¿Tiene sentido este esquema de control de frenos?

Estoy participando en un proyecto estudiantil en el que estamos construyendo vehículos pequeños y portátiles, comenzando con una bicicleta de bolsillo y algunos materiales. También se nos permite comprar piezas por nuestra cuenta.

Nuestro plan actual es hacer un longboard motorizado (con motor de gasolina de 49 cc, plan realmente peligroso, ¡lo sé!).

Lo que sería realmente genial es tener celdas de carga en la parte delantera y trasera, para controlar el acelerador y los frenos. El acelerador y los frenos están controlados por cables, y un intento de medir la fuerza necesaria para frenar dio un resultado de alrededor de 20N.

Entonces pensé: "Tal vez podamos obtener algún tipo de solenoides de tracción proporcional y conectarlos a un circuito de control y a los cables". Y ahora he esbozado un esquema para uno de esos circuitos. ¡ La cosa completa está AQUÍ!

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

  • A la izquierda reduzco (divido) la tensión de alimentación con un potenciómetro para la calibración según tres incertidumbres: 1. La ganancia del amplificador operacional. 2. El peso exacto del ciclista. 3. El sesgo de la celda de carga plana china barata.

  • Tenga en cuenta que he intentado modelar el sensor como un puente de Wheatstone y el estado del mismo con un pequeño potenciómetro en uno de los brazos inferiores del puente.

  • Luego, en el medio, conduzco la pequeña señal de dos voltajes a un amplificador operacional sin ningún tipo de retroalimentación.

  • Después del amplificador operacional, coloqué un diodo, que se supone que representa un diodo de referencia directa que básicamente solo resta un voltaje fijo (idealmente), que representa aproximadamente la mitad del peso del ciclista, para que el tablero no acelere fácilmente y frenar simultáneamente, y por supuesto para evitar que acelere o frene cuando estás parado en punto muerto.

  • Luego hay una resistencia, dimensionada para limitar la corriente del emisor de base del transistor que enciende la corriente al actuador que tira del cable. Por ahora, he representado el actuador por un inductor.

Prácticamente, la calibración se realizará después de que el ciclista monte la tabla. Él/ella se agachará y girará el potenciómetro (que, supongo, se puede compartir entre los pedales delantero y trasero) lentamente hasta que los actuadores comiencen a tirar de los cables, y luego un poco hacia atrás, para que los transistores no lo hagan. perder demasiada corriente a través de los actuadores, vaciando la batería demasiado rápido.

Tenga en cuenta que la linealidad estricta entre la carga y la aceleración no es un requisito, aunque sería bueno cierta previsibilidad y un comportamiento razonable. Es un proyecto de aprendizaje, sobre todo. (Para la cosa real, estaríamos usando motores eléctricos y un circuito digital, supongo).

Así que mi pregunta es simplemente: ¿Tiene esto algún sentido?

Tengo dudas específicas:

  • Algunos de los sensores sobre los que he leído especifican "impedancia de entrada" e "impedancia de salida", ambas alrededor de 1kOhm. ¿Tengo razón al suponer que eso significa que la resistencia de los brazos en el puente está alrededor de ese valor, o es una completa confusión?

  • ¿Está bien reducir el voltaje sobre el sensor en lugar de hacer trucos de retroalimentación difíciles (difíciles de encontrar) con el amplificador operacional, o esto generará un ruido inaceptable o algo así?

  • ¿La ganancia de los amplificadores operacionales baratos varía demasiado como para que un potenciómetro sea suficiente para la calibración?

  • ¿Se puede usar un diodo de referencia directa de esta manera?

  • ¿Será un problema hacer funcionar todas las partes de este circuito con la misma batería?

  • ¿Se puede modelar un solenoide proporcional real simplemente como un inductor y, de ser así, cuál sería el valor de inductancia típico de uno de esos dispositivos que funciona con 5 V, tirando de unos 10 mm como máximo con una fuerza de 20 N?

  • ¿Será un actuador de este tipo lo suficientemente rápido para el frenado de emergencia, pero lo suficientemente lento como para que conducir en un terreno irregular no te haga caer del tablero? De lo contrario, ¿debo ejecutarlo con un voltaje superior a 5 V o (en el segundo caso) suavizar la señal de otra manera?

Ahora bien , si todo esto tiene sentido: ¿Cómo, de qué manera, voy a fallar al intentar implementarlo? (Según su experiencia, eso es).

Realmente agradezco una recomendación sobre qué tipo de actuador debo buscar. Los sitios web comerciales que estoy buscando no me ayudan a reducir la búsqueda.

