Tuning starego iOptron'a iEQ45 - enkoder na osi RA

zbuffer · 9 Października 2022

Witam!

Jestem posiadaczem montażu iOptron iEQ45 (nie pro). Jest to jeden z pierwszych montaży tej firmy. Ma klasyczną konstrukcję GE, napędzany jest serwami DC i oczywiście nie posiada enkoderów. Ma teoretycznie możliwość nagrania korekcji PEC, ale nie działa ona z guidingiem a sama w sobie nie wystarcza.

Montaż został już przeze mnie dość mocno zmodyfikowany:

- wymieniłem wszystkie łożyska na 'firmowe'

- wymieniłem smary

- założyłem paski o mniejszym module

- dodałem napinacze pasków

- przerobiłem ustawienie azymutu na śruby z gwintem drobnozwojnym

- wykonałem teflonową podkładkę pod głowicę

- zrobiłem nową poziomicę

- wypiaskowałem i przemalowałem proszkowo na czarno

- zbudowałem przeciwwagę z akumulatorem LiIon (której ostatecznie nie używam :D).

- zamontowałem siodełko od Primalucelab

- wyciąłem błędnie działający GPS.

- zmodyfikowałem sterownik dla platformy INDI bo miał kilka błędów.

Teraz przyszedł jednak moment na poważniejsze modyfikacje.

Ostatecznie prawdopodobnie zaprojektuję własną elektronikę i wymienię napędy na serwa Maxon'a (używane), żeby mieć pełną kontrolę.

Jestem jednak narazie na etapie instalacji enkodera na osi RA. Pomysł obejmuje dalszą modyfikację drivera dla platformy INDI, z uwzględnieniem odczytów z enkodera i wprowadzaniem poprawek przez Pulse Guiding.

Jeśli chodzi o typ enkodera to zdecydowałem się na zastosowanie rozwiązania wykorzystywanego przez twórców TDM (Telescope Drive Master), czyli inkrementalnego enkodera przemysłowego typu sinus-cosinus. Normalny enkoder inkrementalny, generujący jedynie sygnał kwadraturowy nie ma możliwości dostarczenia odpowiedniej rozdzielczości pomiaru, bo takie enkodery nie przekraczają kilkudziesięciu tysięcy impulsów na obrót. Enkodery używane w dobrych montażach i robotach przemysłowych muszą mieć dużą średnicę i są zawsze zintegrowane z obudową osi. Montaż takich pierścieni byłby niepraktyczny na gotowym montażu a same enkodery pewnie bardzo trudne do kupienia.

Enkoder typu sinus-cosinus to ciekawe rozwiązanie bo zamiast sygnału kwadraturowego wypluwa ciągły pomiar w postaci dwóch sinusoid przesuniętych o 90 stopni. Nie jest to jednak jedna a wiele sinusoid na jeden obrót. Taki sygnał pozwala na zgrubny pomiar kąta obrotu poprzez generowanie sygnału kwadraturowego (detekcja przejścia przez zero, np. za pomocą komparatorów) i precyzyjny w oparciu o pomiar wartości sygnału analogowego i zastosowanie funkcji arctan.

Udało mi się dopaść używany enkoder Heidenhain o 5000 sinusoid na obrót za około 180 EUR. Enkoder montuje się na wale napędu. W moim wypadku wykorzystałem gwint w osi RA, służący do instalacji lunetki biegunowej. Zaprojektowałem i wydrukowałem sobie mocowanie stalowego wałka, który był w zestawie z enkoderem, oraz obudowy całości. Nie jest to pewnie ostateczna forma ale do testów jest ok. Układ elektroniczny oparłem o moduł rozwojowy z mikrokontrolerem serii STM32, który ma wbudowane dwa przetworniki ADC o rozdzielczości 12 bitów, mogące pracować w trybie jednoczesnym - konieczne w celu uniknięcia przesunięcia fazowego sygnałów.

