Редукторный двигатель TT (DC)

Что это такое

Редукторный двигатель TT — это жёлто-синий двигатель в нижней части почти каждого первого робота на колёсах. Это небольшой коллекторный двигатель постоянного тока, закреплённый на пластиковом редукторе, с выходным валом с двумя D-образными гранями, который плотно входит в подходящее колесо. Купите два, добавьте платформу и опорный ролик — и получите робота, способного ехать и поворачиваться, поэтому именно он служит приводом первого робота, следующего по линии или объезжающего препятствия.

Сам по себе коллекторный двигатель постоянного тока вращается слишком быстро и слишком слабо, чтобы что-то переместить. Редуктор делает его полезным: он превращает это быстрое слабое вращение в медленное и сильное, необходимое колесу.

Как это работает

Внутри жёлтого корпуса происходят два процесса:

1. Двигатель преобразует электрическую энергию во вращение. Подайте напряжение на его два вывода — и он начнёт вращаться; измените полярность — и он будет вращаться в другую сторону. Более высокое напряжение означает большую скорость.
2. Редуктор снижает эту скорость. Передача ≈1:48 означает, что колесо делает примерно один оборот на каждые 48 оборотов двигателя. Скорость уменьшается, а момент увеличивается в том же отношении — это нужный компромисс: колесу требуется сила, а не момент. Подходит ли именно это передаточное число вашему роботу, можно определить расчётом до покупки: см. выбор редукторного двигателя постоянного тока.

Для управления одновременно выполняют два действия: задают направление, выбирая положительный вывод (это делает H-мост), и задают скорость с помощью PWM — быстро переключая питание, чтобы двигатель воспринимал среднее напряжение. Освойте эту пару в руководстве управление двигателями постоянного тока с помощью PWM и H-моста.

Когда его следует использовать

Выбирайте двигатель TT для любого лёгкого колёсного робота с небольшой скоростью: роботов, следующих по линии, объезжающих препятствия и проходящих лабиринт, а также для первой платформы с дифференциальным приводом. Он недорог, прощает ошибки, и каждое руководство для начинающих рассчитано на него.

Переходите к более мощному решению, когда это необходимо: установите энкодеры колёс, если требуется измерять расстояние и скорость для одометрии, или перейдите на двигатели с металлическими шестернями, когда робот станет тяжёлым или ему потребуется преодолевать подъёмы. Пластиковые шестерни ломаются при перегрузке.

Подключение и важные нюансы

• Никогда не подключайте его непосредственно к логическому выводу. Ток останова составляет около 1 A. Управляйте им через L298N или аналогичный H-мост, питаемый от батареи, а не от вывода 5 V Arduino.
• Два двигателя не будут одинаковыми. Даже одинаковый PWM редко обеспечивает идеально прямое движение; скорректируйте один двигатель в программном обеспечении или замкните контур регулирования скорости с помощью энкодеров.
• Учитывайте бросок тока и противоЭДС. При запуске двигатели просаживают напряжение питания, а при остановке возвращают напряжение. Разделите питание двигателей и логических схем, объединив их через общую землю, — см. питание робота.
• Согласуйте колесо с валом. Вал с двумя D-образными гранями правильно устанавливается только в такое же отверстие с двумя D-образными гранями; в круглом отверстии он будет проскальзывать.

Четыре числа в спецификации двигателя

Любой коллекторный двигатель постоянного тока характеризуется четырьмя величинами, причём они не независимы: вся кривая следует из двух из них.

Момент коллекторного двигателя постоянного тока уменьшается линейно с ростом скорости: от момента останова при нулевом RPM до нуля при скорости без нагрузки. Ток изменяется так же в обратную сторону. Отсюда следуют три важных практических следствия.

Максимальная мощность достигается при половине скорости. Мощность равна моменту, умноженному на скорость, а произведение двух линейных величин достигает максимума в середине диапазона. Двигатель TT при 6 V выдаёт наибольшую мощность примерно при 100 RPM.

Максимальный КПД достигается примерно при четверти момента останова, значительно выше пика мощности. Именно при этом режиме следует проектировать робот — не на пике мощности и тем более не около останова.

