Jump to content
JozekQF

Реализация контроллера для лебедки

Recommended Posts

Приветствую!

Проектирую систему управления лебедки для буксировки сверхлегких летательных аппаратов за автомобилем, т.н. "пассивной" лебедки. "Железная" часть практически готова, дело за электроникой.

Поскольку с контроллерами типа Ардуино никогда не работал, имею честь задать некоторые вопросы в надежде на помощь и советы. С электроникой у меня не так чтобы очень, но кое-какие знания есть. С программированием все более чем хорошо.

Краткое описание проекта:

Лебедка имеет барабан, на который намотано около километра синтетического троса. Буксировка производится посредством движения автомобиля при размотке троса с заданным тормозным усилием. Потребное усилие для вращения барабана регулируется фрикционным тормозом, в конкретном случае - это автомобильный дисковый тормоз.
- Усилие на тормоз передается через тормозной цилиндр посредством электрического линейного привода, имеющего возможность реализации обратной связи через встроенный потенциометр. Редукторный электродвигатель привода мощностью 20 Вт, развиваемое усилие 100 кг.
- Усилие на барабане снимается посредством тензодатчика на 300кг.
- Лебедка имеет штангу-укладчик троса, имеющий свободный ход по вертикали и горизонтали на поворотных осях. Возвратно-поступательные движения укладчика в горизонтальной плоскости осуществляются редукторным электродвигателем, вращающимся только в одну сторону. Мощность 40Вт, но потребное усилие небольшое.
- Так же лебедка имеет электродвигатель обратной смотки троса, привод на барабан через понижающий ременный редуктор, мощность двигателя 2,7 кВт. В принципе, трос вниз опускается сам на небольшом парашютике после отцепки ЛА и необходимый момент для его смотки при грамотной реализации алгоритма был бы не такой большой. Высокая же мощность применяемого электродвигателя в данном случае обусловлена его простым включением-выключением и невозможностью регулировки мощности/оборотов. А поскольку барабан довольно тяжелый и инертный, и скорость смотки необходима разная в зависимости от силы фонового ветра, применяется двигатель данной мощности на основании опыта эксплуатации подобных имеющихся конструкций. При добавлении возможности регулировки оборотов алгоритмически, можно было бы значительно снизить потребную мощность, но это отдельная тема для обсуждения.
-Вся электрика, разумеется, 12В.

Задачи:
1. Управлять электродвигателем привода тормоза (20Вт) в обе стороны, в т.ч. реверсивно. Регулировать скорость посредством ШИМ. Циклы работы редки и очень малы по времени.
2. Получать данные с потенциометра привода.
3. Управлять электродвигателем укладчика (40Вт). Регулировать скорость посредством ШИМ. Циклы работы 2-3 минуты (процесс смотки) с малой нагрузкой и паузами минимум раз в 5 дольше.
4. Получать информацию о вертикальном угле поворота укладчика.
5. Получать данные с тензодатчика.
6. Получать информацию о скорости и направлении вращения барабана, считать количество его оборотов.
7. Управлять включением/выключением электродвигателя смотчика.
8. Все управление и получение обратных данных осуществлять посредством беспроводной связи Wi-fi. Устойчивая дальность связи в пределах 20 метров.

Что предварительно я выбрал для реализации задуманного:
1. Стабилизаторы питания на LM2596: 2 шт, отдельно для контроллера и доп. модулей. Бортовая сеть = аккумулятор + генератор, напряжение может заметно изменяться.
2. Контроллер NodeMCU v3.
3. Управление электродвигателями привода тормоза (20Вт) и укладчика (40Вт) посредством модулей на L298N с запараллеленными выходами.
4. Модуль HX711 для тензодатчика.
5. Два модуля LM393 (датчик холла) для определения оборотов, направления и скорости вращения барабана.
6. Включение/выключение смотчика посредством одноканального релейного модуля, управляющего в свою очередь внешним более мощным реле.