Dodatkowo przetworniki te mogą pracować na sygnale różnicowym a taki właśnie jest na wyjściu z enkodera. Po drodze trzeba jednak dokonać analogowego kondycjonowania sygnału (filtracja, przeskalowanie, przesunięcie zera) za pomocą układów FDA (fully differential amplifier). Polutowałem to testowo na płytce uniwersalnej (perfboard). Muszę jeszcze zrobić obudowę na płytkę. Obecnie program w mikrokontrolerze obejmuje tylko pomiar sygnałów z 256-krotnym oversamplingiem i wypluwa przez wirtualny COM port binarny strumień z pomiarami 16-bitowymi, z częstotliwością 1kHz.

W dalszej części wrzucę pierwsze pomiary...

Pozdrawiam!

Behlur_Olderys · 9 Października 2022

Elegancka robota.

Ciekawe jaką uzyskasz dokładność.

Trzymam kciuki!

zbuffer · 10 Października 2022

8 godzin temu, Behlur_Olderys napisał:

Elegancka robota.

Ciekawe jaką uzyskasz dokładność.

Trzymam kciuki!

Dzięki za miłe słowa!

Jeśli chodzi o dokładność to są dwa problemy. Po pierwsze poziom szumu samej analogowej części elektroniki i zastosowanie ADC wbudowanego w mikrokontroler. Jest to jedynie rozwiązanie tymczasowe ale chcę zobaczyć co z tego wycisnę. Po drugie, i tu mam większe obawy, brak bezpośredniej kontroli napędów i konieczność symulowania guidingu. Wiadomo, że nie przeskoczę tego jak zaimplementował to producent, a nie mam dobrych przeczuć… Dlatego nowa elektronika będzie pewnie nieunikniona, ale to da mi możliwość generalnego unowocześnienia i poprawienia wszystkiego co nie działa, więc będzie to fajny projekt.

zbuffer · 10 Października 2022

No to pora na pierwsze pomiary.

Najpierw na zatrzymanym montażu sprawdziłem z jakim poziomem szumu pomiaru kąta mam do czynienia.

Przypominam, że przetwornik analogowo-cyfrowy ma tylko 12 bit, a tak naprawdę to efektywnie ok. 10.5 bit wg producenta mikrokontrolera.

Stosując 256x oversampling teoretycznie uzyskać można 20 bit jednak wynik konwersji może mieć max 16 bit, więc trzeba go przesunąć w prawo o 4 bity.

Otrzymujemy więc lepszą rozdzielczość i przy okazji uśredniamy pomiar. Uwaga: żeby wykorzystać pełny zakres przetwornika sygnał musiałby się idealnie mieścić w zakresie napięć wejściowych, co oczywiście nie jest możliwe. Przy prezentowanych wynikach sygnał wykorzystywał tylko około 56% zakresu przetwornika. Muszę to poprawić zwiększając trochę wzmocnienie.

Tak czy inaczej, na płytce uniwersalnej i z wbudowanym ADC szum odczytu mieści się dla obu kanałów w przedziale mniej więcej +-11 jednostek. Samo to w sobie wiele nie mówi, ale po przeprowadzeniu analizy najgorszego przypadku wyszło mi, że największy błąd estymacji kąta wyniesie ok. 0.02 arcsec. Wygląda więc na to, że szum nie będzie mnie limitował. Biorąc natomiast pod uwagę częstotliwość próbkowania 1kHz, pracujący montaż pokona pomiędzy próbkami około 0.015 arcsec. Są to generalnie wartości o rząd wielkości mniejsze niż dokładność prowadzenia jaką chciałbym uzyskać.

W moim przypadku, ze względu na znaczny oversampling sygnału enkodera (tysiące próbek na jeden okres sinusa), zastosowałem software'owe generowanie sygnału kwadraturowego poprzez detekcję przejścia przez zero z histerezą. Poniżej fragment sygnału z enkodera podczas pracy montażu.

Brnąc dalej w temat wykonałem dłuższy pomiar pracy montażu, obejmujący 3 okresy ślimaka, żeby oszacować PE.

