Переделка датчика мотор-колеса

Установка абсолютного магнитного датчика угла на колесо гироскутера

Одним из самых доступных источников комплектующих для роботов среднего размера могут служить гироскутеры. Благодаря массовому производству это один из самых дешевых способов получить: два мощных мотор-колеса, аккумулятор с платой балансировки и защиты, зарядное устройство к аккумулятору. Эти компоненты будут весьма усредненного качества, но использовать их можно. В этой статье речь пойдет о доработке мотор-колес абсолютными датчиками угла. Дело в том, что по умолчанию все недорогие колеса используют шестишаговый метод управления на основе датчиков Холла, смещенных относительно друг друга. (По-простому: https://www.youtube.com/watch?v=XCzfHDnt6G4, чуть более подробно: https://www.youtube.com/watch?v=WYJWdMV3YMs).

Это хороший способ перемещаться достаточно быстро, но его слабая сторона в том, что между точками коммутации датчиков у вас не будет фактических данных о положении колеса, что не позволит вам реализовать все возможности полноценного векторного управления и плохо скажется на точности одометрии при очень медленном перемещении. А это, в свою очередь, ухудшит ваши возможности по осуществлению навигации. Перейдем непосредственно к доработке колеса. После разборки гироскутера у вас в руках останутся два колеса. Открыв их, вы увидите примерно следующее:

Рис. 1. Разобранное колесо гироскутера (Hoverboard wheel disassembly)

Видно, как через отверстие в валу внутрь корпуса колеса приходят провода обмоток и провода датчиков Холла (идут к зелёной плате). Аккуратно вытащив статор, можно приступать к переделке:

Рис. 2. Статор мотор-колеса гироскутера (Hoverboard hub motor stator)

Необходимо аккуратно отпаять все фазные провода и провода датчиков: Рис. 3. Статор мотор-колеса без подводящих проводов (Hoverboard hub motor stator without cables)

Теперь статор готов к установке датчика. Давайте рассмотрим, что надо сделать. Изначально колесо устроено таким образом, что при движении статор остается неподвижным, а колесо (ротор) вращается, опираясь на два подшипника. В разрезе это выглядит так:

Рис. 4. Разрез мотор-колеса

Наиболее удачным местом установки датчика является зазор между концом вала статора и корпусом. Датчик устанавливается на конец вала, а диаметрально намагниченный магнит приклеивается на корпус мотор-колеса. Однако для этого необходимо доработать вал: сделать канал для проводов от датчика, обрезать конец вала для того, чтобы поместился магнит, расточить вал для установки датчика.

Рис. 5. Доработки вала мотор-колеса.

Доработку вала удобнее всего осуществлять на токарном станке. Подойдет станок самого простого класса. Снимать статор с вала не требуется. Достаточно аккуратно сложить концы обмоток, чтобы не зацепить их при обработке. Можно зафиксировать их изолентой. Последовательность обработки:

Просверлить вал насквозь, до основного канала.
Обрезать вал. Вам необходимо убедиться, что для вашей толщины магнита, с учетом врезки датчика, между магнитом и датчиком останется зазор около 1 мм. Это позволит удобно приклеить магнит. Мы рекомендуем диаметрально намагниченный магнит диаметром 9 мм и толщиной 3 мм.
Сделать расточку под датчик согласно рис. 5. Сначала делается углубление на 2 мм диаметром 12 мм, затем на 7 мм диаметром 9 мм и в конце снимаются фаски. Особенно важна ближняя к краю фаска — убедитесь, что контактные площадки не контактируют с валом.

В итоге доработанный вал статора будет выглядеть так:

Рис. 6. Вид статора после доработки.

Припаяйте провода необходимой длины к датчику согласно схеме. Для датчика лучше использовать тонкий экранированный многоцветный провод. Убедитесь, что 6 проводов к датчику и 3 провода к обмоткам удобно проходят в канал. Для этого лучше сначала протянуть все провода, а потом паять.

Рис. 7. Установка проводов.

В первую очередь припаяйте провода к датчику и проверьте его работоспособность. Убедитесь, что датчик с проводами легко устанавливается на место и контакты не замыкают на вал.

Рис. 8. Монтаж датчика мотор-колеса.

Если с датчиком все хорошо, припаяйте провода обмоток и закрепите их стяжкой к статору, как было изначально.

Рис. 9. Монтаж фазных проводов.

Окончательно проверив датчик и все провода, приклейте плату датчика в проточку.

Рис. 10. Статор мотор-колеса с установленным датчиком AS5047P.

Модификация статора завершена, теперь необходимо установить и приклеить магнит на крышку колеса. Это нужно постараться сделать строго по центру. Для удобной вклейки магнита рекомендуется распечатать на 3D-принтере оправку. Пример оправки для магнита диаметром 9 мм и установочного подшипника колеса с внутренним диаметром 15 мм:

Центрующая оправка.

Центрующая оправка. Центрующая оправка STL

Оправка сделана с учетом небольшой усадки при печати, рассчитана на магнит D9x3 мм. Отверстие по центру дает возможность после приклеивания удержать магнит и при этом приподнять оправку — чтобы избежать ее приклеивания к корпусу колеса. Если у вас другой магнит — придется сделать свою оправку. Главное, правильно учесть размеры магнита при расчетах на доработку вала.

Рис. 12. Монтаж диаметрально намагниченного магнита на мотор-колесо.

Чтобы прижать магнит и вынуть оправку, можно использовать, например, карандаш.

Рис. 13. Использование оправки для магнита при монтаже.

Нанесите на магнит каплю клея и плотно прижмите к крышке диска. Дайте клею схватиться и выньте оправку, придерживая магнит карандашом. Эта операция требует аккуратности, иначе есть большой риск все склеить друг с другом.

Рис. 14. Вклейка магнита.