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FORUM RADIOAMATORIALE - Controllo rotore per CDE AR40 (rotore a 5 fili)

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IK4MDZ

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Inserito il - 08/04/2021 : 07:46:48

Il progetto consiste nella realizzazione di un control box per rotori a 5 fili tipo AR40 e similari. La differenza con quelli a sei fili consiste nel numero di connessioni del potenziometro che e’ situato nel rotore e che definisce la posizione angolare dello stesso. Con un potenziometro a 3 fili la lettura della posizione e’ molto semplice in quanto un capo del potenziometro e’ connesso ad una tensione di riferimento, un altro capo e’ a massa e la posizione del cursore definisce, attraverso una relazione lineare, la posizione angolare del rotore. In pratica la tensione letta sul cursore e’ proporzionale alla posizione angolare.
Viceversa nei rotori con potenziometro a soli 2 fili si ha un capo a massa e l’altro collegato ad una rete che lo alimenta.
La realizzazione di questo progetto puo’ essere affrontata in vari modi, in questo caso ho voluto realizzarlo con un microcontrollore dal momento che ne avevo gia’ realizzato uno analogico precedentemente pubblicato su CQ Elettronica nell’Aprile del 1992.
Poiche’ il potenziometro interno al rotore ha solo due fili verso il control box, occorre alimentarlo con un resistore esterno realizzando un partitore resistivo variabile con l’angolo di rotazione. In questo caso pero’, con i valori resistivi indicati sotto, la relazione tra la tensione letta e la posizione angolare non e’ lineare ma e’ rappresentabile con un arco antilogaritmico che parte dalla posizione 0 gradi e arriva alla posizione 360 gradi.

[url=https://postimages.org/]

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Affinche’ il sistema di controllo possa funzionare correttamente indicando a 90 gradi un quarto di angolo giro corrispondente a 250 Ohm, a 180 gradi mezzo angolo giro corrispondente a 500 Ohm e a 270 gradi ¾ di angolo giro corrispondenti a 750 Ohm , occorre che ci sia una relazione lineare (una retta) tra la posizione angolare e la tensione letta che la rappresenta. Ad esempio a 500 Ohm dovrei leggere 1.25V corrispondenti a 180 gradi di rotazione in quanto a 2,5 V corrispondono 360 gradi. In realta’, poiche’ la curva e’ un arco, leggo una tensione di 1,67 V mentre 1.25 V li leggo in corrispondenza di 330 Ohm e questo non e’ corretto.

[url=https://postimages.org/]

