Ветряная мельница с активным управлением: 5 ступеней

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:47

Это руководство было создано во исполнение требований проекта Makecourse в Университете Южной Флориды (www.makecourse.com).

Мне нужно было выбрать проект, который нужно спроектировать и построить с нуля. Я решил, что хочу попробовать построить ветряную мельницу, которая чувствует направление ветра и активно встречает его, не нуждаясь в крыльях или хвосте. Поскольку в этом проекте я сосредоточился на комбинации датчика и ПИД-регулирования, ветряная мельница ничего не делает с энергией, которая вращает лопасти. Не стесняйтесь изменять дизайн, чтобы он был более полезным! Дальнейшее - не единственный способ его создания. По пути мне пришлось решить несколько непредвиденных проблем, и это привело к тому, что я использовал разные материалы или инструменты. Несколько раз я обходился запчастями, которые были под рукой, или извлеченными из старых приборов или техники. Итак, опять же, не стесняйтесь двигаться зигзагами, куда я заглянул. Чтобы полностью задокументировать этот проект, мне пришлось бы эффективно уничтожить мой проект, чтобы предоставить изображения каждого шага сборки. Я не хочу этого делать. Вместо этого я предоставил 3D-модели, список материалов и полезные советы, которые я усвоил на собственном горьком опыте.

Запасы:

Я включил код Arduino и файлы Autodesk. Вам также понадобится следующее: Инструменты:

-Небольшой труборез-Паяльник, припой, флюс-Отвертки-Сверло-Бритва, нож для резки труб или точный нож-Пистолет для горячего клея- (опционально) тепловой пистолет

Материалы:

-24 дюйма алюминиевой трубки диаметром 0,25 дюйма (я получил свою от Mcmaster-Carr) -Arduino Uno-28BYJ48 Stepper-шаговый контроллер ULN2003- (вариант 1) Щит двигателя силы тяжести и датчик эффекта Холла от DfRobot- (вариант 2) любой другой аналоговый датчик вращения-3 + свинцовые токосъемники или блинное кольцо-коробчатые подшипники для носовой сборки-винты-дерево для платформы-аккумуляторы (я использую 9 В для платы и питаю шаговый двигатель с 7,8 Li-Po) -RC плоские толкатели (подойдет любая жесткая проволока небольшого диаметра).

Шаг 1: моделируйте ветряную мельницу

Я использовал Autodesk Inventor Student edition для моделирования этого проекта ветряной мельницы. Я включил файлы stl в это руководство. Если бы я сделал это снова, я бы резко увеличил площадь поверхности моих лезвий, чтобы они работали лучше в этом масштабе. При моделировании проекта следует иметь в виду, что масштаб ваших деталей зависит от разрешения / допусков вашего доступного принтера. Убедитесь, что вы масштабируете свою модель так, чтобы она соответствовала всем необходимым датчикам или другому бортовому оборудованию.

Кроме того, я обнаружил, что соображения прочности заставили меня использовать отдельные изделия, такие как алюминиевые трубы, для конструктивных деталей. Я купил свои подшипники в Mcmaster-Carr, и у них была их 3d модель, которую я использовал, чтобы сделать крепление, которое очень хорошо им подходит.

Я обнаружил, что рисование деталей до того, как я попытался их смоделировать, помогло ускорить процесс, а также уменьшило количество корректировок, которые мне нужно было внести, чтобы заставить части работать вместе.

Шаг 2: Соберите отпечатки

Удалите заусенцы на опорных поверхностях; при необходимости также отшлифуйте их.

Я использовал тепло (осторожно!), Чтобы выпрямить пару лопастей, которые погнулись при охлаждении.

Не торопитесь вставлять оборудование в их монтажные слоты / отверстия.

Как только конструкция будет собрана, добавьте свои датчики и электронику. Я приклеил электронику на место внутри проектной коробки и использовал паяльник, чтобы «приварить» крепление датчика к его монтажному отверстию в корпусе.

Шаг 3: соберите электронику

Убедитесь, что у вас есть хорошие связи со всем. Без оголенного провода; отсутствие потенциальных коротких замыканий.

Убедитесь, что ваш датчик надежно закреплен.

Обратитесь к коду, чтобы определить, какие контакты где подключены. (т.е. провода шагового двигателя или аналоговый провод датчика.)

Я запитал двигатель от внешнего источника, а не через плату Arduino. Я не хотел повредить плату, если двигатель потребляет большой ток.

Шаг 4: запрограммируйте Arduino

Программа и схема управления с обратной связью являются ядром этого проекта. Я приложил код Arduino, и он полностью прокомментирован. При настройке ПИД-регулятора я обнаружил, что мне было бы легче, если бы я сделал следующее: 1) Установите все коэффициенты усиления ПИД-регулятора на ноль. 2) Увеличивайте значение P до тех пор, пока реакция на ошибку не станет устойчивой осцилляцией. 3) Увеличивайте значение D, пока колебания не исчезнут. 4) Повторяйте шаги 2 и 3 до тех пор, пока не перестанете улучшаться.

5) Установите P и D на последние стабильные значения. 6) Увеличивайте значение I до тех пор, пока оно не вернется к уставке без ошибки установившегося состояния.

Из-за механической конструкции я создал функцию мертвой зоны для отключения питания двигателя при правильной ориентации ветряной мельницы. Это резко снижает нагрев шагового двигателя. Перед этим я запустил его, и он стал достаточно горячим, чтобы деформировать платформу башни и упасть с нее.

Узел лезвия не сбалансирован идеально и достаточно тяжелый, чтобы вызвать колебание узла поворота. Колебание, по сути, дает ложную информацию о датчике процессу PID и добавляет шум, вызывая избыточное движение и, следовательно, нагрев.

Шаг 5: станьте инженером

Как только все будет собрано и запрограммировано, найдите веер или тропический шторм и испытайте свое творение! Частью удовольствия от создания этого было выяснение того, как решить возникающие проблемы. По этой причине в данном руководстве нет подробностей. Кроме того, если вы попытаетесь создать это и найти лучшие решения, чем я, пожалуйста, поделитесь ими. Мы все можем учиться друг у друга.