). Jeg kunne hverken finde eller skaffe datablade på de gamle. De er ca. samme størrelse som den nye, så antog jeg at det nok er stort set det samme… Og da de ikke er gået i stykker endnu er det nok ikke helt forkert :-).

NEMA betegnelsen fortæller noget om motorens fysiske størrelse. NEMA 34 er de største jeg har set i almindelig handel. De har en 86x86mm flange med 4 huller og en aksel i midten. N34-9801 kan holde til 4Arms og kunne levere et moment på 6.9Nm. Jeg havde ikke rigtigt nogen ide om hvor meget der er behov for – men jeg er nu bagefter godt tilfreds med valget. Det svære er at ud over at skulle indregne stigning på gevind og et ikke nærmere defineret tab i vanger, lejer og gevindskrue, ja hvor meget kraft skal der så bruge til at pløje en fræser gennem et materiale…

En praktisk detalje… Når man står med en stepmotor med 6 ledninger – og kun skal bruge de 4 – hvad gør man så? Jo – man tager et ohm-meter og måler modstanden mellem hver af tilledningerne. Der vil være forbindelser mellem dem i to par af 3 ledninger. Når man vælger hvilken ledning der skal ignoreres (midterudtaget skal ikke bruges) – ja så er det bare at lede efter forbindelsen med den største modstand. De to bør være ret ens og den sidste omkring det dobbelte af de to andre… Hvis motoren kører den forkerte vej rund kan man enten rette det i softwaren eller bytte + og – på den ene eller anden vikling (kun én vikling :-)).

Hvis man skulle have en 8-wire stepmotor så er processen lidt mere indviklet… Der vil alle vindingerne have samme modstand så i stedet for at måle skal man sætte strøm på to af vindingerne på skift. Man kan så bemærke om akslen bliver svær at rotere.  Den præcise proces må du lige google efter :-).

Stepmotor-driver

Jeg bestilte også 3 stk DM856 stepmotordrivere (link) ved cnc66.com. Det er strømstyrede digitale stepmotordrivere der sørger for alt det praktiske bare man giver den en retning og et pulser. De kan konfigureres til den strøm man ønsker og man kan indstille hvor mange steps der skal være per omgang. Styringen forsøger at opdele de steps motoren uderstøtter i flere ved at styre strømmen i vindingerne gradvist fra den ene til den anden. Det lyder smart og besnærende – men træerne gror desværre ikke ind i himlen da praksis viser at der skal relativt store strømændringer til at flytte rotoren væk fra sine naturlige steps.  De skal forsynes med mellem 20 og 80V.

Strømforsyninger

Jo højere forsyningsspænding jo hurtigere kan man steppe motorerne uden at de springer et step over. Så jeg valgte at købe 6 stk 36V 320W (8.9Adc) strømforsyninger ved Actec. De blev serieforbundet to og to.

En detalje når man serieforbinder switchmode strømforsyninger er at sætte en diode i spærreretningen mellem + og – terminalerne. Det sikrer at forsyningerne kommer op samtidig når de tændes. Hvis man ikke har dem kan man risikere at ødelægge den af dem er der langsomst om at vågne til dåd. Forklaringen er at når man kigger ud i en primært kapacitiv belastning (de fleste strømforsyninger er kapacitive) – ja så oplever strømforsyningen at kigge ud i en kortslutning de første micro-/milisekunder. Er den ene forsyning så nogle milisekunder hurtigere om at stige i spænding så vil den hurtigste strømforsyningsspænding lægge sig over den langsomme med forkert fortegn – og det er ikke sikkert at den kan holde til det.

Driverne er digitale og strømstyrede hvilket vil sige at de genererer firkantede pulser på motorerne og bruger motorernes induktion til at holde den strøm der er behov for. Det betyder at der er nogle meget stejle spændingsflanker på kablerne – noget der potentielt kan give EMC-problemer i form af E-feltskobling fra de strømbærende kabler til signalkabler i deres nærhed. For at forebygge dette valgte jeg at købe skærmede kabler. Skærmen forbandt jeg til strømforsyningens stel så der er en returvej for støjen.

Smoothstepper og breakout board

Den mest almindelige metode til at forbinde stepmotorer til en PC var (dengang) en parallelport. Det var jeg ikke så interesseret i da jeg ønskede at kunne bruge en laptop jeg havde til overs… Så – jeg fandt ud af at produktet SmoothStepper (link) var en USB device der kan forbinde MACH3 softwaren (se del 3) til stepmotorerne via USB. Så sådan en fætter købte jeg ved leverandøren i USA.

SmoothStepper er designet til at simulere to parallelporte. Så udgangene er i DIL-connectors (så man kan bruge fladkabel). Jeg skulle jo trække ledninger til steppperdriverne – så det nemmeste var at købe et breakout board med skrueterminaler. Det købte jeg ved cnc4pc.com som havde et board (“C25” – link) der var designet til at blive sat direkte oven på SmoothStepper .