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Esistono due modi per “linearizzare” questo arco : una look-up table da inserire nella rom del microcontrollore dove si utilizza la tensione letta sul potenziometro come puntatore alla tensione che dovrebbe avere in quel punto se la relazione fosse lineare. Oppure, attraverso calcoli matematici, ricavare una formula che linearizza per ogni punto l’arco rendendolo una retta. Questo e’ quello che ho fatto e che ho implementato nel FW del sistema di controllo.
Inoltre sono state implementate delle strategie quali un DELTA (tolleranza) espresso in gradi e programmabile fino a 4 gradi in modo che una volta che il rotore ha raggiunto la posizione possa accettare di fermarsi con un scarto di 0, 1, 2, 3, 4 gradi come selezionato. Infatti, il momento torcente introdotto dalla rotazione di una antenna direttiva da 3 o piu’ elementi puo’ fare superare il set point desiderato a causa dell’inerzia del sistema e quindi questo delta e’ stato introdotto con l’intenzione di limitare questo fenomeno. Altra strategia, in parallelo a quella precedente per evitare l’eventuale pendolamento attorno al punto di arrivo, e’ stata quella di aprire il loop di controllo non appena viene raggiunta la posizione impostata e richiuderlo solo alla variazione di quest’ultima.
Il controllo esegue inoltre una autocalibrazione iniziale su richiesta dell’utente in modo da tenere in conto l’eventualita’ che la posizione di 0 meccanico non corrisponda ad una resistenza del potenziometro uguale a 0 Ohm ma piu’ alta. In questo modo si tiene conto nei calcoli anche la eventuale resistenza introdotta dal cavo di collegamento tra il rotore posto sul tetto e il control box posto in stazione radio.
La calibrazione e’ automatica e non e’ necessario l’intervento dell’utente e viene eseguita anche a 360 gradi meccanici.
E’ presente un display LCD che indica la posizione attuale del rotore e quella impostata tramite un potenziometro multigiri il cui valore viene anch’esso autocalibrato. Ho utilizzato tale componente perche’ in laboratorio non avevo un encoder rotativo poiche’ lo avevo gia’ usato per un analizzatore di antenna costruito in precedenza.
Poiche’ in questi rotori a basso costo non e’ presente un freno elettromeccanico che impedisce la rotazione del rotore in caso di forte vento, ho previsto un comando LOCK che, se attivato, mantiene il rotore nella posizione impostata chiudendo il loop e agendo sul motore. E’ inoltre presente un led che si accende indicando la rotazione del rotore e un pulsante di emergenza da utilizzarsi durante la fase di calibrazione. Da notare che in questa fase sul display viene evidenziato in tempo reale il numero che rappresenta la resistenza del potenziometro all’interno del rotore.
Il cuore del controller e’ un ATMEGA328. La scelta e’ caduta su questo componente poiche’ e’ molto facile da reperire in commercio perche’ usato nella piattaforma Arduino e quindi molto facile da trovare. Ho sviluppato una sorta di microdebugger linkato al FW di controllo che comunica con il PC via seriale in modo da debuggare quest’ultimo in tempo “simil” reale.
Le letture della posizione impostata e di quella attuale sono eseguite ad interrupt di 32msec. Ogni 32msec. viene riempita una locazione di stack e quando si e’ raggiunto 10 valori letti il main la prende in carico per eseguire la media e utilizzarli nel calcolo per visualizzare le due posizioni sul display e controllare il rotore. I 32 msec. sono sufficentemente brevi ma attendo 10 campioni per evitare il flickering sulla cifra meno significativa della posizione, infatti 32msec *10 =320msec. che consente una visualizzazione stabile e senza sfarfallio.
L’ADC dell’ATMEGA328 e’ a 10 bit e quindi puo’ restituire valori convertiti da 0 a 1023. La sua tensione di riferimento e’ stata scelta a 3V e ricavata da un regolatore 78L05 dedicato per questo solo utilizzo e per alimentare i partitori del potenziometri esterno e interno. Alla posizione di 360 gradi devono risultare 2.5V su entrambe i potenziometri interno ed esterno ed e’ per tale motivo che ho introdotto tre trimmer per queste regolazioni che, una volta fatte, non sono piu’ da toccare. Perche’ non utilizzare tutti i 3V anche per il max swing dei potenziometri ?. La ragione e’ quella di potere leggere resistenze superiori a 1000 Ohm dovute al sommarsi della resistenza del cavo di discesa. Se avessi utilizzato la stessa tensione di riferimento avrei saturato la lettura a 1023 e non avrei potuto leggere tensioni superiori e prodotte dalla resistenza aggiuntiva. I valori letti a 2.5V sono dell’ordine di N=850-860 per 1000 Ohm. Pertanto ho un discreto margine prima di arrivare a 1023 per leggere resistenze addizionali causate dal cavo di discesa.
Sono utilizzati inoltre un regolatore 7812 per i rele’ e in cascata un 7805 per il microcontrollore e il display LCD entrambe dissipati. In questo modo il 7805 non e’ sottoposto direttamente alla tensione raddrizzata dopo il ponte. Infatti avevo per le mani un trasformatore con un solo secondario a 24Vac che viene utilizzato per alimentare il motore del rotore e, anche se sotto carico la tensione raddrizzata cala a 20V, ho preferito utilizzare un 7812 per frazionare la dissipazione sul 7805. E’ presente un condensatore non polarizzarto da 240uF/50V per il movimento C.W. e C.C.W. del motore del rotore.
Il FW non e’ complicato ed e’ alla portata di chiunque abbia una minima conoscenza del linguaggio C.
Questo e’ lo schema elettrico :

[url=https://postimg.cc/8s3YvHpg]

[/url]

E questa e’ la realizzazione fisica che so bene non essere di bell’aspetto.

[url=https://postimg.cc/N2TkmRDQ]

[/url]

[url=https://postimg.cc/fJnKZgWy]

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[url=https://postimg.cc/Y49N85Rn]

[/url]

E questo e’ tutto.