Вопросы:

1. Посоветуйте, с помощью чего реализовать получение информации о вертикальном угле поворота укладчика. Пока остановил выбор на оптическом тахогенераторе, но не понятно, если ли таковые, способные отслеживать направление вращения.
2. Модули датчиков холла: бывают ли биполярные, чтобы два не ставить, или, может быть, посоветуете лучше решение?
3. Собственно, подбор железа: воткнется ли все описанное в NodeMCU v3, есть ли какие-то очевидные нестыковки или лучшие альтернативные решения?
4. Если знаете, посоветуйте, пожалуйста, продавца на Алиэкспрессе, у которого все можно купить разом, с качеством и быстрой доставкой.

Доп. вопрос: Возможно ли при помощи того же модуля H-моста L298N управлять положительным затвором мощных n-p-n мосфетов, включенных в параллель?

Заранее огромное спасибо за помощь!

Share this post


Link to post
Share on other sites
1 час назад, JozekQF сказал:

с помощью чего реализовать получение информации о вертикальном угле поворота укладчика.

Датчики угла чем не годится? Простейший - специализированный потенциометр, есть поточнее и понадёжнее - Холла, есть MEMS-датчики в виде ИС...

Share this post


Link to post
Share on other sites
7 часов назад, JozekQF сказал:

3. Управление электродвигателями привода тормоза (20Вт) и укладчика (40Вт) посредством модулей на L298N с запараллеленными выходами.
4. Модуль HX711 для тензодатчика.

Вы это серьезно???

3.  сколько модулей вы параллелить собрались , пусковой ток ДПТ может превышать номинальный в 5..7 раз при легком пуске до 10..15раз при тяжелом. длительностью 1..3с , для 40Вт ДПТ это 23..50А и драйвер его должен выдерживать....

4.   Вы уверены что быстродействия модуля вам хватит? после фильтрации и обработки вы будите получать валидные данные не чаще два раза в секунду.

7 часов назад, JozekQF сказал:

Доп. вопрос: Возможно ли при помощи того же модуля H-моста L298N управлять положительным затвором мощных n-p-n мосфетов, включенных в параллель?

можно если частота переключений ШИМ не планируется выше 5..7кГц

Share this post


Link to post
Share on other sites

Приглашаем на вебинар «Новинки и уникальные решения Molex. На что обратить внимание и почему»

7 апреля приглашаем на вебинар, который будет интересен разработчикам и инженерам-схемотехникам, интересующимся тенденциями рынка, новыми перспективными решениями для соединений «провод-провод», «провод-плата», «плата-плата». Для инженеров КИПиА и IT будут освещены уникальные решения Molex для «удлинения» интерфейсов HDMI, DisplayPort и USB даже в условиях сильного зашумления, а также семейство бесконтактных датчиков Contrinex. Помимо этого, будет уделено внимание дальнейшему развитию направления антенн, где Molex имеет ряд интересных и уникальных решений

Подробнее

1 час назад, IMXO сказал:

Вы это серьезно???

3.  сколько модулей вы параллелить собрались , пусковой ток ДПТ может превышать номинальный в 5..7 раз при легком пуске до 10..15раз при тяжелом. длительностью 1..3с , для 40Вт ДПТ это 23..50А и драйвер его должен выдерживать....

Вот, на ютюбе есть ролик, где таким же точно 20Вт приводом (длиннее, но в остальном такой же)  управляют через данный модуль, причем только через один канал:

Вроде как работает и не горит, по крайней мере в рамках ролика. Я же собираюсь использовать оба канала параллельно. За 40-ваттник боязно, но там нагрузка никакая. Ну или, в крайнем случае, мосфеты и паяльник никто не отменял.

 

1 час назад, IMXO сказал:

4.   Вы уверены что быстродействия модуля вам хватит? после фильтрации и обработки вы будите получать валидные данные не чаще два раза в секунду.

Вроде как пишут, что 10-80 раз в секунду измерения. Или он из них еще и выборку делает? В крайнем случае, и такое должно устроить, критичного ничего в такой частоте даже для планируемой автоматики (подстроечной) по идее нет. Пол-секунды - допустимо. А уж для информирования оператора, в чем основной смысл - и подавно. Есть ли какие-то лучшие варианты подобных модулей? Я что-то не находил...

