MakerLee's Workspace

메이커페어에 참가신청도 했겠다 이제 열심히 완성시키려고 하는 중입니다. 

그런데 이상하게 자꾸 아두이노 스케치 업로드가 안됩니다.

윈도우 11로 올린 지 얼마 되지 않았는데 이것때문인지 아니면 드라이버 문제인지 모르겠더군요.

드라이버를 계속 다시 재설치해보고 최신 드라이버 설치도 해보고 아두이노 나노와 프로 미니를 번갈아 가며 테스트해봤습니다. 

시리얼 칩 중 중국산 CH340은 드라이버 문제가 간간이 발생하기에 일부러 최신버전과 구버전도 다 테스트해봤습니다. 

그런데도 여전히 문제를 찾기 힘들어 시간내서 다시 Win10으로 다운그레이드도 했습니다. 

그래도 여전히 안됩니다.

컴퓨터를 포맷까지 했는데 안되길래 이제 아예 노트북을 써야 하나 고민하던 중에

혹시나 하고 시리얼 모니터를 꺼봤습니다. 

그랬더니 잘 되네요.....

Arduino IDE 1.8.0 이전 버전들은 시리얼 모니터와 상관없이 프로그램 업로드가 됐는데

오히려 최신 버전인 2.1.0에서 이런 황당한 문제가 있었네요.

덕분에 이틀간 시간만 날렸습니다. 

그리고 나서도 엔코더 로터리가 작동이 이상해서 체크해봤더니 B상(하늘색)이 안들어옵니다. 

회로를 점검해봤더니 메인보드와 스위치 보드에 둘다 풀업저항이 달려있었네요. 

이건 큰 문제는 아닌데 일단 한쪽을 제거했습니다. 

그리고 두번째로는 스위치 보드의 풀업저항이 연결이 안되어있었습니다. 

굉장히 오래전에 만든 회로인데 만들때 실수해놓고도 모르고 그냥 갖고 있었네요

하여간 납땜해서 풀업 연결하고 확인하니 제대로 작동하는군요

테스트 코드에도 문제없이 값을 출력합니다. 

https://pashiran.tistory.com/category/%5B%EC%99%84%EB%A3%8C%5DArduino%20Projects/Smart%20Fan%20Controller

예전에 만들었던 팬 컨트롤러를 마침 다 소비했더군요. 
PCB를 새로 주문하면서 스텐실도 같이 주문해서 테스트해보기로 했습니다. 

스텐실에 이름표를 붙여 두었습니다. 윗면을 표시하는 용도이기도 합니다. 

칩(Attiny85)마다 프로그램을 올리기 위한 준비를 합니다. 

1개만 손으로 납땜 후 정상동작하는지 확인해봤습니다. 

이제 나머지 칩들에도 업로드를 해줍니다.  

요렇게 크림납을 올립니다. 

스텐실을 떼어보니 예쁘게 잘 되었군요. 

이제 핀셋으로 부품들을 하나하나 올려줍니다.  다이오드는 따로 납땜 예정입니다. 

이것도 은근히 시간이 많이 걸리네요. 

원래 예열과정과 솔더 과정 등을 포함한 온도 프로파일을 작성해서 작동시켜야 합니다

그렇지만 그냥 200도 정도 세팅해놓고 올려놓아도 잘 되긴 하는군요. 

한동안은 재고가 충분할듯 합니다. 

리플로우 스테이션에 관한 지난 포스트가 2021년 4월 말이니 1년 2개월에 가까운 시간이 지났군요.

이렇게 오랜 시간이 지난 이유는 딱 하나, PID 세팅이 잡히지 않았기 때문인데요.

세팅값을 잡는 데 몇가지 문제가 있었습니다. 

일단 처음에는 아두이노 자체의 시리얼 플로터로 값을 확인하려 했지만

기능이 너무 단순해서 그래프를 제대로 보기 어려웠습니다.

찾아보니 PLX-DAQ 라는 액셀 기반 프로그램을 사용하면 시리얼로 들어온 값을 액셀에 기록하는 게 가능하더군요.

