Allmänt - Tekniska grunder

Allmänt
Vi är tre nära besläktade killar som startade ett fritidsprojekt i aug. -07, nämligen att utveckla en självgående gräsklippare för våra egna gräsmattor. Husqvarnas och ” Robothasses ” publikationer på nätet hade studerats men egentligen inte bidragit med detaljlösningar. Syftet med att publicera våra äventyr är inte att sälja byggsatser eller delar till klipparna, men det som publiceras får fritt användas på eget ansvar. Vi hoppas naturligtvis att ev. intressenter kan bidra med egna idéer och lösningar. Det bör betonas att projektet kräver insikter och färdigheter i både mekanik och elektronik. Att kunna borra och gänga M3 till M8 är nödvändigt och tillgång till en enkel svarv för att kunna göra ett välcentrerat klippnav är en klar fördel. Man behöver kunna etsa och bygga och felsöka elektronikkortet med ca 10 IC samt kompilera och programmera en PIC-processor

Tekniska grunder
De första problemen som måste lösas var att hitta lämpliga ( och billiga ) motorer och växellådor för framdrivningen/styrningen och klippningen. Efter en del slående i kataloger kom iden upp att använda billiga skruvdragare som halvfabrikat. Till det ändamålet inköptes 1st av Biltemas billigaste modell ( då 159 kr), vilken obducerades noggrant. Billiga produkter måste man ju alltid misstänka är hårdprutade i kvalitet på något sätt.

Maskinen innehöll en permanentmagnetiserad DC-motor med pulsreglering ,ca.3kHz, styrd av en MOS-FET-transistor IRFZ44, som i sin tur styrdes av en special-IC inbyggd i ” avtryckaren ”. Växelådan var en positiv överraskning. Den var en planetväxel med ståldrev, väl infettad. Många andra billighetsmaskiner ( sticksågar t.ex.) är gjorda med plastdrev, vilket inte håller länge. Växellådan bör inte öppnas om man tänker använda den, för den är rätt svår att sätta ihop igen. Till klippmotorn behövs den dock inte. Chuckarna visade sig nästan omöjliga att ta bort utan att riskera att sabba motorn , varför det gavs upp. Dessutom tycks axelgängan vara M9 fingänga, och var får man tag i det ? Vi återkommer till det längre fram.

Momentbegränsaren ställs på fullt moment innan man öppnar maskinen för sen försvinner indexeringen. Det som tycks vara kvalitetsprutningen är batterierna och de medföljande laddarna. Batterierna är ungefär dubbelt så stora och halva kapaciteten ( nominellt 1,3AH ) jämfört med dyrare kvalitetsmaskiner. Laddarna bygger helt på temperaturavkänning inne i batteripacken, vilket betyder att när cellerna börjar bli dåliga, så laddas de inte fullt, varpå de blir ännu sämre, osv…..

Efter senare mätning av strömförbrukning beslöts därför att inte använda de medföljande batterierna i detta projekt. Även om det följer ett batteri med varje motor och de kan parallellkopplas vid drift, så måste de laddas var för sig. De användes dock i de inledande försöken med klippning och framdrift.

För klippningen testades först med nylonvajer a la grästrimmer. Det visade sig att motorn
( utan växellåda ) drog oerhört mycket ström ( >10A), troligen på grund av luftmotstånd på vajern, vilket gjorde lösningen helt oanvändbar. Motorns svagaste punkt är nog borstarna, så strömmen måste hållas låg, -också bra för körtiden.

Nästa försök fick bli en knivdisk med sex brytbladsknivar av den lilla modellen. Det gick bra. Fördelen med att ha sex knivar är dels att de inte behöver snurra så fort, dels att det är lätt att göra en exakt sexdelning av den cirkelformade klippdisken med hjälp av passare. Båda sakerna gör det lättare att få god balans i denna förhållandevis snabbt roterande del, vilket är bra för ljudnivån och motorlagrens livslängd. Med lagom varvtal, som klipper bra drar denna motor ca 1,3A

Framdrivningen visade sig vara ännu svårare, men skam den som ger sig. Eftersom det beräkningsmässigt verkade vara nödvändigt att växla ner chuckvarvtalet ytterligare till drivhjulen, försöktes först ett antal utvändiga växlar, t. ex. friktionsdrift chuck/gummihjul (ca 100mm), men det slirade vid minsta fukt i gräset. Enkla grova kuggväxlar framställbara med borrmaskin och delningsskiva bullrade mycket och verkade ha dålig verkningsgrad.