 

1 час назад, IMXO сказал:

можно если частота переключений ШИМ не планируется выше 5..7кГц

Спасибо. Устроит даже гораздо более низкая частота.

7 часов назад, Lexter сказал:

Датчики угла чем не годится? Простейший - специализированный потенциометр, есть поточнее и понадёжнее - Холла, есть MEMS-датчики в виде ИС...

Спасибо. Потенциометр рассматривал в первую очередь, но его сложнее присовокупить к конструкции. Тем не менее, вариант жизнеспособный.

Edited by JozekQF

Share this post


Link to post
Share on other sites
8 часов назад, JozekQF сказал:

Управлять электродвигателем привода тормоза (20Вт) в обе стороны, в т.ч. реверсивно. Регулировать скорость посредством ШИМ. Циклы работы редки и очень малы по времени.

Я пробовал для других целей управлять тормозным  суппортом довольно мощным электромотором с полым ротором ватт на 60-70. Потом соленоидом жмакал . И ещё клапаном, сбрасывающего избыток давления тормозухи, который  нагнетал отдельный насос. Но так и не хватило быстродействия. В итоге заменил на тормоз электродинамического  типа. Для поддержания нужного натяжения буксировочного фала может и не нужна большая скорость отзыва, но я бы начал с более сложного: - Сначала отработал и испытал все узлы конструкции, а потом уже зная все параметры, проектировал бы управление. В качестве датчика удобно использовать автомобильный  TPS. Их и на Холла тоже делают.

Share this post


Link to post
Share on other sites
                     

Измеряем мощность в режиме реального времени с помощью ИС регистратора потребляемой мощности

Одной из важнейших функций обеспечения работы системы управления питанием является измерение среднего значения потребляемой мощности критичных участков цепи питания в режиме реального времени. Микросхемы регистраторов производства Maxim Integrated имеют встроенную функцию накопления измеренных значений мощности и предоставляют на выходе данные, пригодные для вычисления ее среднего значения. В статье рассматриваются различные примеры использования регистраторов для проведения критичных измерений мощности в режиме реального времени.

Подробнее

1 минуту назад, Praktic сказал:

Я пробовал для других целей управлять тормозным  суппортом довольно мощным электромотором с полым ротором ватт на 60-70. Потом соленоидом жмакал . И ещё клапаном, сбрасывающего избыток давления тормозухи, который  нагнетал отдельный насос. Но так и не хватило быстродействия. В итоге заменил на тормоз электродинамического  типа. Для поддержания нужного натяжения буксировочного фала может и не нужна большая скорость отзыва, но я бы начал с более сложного: - Сначала отработал и испытал все узлы конструкции, а потом уже зная все параметры, проектировал бы управление. В качестве датчика удобно использовать автомобильный  TPS. Их и на Холла тоже делают.

Спасибо за информацию, полезно!

"Железные" решения достаточно изучены, подобные конструкции в той или иной степени у меня на виду порядка 15 лет, статистика накопилась. Есть рабочие конструкции с точно таким же приводом тормоза, с актуатором от автомобильного сиденья. Все то же самое, только без электроники, тупо на кнопках. Решение работает хорошо.

Share this post


Link to post
Share on other sites
11 hours ago, JozekQF said:

автомобильный дисковый тормоз

2 hours ago, JozekQF said:

Решение работает хорошо.

:diablo:

Забудьте о своей идее. Любой фрикцион - это  секс для затягивающегося, и все это многократно проверено на практике.  Пара трения - вещь настолько непредсказуемая и неуправляемая, что даже в спокойном воздухе вы не обеспечите приемлемой равномерной тяги. Не говоря уже о засаде в виде электронного управления, хоть на чем сделанном.

Только гидравлический тормоз. Без вариантов. И - ручками, ручками крутим краник. Или уж малинка.

Edited by _abk_

Share this post


Link to post
Share on other sites
7 часов назад, _abk_ сказал:

:diablo:

Забудьте о своей идее. Любой фрикцион - это  секс для затягивающегося, и все это многократно проверено на практике.  Пара трения - вещь настолько непредсказуемая и неуправляемая, что даже в спокойном воздухе вы не обеспечите приемлемой равномерной тяги. Не говоря уже о засаде в виде электронного управления, хоть на чем сделанном.

