馬格努斯效應 垂直軸風車 Arduino 程式碼公開與使用說明

本文提供馬格努斯效應垂直軸風車實驗裝置的 Arduino 程式原始碼與使用說明,與之前公開的 電路圖,機械零件表,3D 列印 STL檔搭配,就可以輕易完成這個有趣的實驗,有興趣的人可以下載來玩玩看!本實驗裝置的動態展示如以下影片所示:

 

Arduino 程式碼下載 => iCloud

本專案其他資源 => 電路圖,機械零件表,3D 列印 STL檔

本程式提供許多命令碼,可經由 Arduino 序列埠溝通以控制本程式的行為。命令碼列出如下:大小寫無區別,()為預設值

命令碼 功能 格式/說明

訊息顯示

On/Off

M0:訊息不顯示

M1:訊息顯示 ()

Test mode

測試模式

/正常模式

T0:正常模式 (), 根據相位角度對每一馬達輸出正弦波命令.

T1:<保留>

T2:測試模式2,每一馬達順時針旋轉且速度皆相同。

馬達的速度大小由 VR(可變電阻) 和 H指令控制。

Phase offset

(in degree)

相位偏移(度)

用於對準風向

Dnnn:-360 <= nnn <= 360

nnn 表示偏移角度.將馬達正弦命令加上nnn以對準風向.使迎風面的轉子與背風面的轉子旋轉方向相反。當迎風面的轉子順時針轉動,背風面的轉子逆時針轉動時,風車順時針旋轉。

範例:

D90:命令加 90 度

D180:命令加 180 度

D-55:命令減 -55 度

D0:命令無偏移 ()

Enable control

馬達個別使能

En:馬達個別使能控制,n的每一位元(bit)對應一個馬達

範例:

E0:所有馬達禁用

E1:僅啟用馬達 #1

E2:僅啟用馬達 #2

E4:僅啟用馬達 #3

E7:所有馬達啟用 ()

E3:#1、#2 馬達啟用

High value of motor command

馬達命令最大值

Hnnn:0 <= nnn <= 100

nnn 表示馬達正弦指令的振幅值。

範例:

H0:馬達停止

H50:50% 馬達命令

H100:100% 馬達命令  ()

Low value of motor command

馬達命令最小值

Lnnn:0 <= nnn <= 100

nnn 表示馬達正弦指令的最小值對最大值的比例。

範例:

L0:正常的正弦波,指令的最小值為0。

L30:正弦波為 0 時會映射為 30% 的正弦波振幅 ()

目的為讓馬達在改變方向時可以更快速,減少停頓

回授方向

順時針/逆時針

CW:順時針運轉 ()

CCW:逆時針運轉

由於此編碼器無法偵測方向,此命令用於指定回授方向,順時針時數值為(+),逆時針時數值為(-)。當改變此命令並不表示風車會立即逆轉,除非用D指令把相位也偏移180度。尚未熟悉本系統時請勿更改為 CCW。

本專案程式碼使用步驟說明:

  1. 將本專案的程式碼編譯並下載到 Arduino UNO 控制板。
  2. 開啟Arduino 的序列埠監控視窗,Baud Rate設定9600,應該可以觀察到數據持續列出。視窗上方為命令碼輸入處。

    馬格努斯垂直軸風車測試說明

  3. 手動使風車順時針持續旋轉,觀察 ABS PLS 的數值由 0,1,2 …20,21 …持續遞增,超過 79 後歸0,持續反復。若不正確請檢查光電感測器接線以及順序(上/中/下)是否錯誤。Feedback encoder test description
  4. 轉動 VR 可變電阻使馬達開始轉動,速度勿太快。
  5. 輸入命令碼 “T2“,以切換到 測試模式#2,此時3顆馬達應該都要順時針旋轉才正確。
  6. 如果有馬達不旋轉請檢查接線,或再調大VR。如果馬達是逆時針旋轉則對調馬達接線。
  7. 輸入命令碼 “E1“,確認只有 馬達#1 會轉動。
  8. 輸入命令碼 “E2“,確認只有 馬達#2 會轉動。
  9. 輸入命令碼 “E4“,確認只有 馬達#3 會轉動。
  10. 確認馬達的排列順序如下圖所示:即馬達 1->2->3為逆時針排列,若不正確則將任意2顆馬達對調。

    Magnus effect VAWT motor allocation

  11. 以上步驟都正確表示所有接線與排列順序都正確了。
  12. 接著輸入命令碼 “T0“, 切回正常模式。
  13. 手動使風車順時針轉動,觀察每一馬達是否在迎風面為順時針旋轉,背風面為逆時針旋轉。
  14. 若角度有偏差則使用 指令修正之,直到滿足步驟 13 的狀態。
  15. 修正完成則可開啟風扇,風車便可順時針持續旋轉。

注意事項

  • 風扇吹風需均勻覆蓋風車,勿只吹一側,風勿太強,距離勿太遠。
  • 風車開始轉動後,由於轉子慣量使相位開始落後,導致對風向偏差,可再動態以 D指令修正之,可使轉速繼續提升

Ref. 馬格努斯效應 與 垂直軸風車

Ref. 達里厄(Darrieus)垂直軸風車 3D列印檔案大公開


 

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