Potentiometer-Feedback von einem Linearantrieb mit Video

Potentiometer

Potentiometer, bei denen es sich um variable Widerstände handelt, werden in Linearantrieben verwendet, um eine Positionsrückkopplungsbasis für die Änderung ihres Widerstands bereitzustellen. Linearantriebe, die Potentiometer zur Rückmeldung verwenden, wie unsere Rückkopplungsstangen-Linearantrieb, besteht aus den 3 zusätzlichen Drähten wie unten gezeigt, Draht 1 für die Eingangsspannung, Draht 2 ist der Variable Widerstand und Draht 3 ist für Masse. Sie können den Ausgang der Potentiometer ablesen, indem Sie die Spannung zwischen Draht 2, Ausgang und Masse messen, um die absolute Position des Linearantriebs anzuzeigen. Um dieses Feedback nutzen zu können, müssen Sie einen Mikrocontroller wie einen verwenden Arduino, um diesen Positionswert zu lesen, während sich der Aktuator bewegt.

Potentiometerverkabelung

Positionsrückmeldung von einem Potentiometer

Wenn sich der variable Widerstand des Potentiometers ändert, wenn sich der Linearantrieb bewegt, ändert sich die Spannungsdifferenz zwischen Draht 2 und Masse. Aus diesem Grund kann die Rückmeldung problemlos in der Software eines Controllers wie eines Arduino verarbeitet werden, da Sie einfach die Ausgangsspannung von Kabel 2 mit Masse vergleichen können. Bei Verwendung eines Arduino kann dies einfach mithilfe eines Analog-In-Pins eines Mikrocontrollers und mithilfe der Funktion analogRead () zum Ablesen der Spannung von Draht 2 erfolgen. Ein Beispiel für den Anschluss eines Arduino an einen Linearantrieb mit Potentiometer-Rückmeldung wird gezeigt unten.

 

Das Analogon in Stiften der Arduino sind Analog-Digital-Wandler (ADC), die die analoge Spannung an Draht 2 in einen 10-Bit-ADC-Wert zwischen 0 und 1023 umwandeln. Ein 10-Bit-ADC-Wert bedeutet, dass der Wandler das analoge Signal in übersetzt 2 ^ 10 oder 1024 unterschiedliche Werte im Bereich von 0 bis 1023. Nicht alle Mikrocontroller sind 10-Bit-ADC, einige sind 8-Bit- oder 16-Bit-ADC, und je größer die Anzahl der Bits ist, desto größer ist die Auflösung des ADC. Nachdem Sie das analoge Signal in einen digitalen Wert umgewandelt haben, müssen Sie den genauen analogen Bereich Ihres speziellen Linearaktuators ermitteln, um einen Positionswert in Bezug auf die Hublänge (z. B. Zoll) zu ermitteln, da dieser möglicherweise nicht zwischen 0 und 0 liegt 1023. Dies liegt daran, dass das Getriebe im Stellantrieb verhindert, dass sich das Potentiometer vollständig bis zu seiner Grenze dreht, und dass Sie diesen Bereich manuell bestimmen müssen. Für das folgende Codierungsbeispiel wird die 4-Zoll-Hublänge Linearantrieb für Rückkopplungsstange hatte einen analogen Wert von 44 bei 0 "und einen analogen Wert von 951 bei 4". Mit diesen Werten können Sie Verhältnisse verwenden, um den Wert für die Hublänge wie folgt zu bestimmen:

Verhältnis Formel

Dies kann wie im folgenden Codierungsbeispiel in Strichlänge = 0,00441 * (Analogwert - 44) vereinfacht werden. Wie oft Sie diesen Analogwert im Code Ihres Mikrocontrollers lesen, ist ein weiterer wichtiger Gesichtspunkt. Im folgenden Codebeispiel liest der Arduino das Potentiometer und aktualisiert den Positionswert, solange sich der Aktuator bewegt. Sie können aber auch interne Timer verwenden, um den Positionswert über ein festgelegtes Zeitintervall zu aktualisieren, oder Sie können einfach die Potentiometer-Lesefunktion in die Hauptschleife des Codes einfügen und den Positionswert kontinuierlich aktualisieren. Letzteres wird jedoch nicht empfohlen, wenn Sie Ihren Controller zur Ausführung mehrerer einzelner Funktionen verwenden möchten.