그리고 액셀의 차트 기능을 이용해서 그래프를 그렸습니다. 

그런데 아무리 튜닝을 해도 값이 잡히질 않더군요.

전체적으로 가열하는 시간과 온도값을 기록하는 시간과 식히는 시간까지 더해서 상당한 시간이 걸립니다. 

이걸 몇번만 하면 하루가 날아가고요. 

틈날 때마다 수십번을 튜닝해도 안되더군요.

그래서 다시 회로도를 훑었습니다. 

출력 핀을 PWM 으로 설정해 놓고는 연결은 A0 핀으로 해놨더군요.

몇달 간의  고생이 이걸로 끝나는구나 하고 신이 나서 수정후 다시 확인했습니다. 

여전히 안되네요.

결국 PID 컨트롤을 포기하고 온도차에 따라 PWM 값을 조절해서 근사값을 맞춰볼까 하는 생각을 했습니다. 

그래서 PWM 을 10 단위로 올려보면서 온도가 얼마나 상승하는지 측정을 해봤습니다. 

결과는 생각보다 PWM 값에 비례해서 온도 상승이 이뤄지질 않더군요.

혹시 SSR의 스위칭 속도가 PWM 주파수에 대응하지 못 하는 것이 아닐까? 하는 의문이 들었습니다.

https://www.electronicwings.com/users/sanketmallawat91/projects/215/frequency-changing-of-pwm-pins-of-arduino-uno#:~:text=in%20many%20applications.-,PWM%20is%20used%20by%20using%20function%20like%20%22analog%20Write%22.,a%20simple%20line%20of%20code%E2%80%9D.

arduino pwm frequency change로 검색을 해 봤더니 오래전에 smart fan controller 를 만들었을 때 봤던 것들이 나오더군요.

그때는 스위칭 소음을 줄이느라 주파수를 높였는데 이번에는 반대로 주파수를 최대한 낮춰 30Hz로 설정해봤습니다. 

몇번의 튜닝끝에 환상적인 결과가 나왔네요.

이제 겨우 기본적인 작동만 성공했지만 1년동안 답답하게 진도가 안 나가던 문제를 해결하니 속이 시원하군요

PID 세팅으로 대충 되겠지 하고 생각했는데 오산이었네요. (150도 세팅)

하루종일 삽질해서 저게 그나마 제일 편차가 적게 나온 그래프입니다. 

3D 프린터에서는 오토튜닝이 있어서 Kp,Ki,Kd 값을 쉽게 구할 수 있기 때문에 당연히 그럴 줄 알았는데

의외로 대부분의 PID 라이브러리에는 그런 기능이 없어 직접 튜닝을 해야 하더군요. 

큰 알루미늄 블럭을 가열하는거라 세팅하고 다시 식히고 세팅하고 식히는 시간이 오래걸려 얼음으로 온도를 내리는 중입니다. 

이 짓을 하루종일 했는데 도저히 튜닝값이 깔끔하게 안 잡히네요 

void PID_autotune(float temp, int extruder, int ncycles)
{
  float input = 0.0;
  int cycles=0;
  bool heating = true;

  unsigned long temp_millis = millis();
  unsigned long t1=temp_millis;
  unsigned long t2=temp_millis;
  long t_high = 0;
  long t_low = 0;

  long bias, d;
  float Ku, Tu;
  float Kp, Ki, Kd;
  float max = 0, min = 10000;

#if (defined(EXTRUDER_0_AUTO_FAN_PIN) && EXTRUDER_0_AUTO_FAN_PIN > -1) || \
    (defined(EXTRUDER_1_AUTO_FAN_PIN) && EXTRUDER_1_AUTO_FAN_PIN > -1) || \
    (defined(EXTRUDER_2_AUTO_FAN_PIN) && EXTRUDER_2_AUTO_FAN_PIN > -1)
  unsigned long extruder_autofan_last_check = millis();
#endif

  if ((extruder >= EXTRUDERS)
  #if (TEMP_BED_PIN <= -1)
       ||(extruder < 0)
  #endif
       ){
          SERIAL_ECHOLN("PID Autotune failed. Bad extruder number.");
          return;
        }
	