Na wykresie poniżej prezentuję błąd prowadzenia zakładający, że montaż powinien poruszać się zgodnie z prędkością ruchu gwiazd (sideral tracking), wynoszącą trochę ponad 15 arcsec/s. Widać, że bez usunięcia trendu, montaż prowadzi zbyt wolno, przynajmniej na tym fragmencie ślimacznicy (obliczam błąd jako model minus pomiar).

Następnie przechodzimy do transformaty Fouriera, żeby wyizolować z sygnału częstotliwości o znaczącej amplitudzie.

Na koniec syntetyzujemy PE używając transformaty odwrotnej.

Jak na montaż, w którym dokonano wszystkich opisanych wcześniej zmian, to raczej szału nie ma. Muszę zobaczyć czy ma tu jakiś wpływ wyważenie sprzętu i chyba przeczyszczę i przesmaruję wszystko jeszcze raz.

Oczywiście teraz przede mną najtrudniejsze zadanie - wykorzystanie enkodera do poprawienia prowadzenia.

Behlur_Olderys · 11 Października 2022

Bardzo elegancko!
+/- 10" to moim zdaniem wcale nie tak źle.

W jaki sposób uzyskałeś wykres z 3 okresami? Tam już pokazujesz chyba docelową dokładność? Czy robiłeś atan?

zbuffer · 11 Października 2022

3 godziny temu, Behlur_Olderys napisał:

Bardzo elegancko!
+/- 10" to moim zdaniem wcale nie tak źle.

W jaki sposób uzyskałeś wykres z 3 okresami? Tam już pokazujesz chyba docelową dokładność? Czy robiłeś atan?

Dzięki!

Nie rozumiem pytania więc opiszę.
Pomiar kąta składa się z kilku elementów. Najpierw generuję sygnał kwadraturowy z sin/cos, żeby wiedzieć w której ćwiartce okresu jestem, i akumuluję kąt dodając kolejne 90 stopni przy każdym przejściu. Do tego zgrubnego akumulowanego kąta dodaję dokładny pomiar brakującej reszty przez użycie funkcji arctan na sygnałach analogowych. Ostateczny pomiar ma zatem pełną rozdzielczość jaką mogę uzyskać. Musisz go sporo zoomować żeby zobaczyć gdzie się kończy rozdzielczość BTW dzięki dostępności sygnału analogowego nie jest do niczego potrzebne 1kHz żeby znać dokładny kąt - wystarczy że próbkowanie jest na tyle szybkie żeby dało się wygenerować kwadraturę i nie zgubić żadnej ćwiartki. W montażu astro to sprawa banalna ale już niekoniecznie jak taki enkoder pracuje na maszynie robiącej tysiące obrotów na minutę.

Nagrałem trochę ponad 1200s i przepuściłem przez skrypt w Pythonie, który wypluwa mi te wykresy. Zamiast dzielić pomiar na trzy 400s odcinki i to uśredniać, po prostu zrobiłem FFT całości a potem iFFT po wybraniu tych zaznaczonych częstotliwości. W sumie to dało coś w rodzaju uśrednienia, ale widać że ostateczny wykres nie powtarza się idealnie.

Behlur_Olderys · 11 Października 2022

14 godzin temu, zbuffer napisał:

pomiar brakującej reszty przez użycie funkcji arctan na sygnałach analogowych.

A, ok, tego nie wychwyciłem Porządny enkoder w takim razie! Próbowałem to samo na enkoderze od drukarki - jednak efekty były niespecjalne, widać drukarka służy do czegoś innego I zraziłem się wtedy do bawienia w arctan, a tu jednak jakość robi swoje

Gratuluję zatem z całego serca!

sidiouss · 11 Października 2022

Wspaniale się to czyta, uwielbiam takie projekty! Trzymam mocno kciuki i czekam na kolejne posty!

zbuffer · 11 Października 2022

28 minut temu, Behlur_Olderys napisał:

A, ok, tego nie wychwyciłem Porządny enkoder w takim razie! Próbowałem to samo na enkoderze od drukarki - jednak efekty były niespecjalne, widać drukarka służy do czegoś innego I zraziłem się wtedy do bawienia w arctan, a tu jednak jakość robi swoje

Gratuluję zatem z całego serca!