73' Franco

Modificato da - IK4MDZ in Data 08/04/2021 09:10:05

Firma di IK4MDZ

Franco
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ik6den

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Inserito il - 08/04/2021 : 08:16:46

Ottimo e complimenti, una cosa, ne ho fatto qualcuno per l'HAM IV pero' la lettura in gradi "balla" e da quello che ho letto sembra sia dovuto alla massa in comune dell'alimentazione e del potenziometro, quest'ultimo isolarlo da massa è un pò complicato, tu hai avuto questi inconvenienti? un amico ha risolto facendo una modifica meccanica e utilizzando un multigiri al posto del costoso potenziometro cde/hy gain...
A presto

Firma di ik6den

73' IK6DEN SETTE GIUSEPPE

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IK4MDZ

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Inserito il - 08/04/2021 : 08:29:46

Per ovviare al problema che la cifra meno significativa non e' fissa, come ho scritto, eseguo 10 letture del'ADC ognuna ogni 32msec. per un totale di 320msaec. in modo da ricavare la media del valore letto su tale periodo. Mi risulta che l'HAM 4 sia comunque dotato di un potenziometro a 3 fili che rende molto piu' diretta la tettura angolare. Se esiste il problema del pendolamento sulla cifra meno significativa (a meno di problemi sul potenziometro calettato sul rotore) e se il controllo e' stato realizzato con microcontrollore puo' dipendere anche dal tipo di dati utilizzati nel controllo se float o interi sui quali si puo' agire con il FW arrotondando la cifra meno significativa a quella successiva se e' maggiore di 5 o a quella inferiore se e' inferiore di 5, mascherando il problema. L'importante che quando quella cifra "balla" il rotore non si muova e sia solo un problema di visualizzazione.
73' Franco

Modificato da - IK4MDZ in data 08/04/2021 09:03:36

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Franco
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ik6den

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Inserito il - 08/04/2021 : 11:29:15

O Franco, il rotore non balla mentre è solo una questione di visualizzazione mentre ruota che dicono sia dovuto all'alternata presente sul filo collegato sulla massa, probabilmente sarà il problema di lettura troppo veloce che dici tu, io ho utilizzato il kit e lo sketch di remote QTH...
che ha anche il relè per il freno con tanto di ritardo e la usb...
Grazie ancora di tutto e a presto

Modificato da - ik6den in data 08/04/2021 12:44:34

Firma di ik6den

73' IK6DEN SETTE GIUSEPPE

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IW7EHC

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Inserito il - 08/04/2021 : 18:27:53

Franco,
ti ho scritto in privato (email).

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Giovanni

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It's 106 miles to Chicago, we've got a full tank of gas, half a pack of cigarettes, it's dark and we're wearing sunglasses.
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ix1ixg

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Inserito il - 09/04/2021 : 10:07:34
Ciao Franco, bel lavoro ! Se vuoi rendere più stabile la tensione di riferimento, puoi provare ad utilizzare un tl431 al posto del 7805... alcuni modelli di 78-79XX come stabilità in funzione del carico (e in questo caso il problema non sussiste) e soprattutto in funzione della temperatura sono piuttosto penosi... relativamente sempre alla stabilità e alla precisione dei 78-79XX ricorda che per offrire le performance descritte dal datasheet i regolatori andrebbero caricati con una corrente minima, che ora non ricordo, ma mi pare quantificabile intorno a qualche mA... Ancora complimenti. Ciao a Tutti, Dave.


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i1roi

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Inserito il - 09/04/2021 : 10:16:27

Il mio AR40 è un po' più vecchio... è quello che non ha ancora il potenziometro ma va a scatti CLAC..CLAC..CLAC.. sarà possibile fargli un "trapianto" e trasformarlo? Qualcuno ha già provato? Grazie.
Giorgio I1ROI

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I1ROI Giorgio

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IK4MDZ

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Inserito il - 10/04/2021 : 07:43:05

Ciao Dave,
il 78L05 alimenta entrambe i potenziometri, quello del rotore e quello del control box, e nella condizione peggiore e cioe' con il reostato del rotore tutto inserito (1K) la corrente che eroga e' 2.5mA *2 =5mA. Quando entrambe sono a zero ho solo i 100Ohm verso massa e quindi 5mA*2=10mA. Sono daccordo con te per il TL431, ma devi sapere che questo progettino risale ad almeno 6/7 anni fa e ho usato quello che avevo in casa, vedi il trasformatore e dopo non ci ho piu' pensato.
Per chi volesse qualche chiarimento in piu', la formula da me utilizzata per ricavare la tensione corretta, cioe' quella lineare, rispetto a quella letta si basa su un polinomio di secondo grado ottenuto graficando i punti con excel

[url=https://postimg.cc/WFQZgL1H]

[/url][url=https://postimages.org/it/]free photo hosting[/url]

Di seguito le relazioni, che come si vede dai gragici (R^2=1) sono lineari tra resistenza e tensione corretta e tra gradi e tensione corretta.

