无线控制蠕动泵
m24h2024/03/22原创 极客DIY IP:上海
中文摘要
蠕动泵
ESP32-C3

一直想做点小玩意 今天在路上忽然想到这个 很久以前买了两个便宜(才10块钱)的12V卡默尔蠕动泵 一直没有用处(其实现在也是)但还是装起来吧 也许什么时候养鱼用得到

手上正好有个同样吃灰的ESP32-C3 以及一个厂商送错货不带电荷泵的OLED 它也需要12V电压

蠕动泵动力是普通12V 5W马达 用手上多余的A4950驱动 打算回去看看 能不能加上码盘测速 如果不能就只能控制PWM/电流参数了 另外一个可能性是通过监测马达电流变化得到转速 但是目前还没有研究 暂保留可能性

OLED I2C需要2路IO 编码器旋钮需要3路(按钮同时做boot下载键) 马达控制每通道需要4路(正反转和电流PWM控制和测速)可是ESP32-C3刨去USB接口 最多只剩下13(?我已经数糊涂了)路 所以可能需要用74595扩展一下输出IO 它本身需要3路IO 于是只需要10路 还可以扩展出工作状态灯和告警端口

除了前面板OLED和旋钮控制 还提供USB CDC 一个telnet端口 以及网页服务 来控制和获取状态

可以立即/计划性的起停 控制正反转流速 还剩一个输入口 也许还可以加上液体检测和预抽功能 

没有特别要求性能的功能 应该用micropython就能实现

为了安全 盒子内应该不设置高压电源转换 使用外部提供的12-15V安全电压 考虑到WiFi耗电大 应该内置一个能提供1A电流以上的开关DC/DC 正好手上也有多余的SY8291ABC

嗯 感觉所有元件都有 不用新买 可谓道法自然

----------

回家想想 觉得还是麻烦了 去掉基本用不到的反转功能 直接PWM方式控制电机 用AO3400驱动 这样 不用74595扩展IO了 

[修改于 1个月5天前 - 2024/03/23 03:01:04]

来自:综合交流区 / 极客DIY
11
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~~空空如也
m24h 作者
1个月5天前 修改于 1个月5天前 IP:上海
930444

主要东西堆一块 估计用个100X60X80的盒子可以放下

fotor_1711129892514.jpg

OLED是GME64128-01 0.96寸 驱动是SH1107 低压部分 2.4-3.5V 高压部分7-16V

IM1=1时候 使用I2C方式 D0=SCL D1=SDA DC为0使用0x3C地址 (DC为1则是0x3D)

RES和CS应该都是低电平有效

VCOMH对地接4.7uF IREF对地推荐接750kOhm

IMG_20240323_022551.jpg

电源可以用12V 2A的以前可能某老路由器的 电路设计时应串上一个二极管防止反接

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m24h作者
1个月5天前 IP:上海
930454

现在开发板都倒逼模组了么 感觉开发板更便宜 而且便宜得也有道理 

考虑到此次电路简单 而且空间非常充裕 (我下单了一个大的防水盒子 打算加工作为外壳)我打算珍藏起模组给更加紧凑的用途 

优惠券一领就两张 于是顺手又买了个ESP32-S2开发板

Screenshot_2024-03-23-16-18-33-611_com.taobao.litetao-edit.jpg

我买的防水盒还是透明盒盖的 这次要暴露内部的杂乱了 但是可以避免开显示的窗口 增加防水能力

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大仙
1个月4天前 IP:江苏
930464

直接刷tasmota 固件就可以。

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m24h作者
1个月2天前 修改于 26天21时前 IP:上海
930506

先设计了马达的PWM驱动和光电转速检测线路 有可能装上LED以显示是否工作

sch.png pcb.png 3D.png

实际做出来发现 马达后出轴实在太短了 码盘还是不好装 。。。可能会想办法延长一下 

fotor_1711370289592.jpg

---------3.31-------

今天把元件焊上去了 发现自己糊涂了 没有给12V设计滤波电容 这可能让12V马达供电的电源线上出现浪涌电压而损坏电路 所以直接在电路上补救 上了个4.7uF/25V的电容(开源上传时会直接上修改后的版本)

需要注意的是 卡默尔的电机 标红点为正极 但我两块板 有一块是电机正负极反接的 这样到时候 会安排成左边通道逆时针蠕动 右边通道顺时针蠕动 方便安排管线 比如都从下方取液 分别向左外 右外输送

fotor_1711894859492.jpg

码盘通过焊接方法上去了 空间也够了

具体方法是用(可能是氯化锌)酸性助焊剂让马达后轴上锡 一滴就足够了 实际上很小的一滴 停留一段时间后 直接烙铁上锡 然后用洗板水洗干净 防止残留助焊剂导致腐蚀

而码盘中间打过铜铆钉 也上锡 而铆钉可以很好地传热 还垫高了一个高度 对好位置后 在背面用烙铁就很容易把码盘焊上去

IMG_20240331_222748.jpg

后来想了下 如果有合适的薄铜片或者不锈钢片 剪出样子也可以焊上去当码盘用 还可以折弯得到合适的空间

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m24h作者
26天19时前 修改于 24天22时前 IP:上海
930705

显示部分

sch.png pcb.png 3D.png

嗯  C1 C2 都应该是16V的 也需要到时候改改

------------4.2-------

元件焊上 反折OLED过去 用导热硅胶粘好

IMG_20240402_213912.jpg

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量子隧道
26天9时前 IP:广东
930715

撸主,你的电机调速区间大吗?是否需要在比较低的转速范围,比较精确地控制转速?