  SERIAL_ECHOLN("PID Autotune start");
  
  disable_heater(); // switch off all heaters.

  if (extruder<0)
  {
     soft_pwm_bed = (MAX_BED_POWER)/2;
     bias = d = (MAX_BED_POWER)/2;
   }
   else
   {
     soft_pwm[extruder] = (PID_MAX)/2;
     bias = d = (PID_MAX)/2;
  }




 for(;;) {

    if(temp_meas_ready == true) { // temp sample ready
      updateTemperaturesFromRawValues();

      input = (extruder<0)?current_temperature_bed:current_temperature[extruder];

      max=max(max,input);
      min=min(min,input);

      #if (defined(EXTRUDER_0_AUTO_FAN_PIN) && EXTRUDER_0_AUTO_FAN_PIN > -1) || \
          (defined(EXTRUDER_1_AUTO_FAN_PIN) && EXTRUDER_1_AUTO_FAN_PIN > -1) || \
          (defined(EXTRUDER_2_AUTO_FAN_PIN) && EXTRUDER_2_AUTO_FAN_PIN > -1)
      if(millis() - extruder_autofan_last_check > 2500) {
        checkExtruderAutoFans();
        extruder_autofan_last_check = millis();
      }
      #endif

      if(heating == true && input > temp) {
        if(millis() - t2 > 5000) { 
          heating=false;
          if (extruder<0)
            soft_pwm_bed = (bias - d) >> 1;
          else
            soft_pwm[extruder] = (bias - d) >> 1;
          t1=millis();
          t_high=t1 - t2;
          max=temp;
        }
      }
      if(heating == false && input < temp) {
        if(millis() - t1 > 5000) {
          heating=true;
          t2=millis();
          t_low=t2 - t1;
          if(cycles > 0) {
            bias += (d*(t_high - t_low))/(t_low + t_high);
            bias = constrain(bias, 20 ,(extruder<0?(MAX_BED_POWER):(PID_MAX))-20);
            if(bias > (extruder<0?(MAX_BED_POWER):(PID_MAX))/2) d = (extruder<0?(MAX_BED_POWER):(PID_MAX)) - 1 - bias;
            else d = bias;

            SERIAL_PROTOCOLPGM(" bias: "); SERIAL_PROTOCOL(bias);
            SERIAL_PROTOCOLPGM(" d: "); SERIAL_PROTOCOL(d);
            SERIAL_PROTOCOLPGM(" min: "); SERIAL_PROTOCOL(min);
            SERIAL_PROTOCOLPGM(" max: "); SERIAL_PROTOCOLLN(max);
            if(cycles > 2) {
              Ku = (4.0*d)/(3.14159*(max-min)/2.0);
              Tu = ((float)(t_low + t_high)/1000.0);
              SERIAL_PROTOCOLPGM(" Ku: "); SERIAL_PROTOCOL(Ku);
              SERIAL_PROTOCOLPGM(" Tu: "); SERIAL_PROTOCOLLN(Tu);
              Kp = 0.6*Ku;
              Ki = 2*Kp/Tu;
              Kd = Kp*Tu/8;
              SERIAL_PROTOCOLLNPGM(" Classic PID ");
              SERIAL_PROTOCOLPGM(" Kp: "); SERIAL_PROTOCOLLN(Kp);
              SERIAL_PROTOCOLPGM(" Ki: "); SERIAL_PROTOCOLLN(Ki);
              SERIAL_PROTOCOLPGM(" Kd: "); SERIAL_PROTOCOLLN(Kd);
              /*
              Kp = 0.33*Ku;
              Ki = Kp/Tu;
              Kd = Kp*Tu/3;
              SERIAL_PROTOCOLLNPGM(" Some overshoot ");
              SERIAL_PROTOCOLPGM(" Kp: "); SERIAL_PROTOCOLLN(Kp);
              SERIAL_PROTOCOLPGM(" Ki: "); SERIAL_PROTOCOLLN(Ki);
              SERIAL_PROTOCOLPGM(" Kd: "); SERIAL_PROTOCOLLN(Kd);
              Kp = 0.2*Ku;
              Ki = 2*Kp/Tu;
              Kd = Kp*Tu/3;
              SERIAL_PROTOCOLLNPGM(" No overshoot ");
              SERIAL_PROTOCOLPGM(" Kp: "); SERIAL_PROTOCOLLN(Kp);
              SERIAL_PROTOCOLPGM(" Ki: "); SERIAL_PROTOCOLLN(Ki);
              SERIAL_PROTOCOLPGM(" Kd: "); SERIAL_PROTOCOLLN(Kd);
              */
            }
          }
          if (extruder<0)
            soft_pwm_bed = (bias + d) >> 1;
          else
            soft_pwm[extruder] = (bias + d) >> 1;
          cycles++;
          min=temp;
        }
      } 
    }
    if(input > (temp + 20)) {
      SERIAL_PROTOCOLLNPGM("PID Autotune failed! Temperature too high");
      return;
    }
    if(millis() - temp_millis > 2000) {
      int p;
      if (extruder<0){
        p=soft_pwm_bed;       
        SERIAL_PROTOCOLPGM("ok B:");
      }else{
        p=soft_pwm[extruder];       
        SERIAL_PROTOCOLPGM("ok T:");
      }
			