Только гидравлический тормоз. Без вариантов. И - ручками, ручками крутим краник. Или уж малинка.

Слишком уж вы категоричны.

Гидравлика - хороший вариант для клуба. В качестве персональной лебедки с малым трафиком - сложно громоздко и дорого. Малинка - категорически не для наших мест. В наших краях имеется десяток фрикционных лебедок, активно эксплуатирующихся с середины прошлого (или уже позапрошлого) десятилетия. "Секс" у фрикциона обычно от его излишней мощности в сочетании с тянущимся тросом. Все это изучено еще при царе горохе, и с тех же пор известен ряд решений на этот счет, если уж совсем невмоготу.

Это тема для другого форума, давайте лучше здесь об электронике.

Share this post


Link to post
Share on other sites
13 часов назад, IMXO сказал:

Вы это серьезно???

3.  сколько модулей вы параллелить собрались , пусковой ток ДПТ может превышать номинальный в 5..7 раз при легком пуске до 10..15раз при тяжелом. длительностью 1..3с , для 40Вт ДПТ это 23..50А и драйвер его должен выдерживать....

Решил использовать модули на двух bts7960, они вроде как до 43А.

Share this post


Link to post
Share on other sites
3 hours ago, JozekQF said:

В наших краях имеется десяток фрикционных лебедок, активно эксплуатирующихся с середины прошлого (или уже позапрошлого) десятилетия.

Вау. Скажите, что это за края, где активно эксплуатируется десяток фрикционных лебедок? 

Share this post


Link to post
Share on other sites
1 час назад, _abk_ сказал:

Вау. Скажите, что это за края, где активно эксплуатируется десяток фрикционных лебедок? 

Калининградская область.

Есть в наших краях лишь одна гидропассивка. Это бандурина на крыше, шланги по салону, конская стоимость и специально купленный для нее автомобиль. При этом не безпроблемность в эксплуатации. Да, затягиваться на ней помягче и поприятнее. Но эта вишенка на торте не оправдывает всего головняка и расходов, когда речь идёт о лебедке индивидуального назначения и когда тебе не нужно, чтобы, условно, каждому чайнику, которых ты изо дня в день тягаешь пачками, было максимально комфортно, а необходимый тебе объем работы устройства может быть на пару порядков меньше.

Возьмёте мощный дисковый тормоз плюс малый диаметр барабана, чрезмерно эластичный трос, большая тяга  и сильный ветер - получите "секс" в достаточно дискомфортом проявлении. При более-менее правильном подходе он если и будет временами, то в виде исключения, небольшой и проблем не доставит.

Я надеюсь, мы друг друга поняли.

Edited by JozekQF

Share this post


Link to post
Share on other sites

Не забудьте потом рассказать, что получилось. Удачи вам и вашим клиентам.

Share this post


Link to post
Share on other sites
Guest jiu3er
2 часа назад, JozekQF сказал:

гидропассивка. Это бандурина

Или я чего-то не понимаю (F*V велико?), или тормозные режимы двигателей (электродвигателей!) законом запрещены?

А может электродинамический тормоз? Но с ним - одни потери. Уж лучше электродвигатель - с ним рекуперироваться можно (это если автомобиль с электротягой).

Share this post


Link to post
Share on other sites
1 час назад, _abk_ сказал:

Не забудьте потом рассказать, что получилось. Удачи вам и вашим клиентам.

Спасибо, обязательно, если, конечно, что-то получится. Клиентов нет, делаю для себя и собственного использования.

Share this post


Link to post
Share on other sites
3 часа назад, Гость jiu3er сказал:

Или я чего-то не понимаю (F*V велико?), или тормозные режимы двигателей (электродвигателей!) законом запрещены?

Разрешены, как и тормозные резисторы на крышах электровозов, но никто пока не решился воплотить сие в жизнь в данных конструкциях, на сколько мне известно. Ибо не освоено, сложно в сравнение с другими решениями и, скорее всего, будет несамодостаточно без применения доп. тормоза стандартной конструкции. Эксперименты на себя пока никто брать не захотел, хотя лично мне эта тема интересна. Тут уж проще поставить порошковую муфту: потребляет немного, работает почти как гидравлика плавно. Но тоже недешево для достаточной производительности экземпляров и не опробовано толком на практике.

