Motorredutor com encoder N20

O que é

O N20 é o pequeno motorredutor de engrenagens metálicas que aparece sempre que um robô precisa de torque real em muito pouco espaço. O motor sem redutor tem aproximadamente o tamanho de uma bateria AA; a caixa na frente troca sua velocidade muito alta por torque utilizável e, na versão com encoder, um disco magnético no eixo traseiro informa até onde ele girou.

Essa última parte é o que garante um lugar ao componente em um robô autoequilibrado. Sem realimentação das rodas, um robô autoequilibrado pode permanecer ereto, mas não sabe onde está—mantém a vertical perfeitamente enquanto percorre a sala. O encoder fecha essa lacuna.

Por que a caixa de engrenagens metálicas importa aqui

Um motorredutor com caixa plástica, como o motorredutor TT, é perfeitamente adequado a um seguidor de linha, que quase sempre avança. Um robô autoequilibrado representa uma carga diferente: inverte de direção continuamente, centenas de vezes por segundo e em incrementos pequenos.

Toda caixa de engrenagens tem folga—uma pequena zona morta em que as engrenagens se desencaixam e a saída não se move até os dentes voltarem a se encaixar do outro lado. Em uma caixa plástica, essa zona morta é grande; em um robô autoequilibrado, ela fica exatamente onde a correção mais importa: no instante da inversão, quando as rodas precisam responder agora. O resultado é um robô que oscila em torno da vertical e nunca se estabiliza completamente, por mais cuidadosamente que os ganhos sejam ajustados.

Engrenagens metálicas não eliminam a folga, mas a reduzem o suficiente para que a malha consiga cumprir sua função. A folga restante pode ser medida em cerca de dez minutos—veja como.

Lendo o encoder

O encoder produz duas ondas quadradas defasadas em 90°—quadratura padrão. A relação de fase informa a direção; contar as bordas informa a distância.

As cores dos fios variam entre fornecedores; portanto, consulte a ficha do produto em vez de presumir. O erro mais traiçoeiro é alimentar o encoder pela trilha dos motores: o encoder precisa de uma alimentação lógica limpa, e alimentá-lo com a tensão do motor pode danificá-lo ou preencher as contagens com ruído toda vez que o motor comuta.

Conecte o canal A a um pino compatível com interrupções. Consultar um encoder em loop() em um robô autoequilibrado perde contagens, e contagens perdidas fazem a malha externa perder lentamente o rastreamento da posição do robô.

Escolhendo uma relação

A relação de redução define o equilíbrio entre torque e velocidade, e um robô autoequilibrado precisa dos dois:

• Relação alta demais (1:250 ou mais) oferece torque suficiente, mas as rodas não giram rápido o bastante para recuperar um corpo em queda.
• Relação baixa demais (1:30 ou menos) gira rápido, mas não consegue mover a massa do robô com força suficiente.

Cerca de 1:100 a 12 V—aproximadamente 200 RPM—é um ponto de partida confiável para um robô pequeno. Se o seu se recupera de pequenas perturbações, mas perde as maiores, você provavelmente precisa de mais velocidade, não de mais ganho.

Acionando-o

Combine o N20 com um TB6612FNG, não com um L298N. O motivo é a queda de tensão: o L298N perde cerca de 2 V em seu estágio de saída, portanto uma parte grande da potência da bateria nunca chega ao motor, e pequenos comandos de correção ficam abaixo da tensão mínima necessária para movimentá-lo. Em um robô autoequilibrado, essa zona morta fica exatamente onde existem as correções finas.

Alimente-o com um conjunto de baterias capaz de fornecer a corrente de travamento dos dois motores ao mesmo tempo sem que a tensão caia—uma queda de tensão reinicia o microcontrolador no meio de uma correção, e o robô cai por motivos que não têm relação com a malha de controle.

Calculando as contagens por volta da roda

Este é o número de que depende todo cálculo de distância, e também aquele que as pessoas erram com mais frequência—normalmente por um fator de quatro.

contagens por volta da roda = PPR x 4 x relação de redução

O encoder magnético fornece 7 pulsos por volta do motor em cada canal. Quadratura significa dois canais defasados em 90°, o que produz quatro bordas contáveis por ciclo de pulso. E a caixa de engrenagens faz o motor girar várias vezes a cada volta da roda.

A distância é calculada diretamente:

mm por contagem = (pi x wheel_diameter_mm) / counts_per_revolution

Há duas armadilhas nessa primeira fórmula. O ×4 só é correto se você realmente contar quatro bordas—as duas bordas de cada canal. Muitos códigos de exemplo contam apenas bordas de subida no canal A, o que equivale a ×1; usar uma constante ×4 com contagem ×1 torna toda distância incorreta exatamente por um fator de quatro. E a relação de redução impressa no motor muitas vezes é aproximada: um N20 “1:100” frequentemente é 1:99,5 ou 1:100,37. Para odometria em qualquer distância, calibre empiricamente: empurre o robô exatamente 2 m e divida.