这种粗糙的转速传感器我曾经试过,由于角分辨力极低,闭环后在低速区间的控制很差,转速忽大忽小的。改成几百线的后低速控制就很好了。

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大仙
26天7时前 IP:广东
930718
引用量子隧道发表于6楼的内容
撸主,你的电机调速区间大吗?是否需要在比较低的转速范围,比较精确地控制转速?这种粗糙的转速传感器我曾...

这种电机调速精度一般,你肯定不能和那种无刷,步进比的,成本低就只能这样了。

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m24h作者
26天2时前 修改于 26天2时前 IP:上海
930722
引用量子隧道发表于6楼的内容
撸主,你的电机调速区间大吗?是否需要在比较低的转速范围,比较精确地控制转速?这种粗糙的转速传感器我曾...

其实我觉得对这种应用 转速稳定性不是很重要 关键是计数量 你想想 远比手动去滴 甚至比那种玻璃四氟之类的阀好控制多了 更别提那些压胶管的东西 说实在的 至少比大多数没有控制的好 实际上 原本我打算如果码盘装不上 就只能靠计时方式控制 和大多数实用蠕动泵一样

而且精度也比想的高 转一圈 计数实际可以有4次 一次计数 蠕动距离仅仅是电机轴周长的1/4 对一般应用足够了


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m24h作者
24天21时前 修改于 19天0时前 IP:上海
930768

连接图  .... 感觉确实令人头疼 如果用模块 同时把OLED和旋转开关放一块电路板上 能省一半线吧

好想搭个漂亮的棚 但我觉得做不到 因为安装是立体的 而且有装盒的问题 除非有双画鼻烟壶的手

不得不说 这个开发板确实良心 不光便宜 而且还比普通模组省出3根GPIO口 但我还是尽量没有去用

话说这个绘图风格我第一次 感觉不错

sch.png

------2024.4.8----

接好线

fotor_1712574333777.jpg

我想吐槽的是 这个DC/DC老早之前买的 为个24V电源提供12V风扇用 但是它调压变位器选择太不合理 对应的分压电阻只是1k左右 变位器却是10k的 结果虽然电位器是多圈的 但是有用的范围仅仅在一圈内 而且输出不稳定 所以直接算了个阻值 用固定电阻代替了

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m24h作者
18天22时前 修改于 18天22时前 IP:上海
931028

盒子早就准备好了 也开好了孔 

fotor_1712577547558.jpg

需要注意的是 这个盒盖看起来是可转位的 其实不是 有榫卯结构限制了它的方向 而盒盖某处是有些图标的 需要避开 所以开孔位置也有些讲究

为了尽量防水 在安装电机面板的时候 对接口处预涂了导热硅胶(如果正规的做法 应该是用橡胶垫片 但是太麻烦了) 安装电机时候 也涂了硅胶 (都不等干就安装好) 这里得安利一下天目导热硅胶 除了导热好 干得也快 要去除也容易 

IMG_20240408_200543.jpg

编码器旋钮安装处也用了硅胶防水 而后面电源插口 有配套的防水橡胶 就不用多事了

简化了电源保护 没有用保险丝和稳压二极管 只用了个1N5822防止电压反接 也没有引出个USB口 因为可以用webrepl开发 实在不行 开发时打开盒盖往里面插根USB线也不难

装起来是这样的 目前用胶带固定的东西 等OLED能点亮 电机能控制 最终都会用硅胶固定 浓浓的DIY风

fotor_1712576979274.jpg

嗯 显示工作状态的发光二极管还没弄上 也等差不多完工了再说 

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m24h作者
18天2时前 修改于 8天8时前 IP:上海
931069

尝试计算一下电机运行情况 有刷电机太复杂 不考虑火花放电和线圈切换 假设其模型是R+L+U串行 U是某转速下反电动势是不变量 V是供电电压

$\dot I=(V-U-IR)/L$

I应该是$a+be^{ct}$形式

$ \dot I=bce^{ct}=(V-U-R(a+be^{ct}))/L$

所以 V-U-Ra=0 -> a=(V-U)/R

----路上又发现 从这里开始推导有问题 少了个L 只能再来!!! 不好意思 下面是更正过的---

且 -Rb/L=bc -> c=-R/L

设边界条件 $I_{t=0}=I_0$ 则$a+b=I_0 -> b=I_0-(V-U)/R$

令$I_m=(V-U)/R$是PWM导通时候最大电流 而PWM关断时忽略续流二极管压降 $I_m=-U/R$

最终 $I=I_m+(I_0-I_m)e^{-R/L*t} $

当PWM关断时 由式子可知电流会负 但是续流的是二极管 这不可能 最多到电流为0 这时候不再有电流给电机提供力矩 有个断流时间

我测过电机 L=6mH R=12Ohm 供电12伏 电机号称空载3200RPM 实际观测 在上蠕动管带空气时候 远小于这个转速 只有1/10左右 估计U=1.2伏 假设从电流$I_0=(V-U)/R=0.9A$开始下降 且$I_m=-U/R=-0.1A$ 画出$I=-0.1+e^{-2000t}$图像 可见0.001秒后 续流结束