Eftersom alla motorerna ändå måste elektronikregleras föreföll det gynnsammare att sätta drivhjulens axlar direkt i chuckarna och reglera ner till krypfart. Det kräver emellertid feedback, för den här typen av motor har utpräglad ”cogging ”d.v.s. vid pådrag går motorn först inte alls, sedan plötsligt med en minimihastighet som kanske är för hög. Den klassiska feedbackmetoden med ett antal magneter på axeln ( i detta fall chucken ) som avläses av ett reed-element eller Hallelement provades och fungerade, men visade sig svårjusterad och ömtålig. Då upptäcktes vid mätningar på switchregulatorn att motorn under senare delen av cykeln går som generator och alstrar en spänning som är proportionell mot varvtalet. Det gäller ” bara ” att referera om den spänningen till nollan i systemet, fånga den i en sample-and-hold-krets och jämföra den med börvärdet ( som kommer från processorns PWM-utgångar ). Som i alla enkla proportionalregulatorer måste förstärkningen i systemet bli en kompromiss mellan reglernoggrannhet och stabilitet. Om förstärkningen väljs så hög att motorerna pulserar något i tomgång blir de dämpade vid körning på gräs. Detta har fungerat bra så här långt.
Om hjulaxlarna bara sätts i chuckarna som dras åt för hand så faller hjulen snart av, särskilt det som går ” baklänges ”. I stället får man gänga ett hål radiellt för en stoppskruv M4 mellan två av chuckens backar. Det går lättast om man först sågar bort plasthylsan från chucken. Då kan man också dra åt chuckens metallring oberoende av stoppskruven. Drivaxeln filas platt där stoppskruven går på.

För att ekipaget inte ska bli onödigt brett läggs drivaggregaten omlott efter varandra. Den lilla asymmetrin spelar ingen roll för framdrivningen. Däremot bör motoraxlarna vara någorlunda parallella. Fastsättningen av drivaggregaten sker huvudsakligen med en kraftig slangklämma runt den svarta plasthalsen som utgör momentinställning. Själva motorn bör inte utsättas för stora krafter, då dess infästning i växellådan ser rätt svag ut. Motorerna kan klammas runt den andra motorns växellåda med buntband som dras åt måttligt. Över alltihop måste man montera ett skydd av t.ex. tunn aluminiumplåt så att inte gräs eller fukt kommer in i borstarnas ventilationshål. Dessa bör inte täppas till, då borstarna behöver lite kylning.

Utöver ovanämnda basala funktioner behövs diverse skyddsmekanismer, t.ex lyft-/vältskydd, kollisionsskydd, stöldskydd/larm, underspänningsskydd för batteriet, kåpa/regnskydd. Detta visas på bilderna och i schema-genomgången.

En viktig funktion är styrningen för att hålla klipparen inom önskade ytor. Detta görs med en koppartråd fastgjord i gräsets kant med märlor och genomfluten av en sinusformad växelström på ca 40 kHz och ca 140 mArms. Frekvensvalet är okritiskt men bör inte vara så lågt att nätledningar (50Hz) kan störa mottagaren i klipparen och inte så högt att trådsignalen stör radiokommunikation. Signalen plockas upp av endera av två vertikalt monterade drosslar som finns att köpa färdiga och som är avstämda till resonans till samma frekvens som trådsändaren. Signalen förstärks och likriktas och går in på var sin AD-ingång på processorn för vidare behandling. När signal upptäcks backar maskinen en bit, kör sedan framåt igen men svänger från den sida där signal upptäckts, genom att öka drivmotorvarvtalet på den sidan ett ögonblick. På så sätt körs hela ytan så småningom i ett slumpmässigt kriss-krossmönster