Ток останова, а не рабочий ток, является расчётным ограничением. Двигатель, спокойно потребляющий 150 mA, мгновенно начнёт потреблять 1 A, если колесо зажмётся на стене, а два остановившихся двигателя потребят 2 A. И драйвер, и батарея должны выдерживать эту нагрузку, потому что на роботе она возникает постоянно.

Выбор двигателя для робота

Расчёт занимает пять минут и заранее отвечает на большинство вопросов «мой робот слишком медленный».

Скорость. Окружность колеса × RPM ÷ 60 даёт метры в секунду:

65 mm wheel -> circumference = pi x 0.065 = 0.204 m
200 RPM     -> 200 / 60 = 3.33 rev/s
speed       = 0.204 x 3.33 = 0.68 m/s

Это скорость пешехода — примерно правильно для робота, следующего по линии, но довольно быстро для робота, проходящего лабиринт и останавливающегося на развилках.

Момент. Чтобы разогнать робот массой m с ускорением a, каждому из n приводных колёс необходим:

torque per wheel = m x a x r / n

Для робота массой 500 g с ускорением 0.5 m/s² на колёсах 65 mm (r = 0.0325 m) с двумя приводными колёсами:

= 0.5 x 0.5 x 0.0325 / 2 = 0.004 N.m = 0.041 kg.cm

При моменте останова 0.8 kg·cm это почти двадцатикратный запас, поэтому двигатели TT хорошо работают на лёгких роботах и большинству обычно не требуется выполнять этот расчёт. Выполняйте его, когда робот становится тяжёлым или должен преодолевать подъёмы.

Затем проверьте покрытие. Момент двигателя — лишь одно ограничение; вторым является трение. Лёгкий робот на гладком полу обычно достигает предела сцепления примерно при четверти момента останова, то есть большая часть возможностей двигателя вообще не достигает земли. Руководство усилие толкания и сцепление подробно объясняет, какое ограничение вы действительно достигаете.

Почему робот не едет прямо

Два двигателя TT с одинаковым PWM не обеспечат прямое движение, и это удивляет людей сильнее, чем следовало бы. Основные причины по убыванию влияния:

Последняя строка сбивает с толку, потому что проблема проявляется только на малой скорости. Робот, который хорошо держит траекторию на полной скорости и резко уклоняется при медленном движении, демонстрирует два разных порога трения покоя, а не ошибку рулевого управления.

Существуют два реальных решения. Коррекция в программном обеспечении — это коэффициент для каждого двигателя, найденный опытным путём: двигайтесь вперёд, измеряйте отклонение на 2 m, изменяйте коэффициент и повторяйте. Это быстро, но работает только при том напряжении батареи и на той поверхности, на которых выполнена настройка. Правильное решение — энкодеры и контур регулирования скорости, которые непрерывно корректируют движение независимо от состояния батареи.

Мёртвая зона и её значение

Ниже определённой скважности двигатель вообще не вращается — сначала необходимо преодолеть статическое трение щёток и передачи. Для двигателя TT это обычно скважность 20–35%, причём у двух двигателей из одной упаковки она различается.

Измерьте её:

// Ramp up slowly and note where each wheel starts.
for (int duty = 0; duty <= 255; duty += 5) {
  analogWrite(ENA, duty);
  Serial.println(duty);
  delay(500);                 // long enough to see it start
}

Затем скомпенсируйте её, чтобы небольшая команда вызывала небольшое движение, а не ничего:

const int DEADBAND_A = 65;    // measured, out of 255

int applyDeadband(int speed) {
  if (speed == 0) return 0;
  int sign = (speed > 0) ? 1 : -1;
  return sign * map(abs(speed), 1, 255, DEADBAND_A, 255);
}

Без этого нижняя четверть диапазона регулирования вообще ничего не делает, из-за чего контур ПИД-регулятора (PID) ведёт себя у заданного значения крайне странно: небольшие коррекции буквально не действуют, пока накопленная интегральная составляющая не превысит порог, после чего робот дёрнется.

Диагностика

Двигатель TT или что-то другое?

Один совет при покупке предотвращает больше всего переделок: если думаете, что энкодеры могут понадобиться, сразу покупайте двигатели с энкодерами. Их установка требует разборки привода, а разница в цене составляет несколько долларов на двигатель. Почти каждый проект, который начинается с робота, следующего по линии, и вырастает до решения лабиринта, сталкивается с этим.