У меня пока своей никакой лебедки нет, а нужна. Может быть потом, когда будет, и можно будет не торопясь поэксперементировать над чем-то подобным...

Share this post


Link to post
Share on other sites

Дополню предыдущий ответ:

Чтобы обеспечить усилие 100 кг на барабане диаметром 40 см и скоростью размотки 5 об/сек, нужно как-то снять и где-то рассеять, ни много ни мало, более 6 квт. Генератор при разумной редукции на такую мощность, да и потребитель, уже выглядят нетривиальной задачей. При том эти данные годны в качестве предельных только для одноместных парапланов и то - кому-то тяги может показаться маловато.

Share this post


Link to post
Share on other sites
5 минут назад, JozekQF сказал:

100 кг на барабане диаметром 40 см и скоростью размотки 5 об/сек

Для уменьшения габаритов тормозного устройства можно повысить обороты редуктором. Цепным, например, как самым простым и дешевым.

 

7 минут назад, JozekQF сказал:

Генератор при разумной редукции на такую мощность,

Гену заменить на алюминиевый диск с катушками возбуждения. У меня на моторном стенде стоит горный тормоз-замедлитель с обычным чугунным вентилируемым диском с диаметром на глаз около 300мм. Тормозит мотики в 50-150 квт. Непродолжительно, разумеется, но это без принудительного охлаждения. Обороты примерно как и на колесе.

Share this post


Link to post
Share on other sites
19 минут назад, Praktic сказал:

Для уменьшения габаритов тормозного устройства можно повысить обороты редуктором.

Я имел в виду диаметр барабана, на который трос намотан.

19 минут назад, Praktic сказал:

У меня на моторном стенде стоит горный тормоз-замедлитель

Какая моща нужна на возбуждение? Если там киловатты, то из розетки их взять куда проще, чем из бортовой сети, не говоря уже о том, что потребность в электроэнергии увеличивается в дополнение к энергии необходимой на смотку троса. Если я правильно представляю конструкцию, то выигрыш только в отсутствии отдельного потребителя, коим является диск, на котором рассеиваются токи Фуко.

В таком случае есть другой вариант: постоянные магниты с механически регулируемым зазором от того же диска. Применяется подобное в некоторых велотренажерах, например. Но тот же неодим не любит нагрева - раз, а обычные магниты вряд ли справятся, зазор надо регулировать автоматически в зависимости от оборотов, чтобы иметь постоянный момент - два. Рассчитать такое лично я не представляю как, а эксперименты с неизвестным результатом проводить недешево - три. Хотя если, например, применить масштабную модель...

Edited by JozekQF

Share this post


Link to post
Share on other sites
22 минуты назад, JozekQF сказал:

Я имел в виду диаметр барабана, на который трос намотан.

По-любому нужно иметь приемлемые обороты для эффективного торможения токами Фуко.

 

25 минут назад, JozekQF сказал:

Какая моща нужна на возбуждение? Если там киловатты

Не знаю, не замерял, но все данные есть применительно горного тормоза грузовиков. Если подобную конструкцию захочется применить, то экспериментировать придется по любому. Очень удобно производить динамометрические измерения в токарном станке. ))   Еще как вариант, это комбинированный тормоз. Основную нагрузку будет брать на себя инерционный, но экономичный обычный фрикционный тормоз с актуатором,   а все "тонкости управления" будет отрабатывать быстродействующий динамический тормоз.

Share this post


Link to post
Share on other sites

Join the conversation

You are posting as a guest. If you have an account, sign in now to post with your account.
Note: Your post will require moderator approval before it will be visible.

Guest
Reply to this topic...

×   Pasted as rich text.   Restore formatting

  Only 75 emoji are allowed.

×   Your link has been automatically embedded.   Display as a link instead

×   Your previous content has been restored.   Clear editor

×   You cannot paste images directly. Upload or insert images from URL.

Loading...

×
×
  • Create New...