https://gist.github.com/OMikeGray/4dec9e075a8fe41efaea001fa1e98d70

Umgang mit elektrischem Rauschen

Ein Nachteil der Rückmeldung vom Potentiometer besteht darin, dass es durch elektrisches Rauschen beeinträchtigt werden und Ihren Positionswert instabil machen kann. Eine Möglichkeit, dies zu überwinden, besteht darin, ein digitales Filter zu verwenden, um das elektrische Rauschen zu entfernen und stabile Ergebnisse zu erzielen. Es gibt nur wenige verschiedene Filtertypen, die von Exponentialfiltern bis zu Hochpass- und Bandpassfiltern mit jeweils eigenen Vorteilen verwendet werden können. Bei vielen Anwendungen mit Linearantrieben funktioniert jedoch einfach die Verwendung eines laufenden Durchschnitts des Positionswerts. Ein laufender Durchschnitt ist einfach der Durchschnitt der letzten X Messungen, um das Eingangssignal zu glätten. Die genaue Anzahl der Messungen, die Sie mitteln möchten, hängt von Ihrer Anwendung ab. Möglicherweise müssen Sie mit dieser Anzahl herumspielen, um festzustellen, was am besten funktioniert. Ein paar Dinge, die Sie beachten sollten: Wenn Sie im Durchschnitt zu wenige Messungen haben, ist Ihr Signal immer noch verrauscht. Wenn Sie jedoch zu viele Messungen haben, bleiben Ihre Ergebnisse zu weit hinter der tatsächlichen Position des Stellantriebs zurück, um verwendet werden zu können. Es wird ein Gleichgewicht zwischen zu wenigen und zu vielen Messungen gefunden, die Ihren Filter effektiv machen. Unten sehen Sie eine grafische Darstellung der Wirkung eines laufenden Durchschnittsfilters gegenüber dem tatsächlichen Eingangssignal.

Gefiltertes vs ungefiltertes Signal

Der zur Implementierung des laufenden Durchschnitts verwendete Code ist unten dargestellt. Er verwendet einen Durchschnitt von 3 Messungen, um das Eingangssignal zu glätten. Drei Messungen wurden ausgewählt, da das tatsächliche Eingangssignal nicht viel Rauschen aufwies und daher nur wenige Messungen erforderlich waren, um den Wert zu glätten. Wenn das Eingangssignal mehr Rauschen enthält, ist eine größere Anzahl von Messungen erforderlich. In Situationen, in denen viele induktive Komponenten (d. H. Motoren) vorhanden sind, ist elektrisches Rauschen ein viel größeres Problem.

https://gist.github.com/OMikeGray/b13f156c080a100a89e5bbd541d0565e

Feedback für die Automatisierung nutzen

Das Tolle an der Implementierung von Feedback in Ihr Design ist, dass Sie damit ein selbstautomatisiertes System erstellen können, das weiß, wo sich eine bestimmte Eingabe befindet. Um die Rückmeldung des Potentiometers in einem automatisierten System zu nutzen, können Sie einfach die gewünschte Länge Ihres Linearantriebs mit der tatsächlichen Position vergleichen, die das Potentiometer angibt. Dann müssen Sie einfach Ihren Aktuator anweisen, entsprechend ein- oder auszufahren. Obwohl die Verwendung von Potentiometer-Feedback in einem automatisierten System einige Probleme aufweist, die Sie möglicherweise überwinden müssen. Eines ist das oben diskutierte Problem des elektrischen Rauschens, das andere ist in der Lage, wiederholbare Ergebnisse zu erzielen. Da Potentiometer im Vergleich zu den anderen Rückkopplungsoptionen im Allgemeinen nicht so empfindlich auf kleinere Bewegungen des Linearaktuators reagieren, ist es schwieriger, präzise wiederholbare Ergebnisse zu erzielen. In der Praxis bedeutet dies, dass Sie eine Fehlerquote um Ihre gewünschte Position haben, die für Ihre jeweilige Anwendung akzeptabel sein kann. Wenn Sie keine sehr genauen Positionierungen benötigen oder einen manuellen Schalter durch einen Mikrocontroller ersetzen, um Ihr System zu automatisieren, ist die Positionsrückmeldung von einem Potentiometer genau genug für Sie. Wenn Sie eine genaue Positionierung von Ihrem Linearantrieb benötigen, müssen Sie dies möglicherweise berücksichtigen andere Feedback-Optionen für Ihren Linearantrieb oder fügen Sie zusätzliche Komponenten hinzu, um zuverlässigere Ergebnisse zu erzielen. Diese Komponenten umfassen Sensoren oder externe Endschalter Dies kann Ihnen einen besseren Indikator für die absolute Position geben.

Wenn Sie mehrere Linearantriebe steuern, können Sie auch keine wiederholbaren Ergebnisse erzielen. Da das Ausgangssignal des Potentiometers leicht durch elektrisches Rauschen, einschließlich des elektrischen Rauschens der anderen Aktuatoren, beeinflusst wird und von der Eingangsspannung des Potentiometers abhängt, kann es schwierig sein, sicherzustellen, dass sich mehrere lineare Aktuatoren gleichzeitig bewegen. Die Verwendung digitaler Filter, die Gewährleistung einer stabilen Eingangsspannung des Potentiometers und die Ableitung der Ausgangssignalkabel von anderen induktiven Komponenten tragen zu wiederholbareren Ergebnissen bei. Wenn Sie jedoch mehrere Aktuatoren gleichzeitig betreiben möchten, ist es möglicherweise besser, die zu überprüfen andere Feedback-Optionen für Linearantriebe.

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