Endestop

Ud over power-siden af styringen er der også monteret endestop på alle akser. Endestop kan være en kilden affære fordi det er switche der i åben tilstand giver et højimpendant kredsløb der er meget sårbart for for E-feltskobling. Jeg trak dem først i uskærmet kabel – og stripsede dem fast til stepperkablerne. Dumt – meget dumt. Systemet detekterede endestop i tide og utide. Skærmede kabler og et skift til at bruge “normally closed” benet på microswitchen løste dog problemet.

På X- og Y-akserne monterede jeg én switch og så en kant der følger med slæden til at detektere begge enderne med samme switch. Z-aksen kunne jeg ikke gøre det samme med da jeg gerne vil have justerbart endestop i den lave ende så jeg kan bruge det til at undgå at køre spindlen ned i bordet. Så derfor har jeg to switche i serie på Z-aksen.

EMC – lidt om stel, B- og E-felter

Ok – jeg tilstå det næste afsnit er kammet over nørde-kanten – bær over med mig 🙂

Når man strikker et system som dette op skal man sørge for at tænke på elektrisk støj fra starten – som eksemplet med endestop herover viser. Der er flere elementer i dette – men tre primære elementer indgår i overvejelserne: Håndtering af stel. E-feltskobling og B-feltskobling. Og lad mig med det samme sige at nedenstående selvfølgelig ikke er den fulde sandhed. Men det er håndregler nok til at få de fleste systemer til at køre…

Stel… Den store overvejelse går på at begrænse den strøm der løber i en given stelledning da strømmene vil give anledning til spændingsfald over lederne. Så første priritet er at undgå at signal/styrings stel og power stel løber i de samme ledere. I denne opstilling skal man tage stilling til om de tre power kredsløb skal referere til samme stel. Eller om stel alene skal samles på signalsiden? Jeg valgte at lade højstrømssiden være særskilt per motor ud fra filosofien at deres respektive returveje så rodes mindst muligt sammen. Jeg er uskker på om det mest korrekte ville være at sikre at de har samme reference ved at knytte strømforsyningernes stel sammen i et stjernepunkt. Jeg har ikke gjort det – og det virker fint som det er :-). På signal siden har steppercontrollerne differentielle input – men da SmoothStepper med breakout board er singled ended – ja så ender alle “-” ben i gnd.

B-felter er magnetisk kobling der skyldes et magnetfelt skabt af strømme i nærliggende kabler. B-felter kobler ind i det areal der udspændes af modtagerkredsløbets frem- og returvej. Det betyder at en nem beskyttelse mod B-feltskobling er at benytte parsnoet kabel. Når frem-og-retur-vej er parsnoet så vil arealvektoren skifte fortegn for hver vikling. Det betyder at to vindinger vil udligne hinanden (hvis de altså påvirkes ens). Desuden bliver arealerne meget små og dermed mindre sårbare i sig selv. 

E-felter er elektrisk feltkobling der skyldes stejle flanker på spændingerne. Særligt digitale switchkredsløb (som i stepmotorstyringerne) er tilbøjelige til at udsende denne type støj da udgangene består af transistorer /FET’er der switcher lynhurtigt og med høj frekvens. Metoden til at fjerne denne type støj er helst at fjerne det ved kilden hvilket man gør ved at “lægge flanken ned”. Gør man det ved at bruge længere tid på at drive transistoren i mætning – ja så betyder det større tab i transistoren – hvilket sjældent er en god ide. I stedet kan man benytte en såkaldt snubber der er en modstand og en kondensator i serie i parallel hen over switchen. Kredsløbet optager noget af energien i switchøjeblikket og hjælper derfor til at lægge flanken ned. Den næstbedste måde er at benytte differentielle signaler. Dvs. i stedet for at have ét signal med reference til stel, så har man to ledere hvor den ene går positivt og den anden går negativt (og omvendt). Indgangen der “læser” signalet trækker de to fra hinanden. Det betyder at en støjpuls på begge ledninger vil blive fjernet i modtageren (A-B). Hvis man ikke selv designer kredsløbet eller ikke har adgang til differentielle ud- og indgange – ja så er vi nødt til at beskytte os på anden vis. Det kan man gøre med skærmede kabler hvor skærmen giver en god returvej for det koblede e-felt. Dermed holdes støjen i skærmen og lederne inden i skærmen ligger beskyttet.

Den mekaniske montage

Jeg byggede det hele ind i et gammelt styreskab. Og satte en blæser (med filter) i så stepperdriverne ikke bliver for varme. Forbindelserne til motorer og endestop er lavet gennem stik og kabler. Jeg monterede et nødstop som slukker for strømforsyningerne – men holder strøm på styringen. Det betyder at Mach3 ikke går i spunk. Der er en del grej der også skal have 230V (spindel, støvsuger, arbejdslys etc.). Til det formål monterede jeg to 3-stiksdåser – og lod den ene køre med nødstop og den anden uden.

Og her er det samlede skab – i lukket stand.

Og i åben stand:

Jeg mangler at få lavet ordentlig kabelføring til strømforsyningen i bunden. Jeg lavede det om i forbindelse med at jeg lavede Laser-graveringsmodulet – og ja det mangler lidt soignering 🙂

Alt i alt