Screenshot_2024-04-09-21-55-26-342_us.mathlab.android.calc.free-edit.jpg

如果更低转速下 比如最大负载转速的1/10 U=0.12伏 $I=-0.01+e^{-2000t}$ 电流持续时间更长了

Screenshot_2024-04-09-21-59-05-874_us.mathlab.android.calc.free-edit.jpg

干脆连PWM导通图像(电流从0开始)$I=0.9-0.9e^{-2000t}$也画了 可见差不多也0.002秒就接近最终电流了

Screenshot_2024-04-09-22-00-53-515_us.mathlab.android.calc.free-edit.jpg

如果PWM周期小于0.001秒 这时候线圈续流蓄能是起作用的 我唯一担心的是 当电刷切换线圈时候 旧线圈的能量不仅在铁心中储存 还有不少通过火花放电的形式释放掉 哎 先忽略掉吧

由电流在PWM导通关断时候连续 互为起始条件

$I_{0off}=(V-U)/R+(I_{0on}-(V-U)/R)e^{-R/L*t_{on}} $

$I_{0on}=-U/R+(I_{0off}+U/R)e^{-R/L*t_{off}} $

得$I_{0off}=(V-U)/R+(-U/R+(I_{0off}+U/R)e^{-R/L*t_{off}} -(V-U)/R)e^{-R/L*t_{on}} $

$I_{0off}(1-e^{-R/L*T})=(V-U)/R+U/R*e^{-R/L*T}-V/R*e^{-R/L*t_{on}} $

$I_{0off}R(1-e^{-R/L*T})=U*(e^{-R/L*T}-1)+V*(1-e^{-R/L*t_{on}})$

$U=V*(1-e^{-R/L*t_{on}})/(1-e^{-R/L*T})-I_{0off}R$

反电动势应该于转速正比 一般情况 也假设电流与转速正比(假设负载力矩和转速正比)再设全导通时候转速为 $\omega_m$

于是 转速 $\omega=\omega_m*(1-e^{-R/L*t_{on}})/(1-e^{-R/L*T})$

这当然是非线性的 有趣的是 推到最后 居然只与R有关但愿我路上推导没出错😪" src="/default/XXXXXXXXXXXXXg">

联系实际画图 我发现 线性度在一般情况下其实蛮高的 而且PWM频率越高 电机线圈电阻越小 电感越大 线性度越高 下面是1kHz和5kHz下 转速和导通比例的关系

Screenshot_2024-04-09-22-08-19-811_us.mathlab.android.calc.free-edit.jpg

Screenshot_2024-04-09-22-10-38-622_us.mathlab.android.calc.free-edit.jpg

之比例所以做以上推导 是想确定个PWM频率 因为MCU直驱AO3400 频率不可能太高 否则驱动不到位会让AO3400过热

而且网上有经验说 PWM频率太高 转速反而上不去 我这里理想模型没有出现这种情况 但我想实际情况难说 想办法评估到一个较好用又不太高的频率好了

现在看来 可能频率最好在1kHz以上 毛估一下 AO3400栅极充电需要7nC 5mA充电需要1.4us 放电当它一样 总需要3us

按最大电流1A 供电12伏 1kHz时候 0.3%耗损率 约36mW 3kHz接近0.1w 对它封装是可以接受的值 就试试3kHz吧

--------4.19-------

刚测试了PWM频率和转速

rpm-pwm.png

果然当频率够高 PWM占空比和转速的关系 就越发线性了

但是频率越高 启动越难 网上说的"PWM频率太高 转速反而上不去" 在低速时是有道理的 考虑到频率高时候 近乎是恒电流驱动 力矩也恒定 如果不先克服摩擦力 就转不起来 我之前的分析简化了 只考虑速度的阻力 没有考虑摩擦力 尤其是蠕动泵本身的摩擦力就大

说实在的 100Hz 和 1kHz 有可以听闻 令人不快的音频声 而10kHz没有声音  10Hz的声音与蠕动泵本身声音混杂不易听闻 最后的算法我还在考虑中 

现在最恼火的还是Micropython 就这样几天 我已经提过一次bug 两次feature要求了 ... 用起来有很多细节与之前认为的不一样 比如在esp32不支持硬中断 奇怪的GC报告 感觉项目中充满了无可奈何的补丁 不情愿使用的显然不理想不通用的实现方法 很令人不爽 


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