Pogratulujesz mi jak zmuszę ten montaż do prowadzenia na tyle dokładnie, żebym mógł wyeliminować guiding przy skali ok. 0.7''/px (marzy mi się przejście na dłuższą ogniskową). W przeciwnym przypadku to będzie sztuka dla sztuki. Nie odpuszczę jednak tak łatwo i przejdę do wymiany elektroniki jak się będzie bardzo opierał...

zbuffer · 11 Października 2022

4 minuty temu, sidiouss napisał:

Wspaniale się to czyta, uwielbiam takie projekty! Trzymam mocno kciuki i czekam na kolejne posty!

Wielkie dzięki! Postaram się nie zawieść. Następny etap to chyba próba przepisania drivera pod INDI, tak żeby mógł połączyć się z dwoma urządzeniami - montażem i enkoderem...? Nawet nie wiem czy to jest możliwe bez trików. Ewentualnie jakieś gadanie pomiędzy driverami... Na pewno nie jestem pierwszy z tym problemem :uhm:

Behlur_Olderys · 11 Października 2022

12 godzin temu, zbuffer napisał:

Wielkie dzięki! Postaram się nie zawieść. Następny etap to chyba próba przepisania drivera pod INDI, tak żeby mógł połączyć się z dwoma urządzeniami - montażem i enkoderem...? Nawet nie wiem czy to jest możliwe bez trików. Ewentualnie jakieś gadanie pomiędzy driverami... Na pewno nie jestem pierwszy z tym problemem

Hehe no wiesz, ja napisałem soft gadający między silnikami a enkoderem na mikrokontrolerze, a z zewnątrz tej korekcji nie widać. Dzięki temu sprzężenie zwrotne idzie najkrótszą możliwą drogą. Przechodzenie na zewnątrz, przez system operacyjny - moim zdaniem - spowoduje nieakceptowalne spowolnienie. A tak masz jeden układ który się tym zajmuje. To nie jest dużo logiki, PID w najgorszym przypadku. Na arduino uno spokojnie pójdzie. Do tego można łatwo napisać sterownik do ASCOM, ale tego webowego, alpaca. Tam wystarczy zaimplementować restowe API np. w pythonie. Nie wiem, jakie ma wymagania INDI.

BTW: nie martwiłbym się o te 0.7". Montaż ma swoją bezwładność, i raczej w skali dziesiątek milisekund można spokojnie zakładać, że zachowuje się liniowo. W związku z tym optymistyczne założenie jest takie, że jeśli poprowadzisz go gładko na poziomie 5" to będzie git.

Wiesz, chodzi mi o to:

W ciągu 0.3s ślimak przejedzie 5". Żeby mieć precyzję +/- 0.5" to wystarczy, żeby błąd prędkości nie przekroczył na tym odcinku 10%. Biorąc pod uwagę, jak bardzo gładki masz wykres PE wydaje się, że się zmieścisz w tych 10%. No, ale oczywiście praktyka pokaże, a ja trzymam kciuki.

Mój eq32 nie jest chyba sterowalny na tak niskim poziomie, ale masz dwie klasy lepszy montaż, jestem dobrej myśli

zbuffer · 27 Listopada 2022

Trochę czasu minęło od ostatniego postu bo miałem niestety bardzo mało czasu na pracę nad nowym sterownikiem do montażu. W końcu jednak się udało. Używam platformy INDI do sterowanie sprzętem. Moim pomysłem było rozszerzenie sterownika montażu tak by wspierał drugie urządzenie - płytę od enkodera.

Sterownik dla iOptron iEQ45 jest jakby podklasą generalnego sterownika opartego o protokół LX200. Niestety widać, że pisany był przez kilka osób i z chęcią wsparcia różnych modeli - jest bałagan, masa niewykorzystanych funkcji itp. Nie lubię pracować z takim kodem więc przepisałem cały sterownik od zera, opierając się o dokumentację protokołu iOptron'a. Znalazłem co najmniej kilka błędów w starym sterowniku. Swoją drogą protokół jest tekstowy, zero jakiejkolwiek kontroli błędów, wygląda jak napisany przez kogoś kto dopiero co nauczył się programować i może raz widział mikrokontroler. Niestety nie jest to jedyny sprzęt, w którym spotykam się z tak amatorskimi rozwiązaniami, które może były dobre do testowania a nie do stworzenia produktu. Na to niestety nie mam wpływu dopóki nie stworzę własnego montażu, więc trudno się mówi.