[url=https://postimages.org/]

[/url]

Quindi basta ottenere la tensione corretta dalla tensione letta inserendo nel FW la formula polinomiale e, una volta ottenuto il risultato, moltiplicarlo per 144 che' e' la relazione tra gradi e tensione corretta.
Se si vuole una precisione maggiore e cioe' un R^2 piu' prossimo a 1 occorre implementare un polinomio di terzo grado.
E tutto questo per risparmiare un dannato filo di discesa del cavo.
Con il control box originale andava bene cosi' perche' all'interno vi era un reostato uguale a quello posto all'interno del rotore e cablato allo stesso modo.
L'obbiettivo era non modificare meccanicamente il rotore ma costruire un control box alternativo a quello originale che tante "gioie" mi ha dato nel corso del tempo.
Chiedo scusa per una svista nello schema elettrico. Poiche' e' un progetto risalente ad anni fa non ho aggiornato lo schema elettrico del SET POSIZIONE che e' in realta' identico a quello del rotore. Lo schema elettrico pubblicato pertanto e' errato in quel punto.
73' a tutti

PS: OT per Dave , martedi' 13 PFIZER ore 8.00 prima dose e martedi 4/5 seconda dose (finalmente si sono destati).

Modificato da - IK4MDZ in data 10/04/2021 09:08:23

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Franco
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ik6den

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Inserito il - 10/04/2021 : 09:50:39

se è quello che penso io dovrebbe avere un potenziomentro all'interno della campana e il control box con un alltro per settare la posizione quindi si puo' utilizzare lo stesso

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73' IK6DEN SETTE GIUSEPPE

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IK4MDZ

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Inserito il - 10/04/2021 : 12:10:32

Qui c'e' lo schema del CDE AR40 :

[url=https://postimg.cc/VSM1q8h3]

[/url]

come si puo' vedere il collegamento tra control box e rotore e' a 5 fili (3 per il motore, 2 per la posizione) e sia il control box che il rotore hanno un identico reostato da 1K.
Quando non si ha piu' a disposizione il control box originale occorre ricostruirne uno. Nell'aprile del 1992 ne costruii uno semianalogico che prevedeva l'iniezione di una corrente costate di 3.6mA sul reostato del rotore in modo da avere una rappresentazione diretta, su di un voltmetro a 3 digit, dei gradi corrispondenti.
A distanza di 20 anni ho voluto cimentarmi in qualcosa di piu' moderno, se cosi' si puo' definire, anche se il primo funzionava ancora.
73' Franco

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Franco
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ik6den

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Inserito il - 10/04/2021 : 13:45:58

Nell'aprile del 1992 ne costruii uno semianalogico che prevedeva l'iniezione di una corrente costate di 3.6mA sul reostato del rotore in modo da avere una rappresentazione diretta, su di un voltmetro a 3 digit, dei gradi corrispondenti.

Per caso lo avev presentato su cq elett o radiokit?ne realizzai uno anch'io ancora funzionante, se non sbaglio era il progetto di um om della zona 4 e di suo padre, sei tu?

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IK4MDZ

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Inserito il - 10/04/2021 : 13:55:23

Lo pubblicai su CQ Elettronica nell'Aprile del 1992 e si, sono della zona 4, come si deduce peraltro dal mio nominativo, ma mio padre era gia passato a miglior vita e non era un radioamatore.
73' Franco

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ik6den

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Inserito il - 10/04/2021 : 14:11:06

Ho tovato la rivista, non era il tuo progetto ma molto simile....
Ciao a presto

IK4MDZ ha scritto:

Lo pubblicai su CQ Elettronica nell'Aprile del 1992 e si, sono della zona 4, come si deduce peraltro dal mio nominativo, ma mio padre era gia passato a miglior vita e non era un radioamatore.
73' Franco

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Inserito il - 10/04/2021 : 21:14:50
Ciao Franco, perfetto, direi allora che con il tipo di regolatori usati, non si possa ottenere di meglio... il trucchetto della lock-up table lo usavo parecchio quando mi capitava (qualche decina di anni fa) di lavorare con micro aventi risorse limitate... dal punto di vista dello spazio memoria programma, conveniva appunto disporre di alcuni punti di correzione caricati in memoria, piuttosto che implementare le equazioni necessarie ad ottenere la corretta conversione... Ottimo per il vaccino... per quanto mi riguarda, sono ancora troppo giovane, troppo sano e a quanto pare, ascoltando le notizie che passano i telegiornali, anche troppo poco raccomandato... volendo cogliere il lato positiva della cosa, avrò ancora qualche tempo per valutare eventuali effetti collaterali (volenti o nolenti qualcosa da insegnare lo hanno ancora) Cerca di restare sempre in salute ! Ciao a Tutti, Dave.


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