Gracias de antemano por ayudarme a resolver algunas inquietudes en el proceso de planificación. He tratado de encontrar respuestas por mi cuenta, pero parece que las piezas de conocimiento esencialmente relevantes son un poco difíciles de localizar y controlar.

Actualización: después de leer este tutorial, resulta que es posible usar un solenoide de tracción simple, pero requerirá algunos trucos. Creo que hacer una señal de control periódica y sesgada con polarización y amplitud proporcionales podría ser el camino a seguir. Y parece que necesito algo llamado "diodo volante" para proteger el BJT.

¿En qué dibujaste el esquema?
¿Puedes volver a dibujarlo usando el editor de esquemas incorporado?
@ThreePhaseEel Listo. :-)

Respuestas (1)

Esta es una pregunta bastante amplia y no puedo esperar responder todo. Puedo compartir algunos pensamientos.

En primer lugar, como ha configurado este amplificador operacional, es esencialmente un comparador. Los amplificadores operacionales tienen una ganancia muy alta, lo suficientemente alta como para considerarse infinita, en la mayoría de los casos. Si la entrada no inversora es más alta que la entrada inversora, el amplificador operacional impulsará la salida lo más alto que pueda, casi 5V. Y si la entrada no inversora es más baja, impulsará la salida lo más bajo posible, casi 0V.

Realmente no hay nada entre estos extremos. Creo que esto resultará en una experiencia muy incómoda para el piloto ya que solo hay dos niveles de frenada: todo o nada. Estos cambios muy repentinos en la aceleración (high jerk ) no le darán al ciclista muchas oportunidades para ajustar su equilibrio.

Además, cuando el equilibrio es tal que el frenado apenas se activa, las pequeñas perturbaciones de la superficie de la carretera, etc., harán que el freno se active y desactive rápidamente. Además de ser incómodo, probablemente tampoco sea lo mejor para los componentes mecánicos.

Para resolver esto, querrá agregar algunos comentarios negativos al amplificador operacional para reducir su ganancia. Esto hará posible frenar en algún punto entre el máximo y el máximo.

Probablemente también desee agregar un filtro entre las celdas de carga y el amplificador operacional. Los baches en la carretera generarán mucho ruido y, a menos que ignores este ruido, el freno se activará y desactivará rápidamente con cada pequeño bache en el pavimento. El equilibrio del ciclista va a cambiar mucho más lentamente en relación con la vibración de la carretera, por lo que sería apropiado un filtro de paso bajo.

Con retroalimentación negativa para ganancia reducida y filtrado de paso bajo, probablemente terminará con algo como esto en el núcleo:

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simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

Por supuesto, se omitieron muchos detalles: deberá investigar un poco más para obtener una imagen completa. Sugeriría "filtro de paso bajo de amplificador operacional" y "amplificador diferencial" como términos de búsqueda para comenzar.


Lo que necesitas es un diodo flyback . Di que tienes esto:

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simular este circuito

Cuando cierra el interruptor, la corriente en L1 aumenta hasta que queda limitada por la resistencia de la bobina. (Si L1 fuera un inductor de idea, entonces la corriente simplemente aumentaría para siempre). Ahora, cuando se abre el interruptor, la corriente a través de L1 no puede cambiar instantáneamente. Si no proporciona un lugar para que vaya, encontrará un lugar creando un voltaje muy alto, con la parte inferior del inductor siendo un voltaje más alto que la parte superior.

En este caso, probablemente formará un arco a través del interruptor. En circuitos más complejos puede suceder algo más, pero en la mayoría de los casos, no es bueno.

Al agregar el diodo, le da un lugar para que vaya esta corriente. El voltaje a través del inductor está limitado por 0.6V y nada se rompe.

Gracias por responder algunas de mis preguntas. Entonces: ¿Podría decir que la ganancia nominal del amplificador a 100000 es un eufemismo ? Porque mi circuito, tal como está dibujado, puede corregir las ganancias en ese rango (reduciendo el tamaño de la entrada), posiblemente a expensas de otra cosa.
La hoja de datos de @Anonymous TI dice que la ganancia típica de bucle abierto de LM358 es 100dB, o 10000000000. El BJT de salida agrega aún más ganancia, tal vez otros 20dB. Eso significaría obtener una oscilación de 0-5V en la salida, la oscilación de entrada debe ser del orden de 5pV. No solo es impracticablemente pequeño (el ruido térmico solo es tres órdenes de magnitud mayor), sino que la ganancia de los amplificadores operacionales no es algo que esté estrictamente controlado. La hoja de datos de LM358 ni siquiera especifica valores mínimos o máximos. Ese no es un parámetro en el que desee confiar en su diseño.