Po przepisaniu sterownika zaimplementowałem wsparcie dla mojego enkodera. Oczywiście transmisja odbywa się binarnie, pakietowo, z sumami kontrolnymi itp. Na koniec zostało rozszerzenie GUI sterownika, który wyświetla się w EKOSie. GUI zawiera podstawowe funkcje i parę diagnostycznych - połączenie z enkoderem, możliwość uruchomienia odczytu, PEC, zmienne wzmocnienia korekty, częstotliwość, możliwość zapisu odczytów w pliku itd. Dzięki zintegrowaniu sterownika enkodera ze sterownikiem montażu mam bezpośredni dostęp do PulseGuiding'u, który wykorzystuję do korekt. Rozwiązanie nie różni się specjalnie jeśli chodzi o generalny zamysł od TDM (Telescope Drive Master), ale tam urządzenie jest zupełnie zewnętrzne w stosunku do montażu, a guiding jest aplikowany przez złącze ST4. Oczywiście ingerując bezpośrednio w sterowniki montażu ma się dużo większe pole manewru co do np. zmiany trybu działania enkodera w zależności od tego co robi montaż czy możliwości korzystania z PulseGuiding'u po stronie kamery.

Dla mnie największą zagadką było to jak montaż zareaguje na szybkie korekty z enkodera poprzez PulseGuiding - coś na co bezpośrednio nie mam wpływu. Okazało się jednak, że jest lepiej niż się spodziewałem...

RMS bez PEC: 9.62 arcsec

RMS z PEC: 0.10 arcsec

Zoom na wykres z PEC:

Korekty robione były z częstotliwością 20Hz, co po kilku próbach wyglądało na najlepsze ustawienie. Na tym etapie korekta jest banalna - proporcjonalna do błędu z możliwością regulacji wzmocnienia, żadnej predykcji, żadnych fajerwerków. Na takie zabawy przyjdzie pora jak będę sterował napędami bezpośrednio.

Uwaga: brakuje mi kilku elementów toru optycznego, które właśnie jadą do mnie od Tomka, więc nie miałem sposobu na wykonanie pomiarów na gwiazdach i pod obciążeniem teleskopem, żeby zobaczyć jak to działa w praktyce.

Behlur_Olderys · 27 Listopada 2022

1 godzinę temu, zbuffer napisał:

Korekty robione były z częstotliwością 20Hz

Gratuluję! Myślałem, że Pulse Guide nie da rady.

Swoją drogą - rozumiem, że wykres to tylko odczyt z enkodera, a nie realny dryf na gwiazdach?

1 godzinę temu, zbuffer napisał:

Na to niestety nie mam wpływu dopóki nie stworzę własnego montażu, więc trudno się mówi.

Nie musisz tworzyć własnego montażu, wystarczy własny napęd: silniki + sterownik. Resztę mechaniki możesz zostawić

Trzymam kciuki!

zbuffer · 27 Listopada 2022

Dzięki!

Ja myślałem, że oprogramowanie montażu w ogóle nie jest na to przygotowane, szczególnie jak widziałem te ciągłe szybkie oscylacje na zapisie PE. Zresztą nie tylko na wykresie je widzę bo można je usłyszeć. Ciekawy jestem czy to problem mechaniczny czy takie świetne jest sterowanie prędkością serwa w tym montażu…

BTW tak jak pisałem na końcu - nie miałem jeszcze możliwości sprawdzenia tego podczas zbierania materiału. Zresztą wątpię żebym był w stanie zmierzyć z taką dokładnością prowadzenie na gwiazdach - może na jakiejś pustyni

Edytowane 27 Listopada 2022 przez zbuffer