Het hart van een machine (een laser-microprojector) - Ajarnpa

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:17

Deze Instructable is de spirituele opvolger van een eerder experiment waarbij ik een dubbelassige spiegellaserbesturing heb gebouwd van 3D-geprinte onderdelen en solenoïden.

Deze keer wilde ik klein gaan en ik had het geluk om een aantal commercieel gemaakte laserstuurmodules te vinden van een online wetenschappelijke surplus-outlet. Mijn ontwerp begon op een Dalek te lijken, dus ik ging met het idee aan de slag en maakte een twee-inch hoge Dalek-geïnspireerde bot die lasers naar je schiet.

Maar het probeert je niet uit te roeien - het stuurt je gewoon wat liefde vanuit zijn elektromechanische hart!

Als je dit project leuk vindt, stem er dan op in de Optiekwedstrijd!:)

Stap 1: Iets kleins uit de staat Texas

Het hart van de machine is een TALP1000B-module van Texas Instruments, die wordt beschreven als een "tweeassige analoge MEMS-aanwijsspiegel". Dit is nogal een mondvol, dus laten we het opsplitsen:

• Dual-axis: Dit betekent dat het apparaat in de horizontale en verticale as kan kantelen.
• Analoog: De kanteling langs een as wordt geregeld door een analoge spanning, variërend van -5 tot 5 volt.
• MEMS: Dit staat voor Micro Electrical Mechanical System en het betekent dat het heel klein is!
• Wijzende spiegel: in het midden van het apparaat bevindt zich een spiegel op cardanische ophangingen; de spiegel kan een paar graden in elke richting worden gericht, waardoor hij de laser overal binnen een kegel van een paar graden kan richten.

Een snelle blik op de datasheet laat zien dat dit een geavanceerd onderdeel is. Naast vier stuurspoelen is er een lichtzender, vier positiesensoren en een temperatuursensor. Hoewel we de sensoren niet zullen gebruiken, zal ik later enkele prachtige foto's van een beschadigde TALP1000B van dichtbij delen.

De TALP1000B is niet meer leverbaar, maar je kunt hem niet vinden, je zou zelf een veel grotere laserrichtspiegel kunnen bouwen met behulp van de plannen die ik in mijn eerdere Instructable heb uiteengezet: de principes zijn precies hetzelfde, maar je zou een leven moeten bouwen -grote Dalek om het te huisvesten!

Stap 2: Stuklijst

Het volgende is de stuklijst voor dit project:

• Een Texas Instruments TALP1000B (gestaakt)
• Een Arduino Nano
• Eén SparkFun Motor Driver - Dual TB6612FNG (met headers)
• Een breadboard
• Eén trimpot (1kOhm)
• Vier jumperdraden van 2,54 mm tot 2 mm
• 0,1" (2,54 mm) kopteksten
• 3D-printer en filament
• Rode laseraanwijzer

De TALPB-module is het moeilijkst te vinden. Ik had geluk en kocht er een paar bij een wetenschappelijke overschottenzaak.

Je kunt nog steeds een TALPB online vinden tegen exorbitante prijzen, maar ik raad niet aan om er veel geld aan uit te geven om de volgende redenen:

• Ze zijn belachelijk kwetsbaar, je hebt er misschien meerdere nodig voor het geval je er een paar breekt.
• Ze hebben een lage resonantiefrequentie van 100 Hz, wat betekent dat je ze niet snel genoeg kunt aansturen voor flikkervrije lasershows.
• Ze hebben een verguld oppervlak, wat betekent dat het alleen rode lasers reflecteert. Dit sluit het gebruik van superheldere groene lasers of violette lasers met glow-in-the-dark-schermen uit voor persistentie.
• Hoewel deze onderdelen wel positiesensoren hebben, denk ik niet dat een Arduino snel genoeg is om ze aan te sturen met een soort positionele feedback.

Mijn mening is dat hoewel deze onderdelen ongelooflijk klein en nauwkeurig zijn, ze niet praktisch genoeg lijken voor hobbyprojecten. Ik zou liever zien dat de community met betere DIY-ontwerpen komt!

Stap 3: Het maken van het lichaam

Ik heb het lichaam gemodelleerd in OpenSCAD en het in 3D geprint. Het is een afgeknotte kegel met een opening aan de bovenkant, een gleuf aan de achterkant voor het plaatsen van de TALB1000P-module en een groot gapend lichtgat aan de voorkant.

Je schijnt een laser van bovenaf en het wordt weerspiegeld aan de voorkant. Deze 3D-geprinte body ziet er niet alleen cool uit, maar is ook functioneel. Het houdt alles op één lijn en herbergt de belachelijk kwetsbare TALB1000P-module. Ik heb de ribbels en hobbels toegevoegd om het gemakkelijker vast te houden nadat ik een vroeg prototype had laten vallen en een TALB1000P-module had vernietigd.

Stap 4: De vele manieren om een hart te breken

De TALP1000B is een uiterst kwetsbaar onderdeel. Een korte val of een onvoorzichtige aanraking zal het onderdeel vernielen (per ongeluk aanraken is hoe ik mijn tweede module heb vernietigd). Het is zo kwetsbaar dat ik vermoed dat zelfs een sterke blik het zou kunnen doden!