      SERIAL_PROTOCOL(input);   
      SERIAL_PROTOCOLPGM(" @:");
      SERIAL_PROTOCOLLN(p);       

      temp_millis = millis();
    }
    if(((millis() - t1) + (millis() - t2)) > (10L*60L*1000L*2L)) {
      SERIAL_PROTOCOLLNPGM("PID Autotune failed! timeout");
      return;
    }
    if(cycles > ncycles) {
      SERIAL_PROTOCOLLNPGM("PID Autotune finished! Put the last Kp, Ki and Kd constants from above into Configuration.h");
      return;
    }
    lcd_update();
  }
}

Marlin 에서 PID autotuning 쪽 코드를 찾을 수 있지 않을까 싶어 뒤져보니 temperature.cpp 코드에 해당 부분이 있었습니다. 

이 코드를 분석해서 써먹을 수 있을지 공부해 봐야 겠습니다. 

이번 리플로우 스테이션 제작을 하면서 알게 된 것이지만 단순히 가열후 끝나는 것이 아니라 단계가 있더군요.

그래서 인터넷을 뒤져 기성품의 메뉴얼을 찾아봤습니다. 

납의 성분비에 따라 여러가지 프로파일을 설정해 두고 쓸 수 있도록 되어 있네요. 

프로그래밍 할 때 참조해 두어야 할 것 같습니다. 

아두이노 컨트롤러와 LCD 화면을 넣기 위해 설계를 했습니다. 

엔코더 스위치 보드와 겹치는 부분이 있어 LCD 보드는 일부 커팅을 해야 했습니다. 

SD메모리 핀이 있는 자리이긴 한데 SD메모리를 쓸 일은 없어서 상관이 없습니다. 

전선을 연결하고 하드웨어별로 하나씩 테스트를 해 봤습니다. 

LCD 잘 작동하고, 센서, 피에조, SSR신호까지 모두 정상입니다. 

이제 SSR을 포함한 AC 전원들을 잘 연결시켜서 내부로 조립해야 겠네요

이렇게 망한 후 구입한 기기가 도착했습니다. 

작고 아담해서 딱 원하던 크기입니다. 

빨리 이사를 하던가 해야지 진짜 물건둘곳이 없어 공구마련에 제한이 많이 붙습니다. 

들어있는 메뉴얼은 의미가 없습니다. 

왜냐하면 제가 구매한 기기는 아예 메뉴얼에 포함되지도 않았더군요.

메뉴얼이 필요없을정도로 사용법은 매우 단순합니다.

SET 누르고 화살표 눌러 온도설정하면 끝입니다. 

가열중에 온도체크를 해보려 했지만 반짝반짝 빛나는 판에서는 저렇게 파장으로 측정하는 방식의 온도센서로는 제대로 측정이 불가능합니다. 