Contando as bordas sem perder nenhuma

A 200 RPM através de uma caixa 1:100, o eixo do motor gira a 20.000 RPM, fornecendo 20000/60 × 7 × 4 ≈ 9300 edges per second per motor. Dois motores somam quase 19.000 interrupções por segundo, e isso é em velocidade máxima, sem carga.

O manipulador da interrupção precisa ser realmente pequeno:

volatile long countL = 0;

// Full x4 decoding, table-driven. Both channels, both edges.
const int8_t QUAD_TABLE[16] = {0,-1,1,0, 1,0,0,-1, -1,0,0,1, 0,1,-1,0};
volatile uint8_t prevL = 0;

void isrLeft() {
  uint8_t now = (digitalRead(ENC_L_A) << 1) | digitalRead(ENC_L_B);
  countL += QUAD_TABLE[(prevL << 2) | now];
  prevL = now;
}

void setup() {
  pinMode(ENC_L_A, INPUT_PULLUP);
  pinMode(ENC_L_B, INPUT_PULLUP);
  attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(ENC_L_A), isrLeft, CHANGE);
  attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(ENC_L_B), isrLeft, CHANGE);
}

long readCount() {           // long is not atomic on an 8-bit AVR
  noInterrupts();
  long v = countL;
  interrupts();
  return v;
}

Três detalhes importam:

volatile e uma leitura atômica. Um long ocupa quatro bytes em um AVR e é lido um byte por vez. Uma interrupção no meio da leitura fornece um valor com metade do dado antigo e metade do novo—o que produz um salto enorme ocasional na odometria, aleatoriamente, aproximadamente uma vez a cada alguns milhares de leituras.

A tabela de consulta decodifica a transição em vez de adivinhar a direção a partir de um único canal. Ela também rejeita naturalmente transições inválidas (os dois bits mudando simultaneamente, o que indica que uma borda foi perdida) e contribui com zero.

Pressão sobre os pinos. A decodificação completa ×4 em dois motores precisa de quatro pinos compatíveis com interrupções, e um Arduino Uno tem exatamente dois. As opções são: usar decodificação ×2 (um canal por motor, CHANGE), o que reduz a resolução à metade e ainda fornece a direção; mudar para uma placa com mais pinos de interrupção, como um Mega ou ESP32; ou usar interrupções por alteração de pino, suportadas por todos os pinos AVR, mas que exigem tratar uma porta inteira de uma vez.

Velocidade a partir das contagens

Posição é uma contagem. Velocidade exige uma diferença ao longo do tempo, e a forma de calculá-la determina se a malha de controle é utilizável.

long lastCount = 0;
unsigned long lastMicros = 0;

float speedMmPerSec() {
  long   c  = readCount();
  unsigned long t = micros();

  float dt = (t - lastMicros) * 1e-6f;
  if (dt < 0.005f) return lastSpeed;        // too short: quantisation dominates

  float mm = (c - lastCount) * MM_PER_COUNT;
  lastCount = c; lastMicros = t;

  lastSpeed = mm / dt;
  return lastSpeed;
}

A proteção dt é a linha importante. Amostrar rápido demais significa dividir uma diferença de uma ou duas contagens por um intervalo minúsculo; o erro de quantização domina e a “velocidade” é principalmente ruído—um termo derivativo em uma malha PID ampliará esse ruído.

Existem duas maneiras honestas de medir a velocidade com um encoder, adequadas a extremos diferentes da faixa. Contar bordas em uma janela fixa (o código acima) funciona bem em alta velocidade e mal em baixa, quando chegam poucas bordas por janela. Cronometrar o intervalo entre bordas faz o contrário: é excelente em baixa velocidade e ruidoso em alta. Um robô que precisa das duas extremidades normalmente alterna entre os métodos a partir de um limiar.

Solução de problemas

N20 ou motorredutor TT?

O fator decisivo raramente é o torque; quase sempre são a folga e a realimentação. Um seguidor de linha avança quase sempre e é orientado por um sensor que observa o piso—nunca percebe a folga da caixa, e um motor TT é a resposta certa e barata. Um robô autoequilibrado inverte de direção centenas de vezes por segundo em incrementos minúsculos; portanto, a zona morta de cada inversão é exatamente onde sua correção precisa atuar, e engrenagens plásticas tornam a malha instável, qualquer que seja o ajuste.

A mesma lógica vale para um solucionador de labirinto: ele navega contando a distância percorrida, portanto a perda de movimento em cada curva se acumula diretamente em um erro de posição.

Onde é usado

• Robô autoequilibrado — os motores de tração, com os encoders alimentando a malha externa de posição