Als fysieke gevaren niet genoeg waren, beschrijft de datasheet nog een extra gevaar:

Zorg ervoor dat u start-stop-transiënten vermijdt bij het starten of stoppen van de sinusvormige aandrijfspanning. Als men het 50 Hz aandrijfvermogen instelt op een spanning die een grote 50 Hz spiegelrotatie produceert (4 tot 5 graden mechanische beweging), dan zal de spiegel vele duizenden uren zonder problemen werken. op een moment dat de uitgangsspanning aanzienlijk is, treedt er een spanningsstap op die de resonantie van de spiegel zal opwekken en kan resulteren in vrij grote rotatiehoeken (genoeg om ervoor te zorgen dat de spiegel de keramische printplaat raakt die dient als een rotatiestop). Er zijn twee manieren om dit te voorkomen: a) alleen in- of uitschakelen wanneer de spanning van de aandrijving bijna nul is (getoond in de onderstaande tekening), b) de amplitude van de sinusaandrijving verminderen voordat u de stroom in- of uitschakelt.

Dus eigenlijk kan zelfs het uitschakelen van de verdomde stroom het kapot maken. Oh heel!

Stap 5: Het pacemakercircuit

Het drivercircuit dat ik ervoor heb gemaakt, bestaat uit een Arduino Nano en een dual-channel motordriver.

Hoewel motoraandrijvingen zijn gemaakt voor motoren, kunnen ze net zo gemakkelijk magnetische spoelen aandrijven. Wanneer aangesloten op een magnetische spoel, zorgen de voorwaartse en achterwaartse functies van de driver ervoor dat de spoel wordt bekrachtigd in de voorwaartse of achterwaartse richting.

De spoelen op de TALP1000B hebben tot 60 mA nodig om te functioneren. Dit is meer dan de maximale 40mA die de Arduino kan leveren, dus het gebruik van een driver is essentieel.

Ik heb ook een trimpot aan mijn ontwerp toegevoegd en hierdoor kan ik de amplitude van het uitgangssignaal regelen. Hierdoor kan ik de aandrijfspanningen naar nul terugstellen voordat ik het circuit uitschakel, om de resonanties te vermijden waarvoor de datasheet me waarschuwde.

Stap 6: Een driver die niet werkt… en een die wel werkt

Om te controleren of mijn circuit een vloeiende golfvorm uitvoerde, schreef ik een testprogramma om een sinusgolf op de X-as en een cosinus op de Y-as uit te voeren. Ik heb elke uitgang van mijn aandrijfcircuit aangesloten op bipolaire LED's in serie met een weerstand van 220 ohm. Een bipolaire LED is een speciaal soort tweepolige LED die één kleur schijnt wanneer de stroom in de ene richting vloeit en een andere kleur wanneer de stroom in de tegenovergestelde richting vloeit.

Met deze testopstelling kon ik de kleurveranderingen observeren en ervoor zorgen dat er geen snelle kleurveranderingen waren. Meteen zag ik heldere flitsen toen de ene kleur vervaagde en voordat de andere kleur op het punt stond te vervagen.

Het probleem was dat ik een L9110-chip als motordriver had gebruikt. Deze driver heeft een PWM-snelheidspen en een richtingspen, maar de duty-cycle van het PWM-snelheidsregelsignaal in de voorwaartse richting is het omgekeerde van de duty-cycle in de omgekeerde richting.

Om nul uit te voeren wanneer het richtingsbit naar voren is, hebt u een PWM-duty-cycle van 0% nodig; maar wanneer de richtingsbit omgekeerd is, hebt u een PWM-duty-cycle van 100% nodig voor een uitvoer van nul. Dit betekent dat om de output nul te laten blijven tijdens een richtingverandering, u zowel de richting als de PWM-waarde tegelijk moet veranderen - dit kan niet tegelijkertijd gebeuren, dus in welke volgorde u het ook doet, u krijgt spanningspieken terwijl u overgaat van negatief naar positief door nul.

Dit was de oorzaak van de flitsen die ik had gezien en het testcircuit heeft me waarschijnlijk gered van het vernietigen van een andere TALB1000B-module!

Een SparkFun-motorrijder redt de dag

Toen ik ontdekte dat de L9110 een no go was, besloot ik de SparkFun Motor Driver - Dual TB6612FNG (die ik had gewonnen in een eerdere Instructable! Woot!) te evalueren.

Op die chip betekent een PWM op de snelheidsregelpen van 0% dat de uitgangen op 0% worden aangestuurd, ongeacht de richting. De TB6612FNG heeft twee richtingsbesturingspinnen die moeten worden omgedraaid om de richting om te keren, maar met de PWM-pin op een duty-cycle van nul, is het veilig om dit te doen via een tussenstatus waarin zowel In1 als In2 HOOG zijn - dit zet de bestuurder in een tussenliggende "korte rem" -modus die de spoelen op enigerlei wijze bekrachtigt.

Met de TB6612FNG was ik in staat om een soepele polariteitsovergang voorbij nul te krijgen zonder flitsen. Succes!

Stap 7: Arduino Sketch en prestatietests uitvoeren

Tweede plaats in de optiekwedstrijd