분해를 해봤습니다. 딱 생각했던 대로의 구성입니다.  SSR과 히터, 컨트롤러입니다. 

선정리도 없이 그냥 너저분하게 밀어넣기만 했네요

상부에 세라믹 히터 3개가 박혀있는 방식이네요

제원상으로는 400W 라더니 150W 3개가 박혀있습니다. 

히터를 약간 재배치하고 써멀그리스를 발라서 다시 끼웠습니다.

조금이라도 열이 고르게 퍼지기를 바랍니다. 

기존에 썼던 컨트롤러를 거의 그대로 쓸 수 있을 것 같은데 그래도 일단 PCB를 일부 수정해서 재주문할 계획입니다.

아두이노 컨트롤러를 연결해서 온도측정을 했더니 여전히 온도가 이상하게 나옵니다. 

 K thermocouple의 AC noise 관련 검색을 해봤더니 캐패시터를 이렇게 저렇게 달라는 글들이 보여서

두번째 사진과 같이 0.1uF로 달았습니다. 

결과... 이렇게 쉽게 해결될 줄 알았다면 첫번째 히터를 갖고 좀 더 고민을 해볼걸 그랬나 싶네요.

하여간 이제 새 PCB 도착해서 완성하면 하드웨어는 거의 준비가 될 것 같습니다. 

 PCB를 만들었습니다. 

센서의 고정이 참 문제였는데요

머플러용 내열 에폭시를 굳혀 가열 테스트를 해봤지만 타더군요

1100도 내화성이 있다는 접착제를 구했습니다. 

발라서 고정하고요

이틀간 굳혔습니다. 

연결하고 테스트해봤더니 살짝살짝 연기가 나며 탑니다. 

온도는 500도인데...?

한참 가열하고 당겨보니 부스러지며 떨어지네요

그리고 추가적인 문제가 있습니다. 온도센서가 값이 이상하게 나오더군요

그런데 파워코드를 뽑으니 정상적으로 온도가 출력되네요

검색해보니 K-thermocouple 센서가 AC노이즈에 취약하다더군요. 

새로 센서 고정할 방법도 찾아봐야 하고 센서 노이즈도 해결해야 하는데 

그냥 하나 사는게 빠를듯하여.. 일단 구매해봤습니다. 

350도 이상으로 올라가고 온도측정만 제대로 되면 이걸 개조해서 사용하는게 비용과 시간 측면에서 더 낫겠더군요. 

씁쓸한 결말이지만 자작하다 보면 은근히 자주 겪게 되네요

기초설계를 끝냈습니다. 

사이즈를 크게 하면 쉬운데 작게 만드는 게 목표다 보니 여기저기 쥐어짜서 조정하느라 고생했습니다. 

디자인도 나름 이쁘게 나온 것 같네요

원래의 히터 크기에 비해 거의 늘지 않은 아담한 크기입니다. 

팬이 흡입한 공기는 일단 중앙의 고정볼트를 식힌 후 테두리를 따라 빠져 나가도록 되어 있습니다. 

220V 전선이 왔다갔다 할 거라서 조립작업이 쉽지는 않을 것 같네요. 

시제출력을 해 봤습니다. 

일단은 설계한 것과 크게 틀리지 않게 딱 맞아떨어지고 크기도 아담하니 마음에 드는군요. 

열기 때문에 PETG로 출력해야 하는데 이대로 문제가 없으면 그냥 써도 될 것 같습니다. 

히터의 하단부는 컨트롤러와 LCD 등이 들어가야 하므로 어찌됐건 3D 프린팅 출력물 베이스가 될 것입니다. 

그렇다면 상단의 열이 전해지지 않고 잘 쿨링이 되어야 문제가 생기기 않겠죠.

공사장에서 난방파이프 교체하며 그라스울을 폐기하려고 빼놓은게 있길래 조금 뜯어왔습니다. 

인체에 유해성은 없지만 저 가루는 피부를 엄청 따갑게 하죠. 

비닐에 넣어 조심조심 다루고 있습니다. 라이터로 살짝 지져봤는데 내화성이 그리 뛰어나진 않더군요. 

열차단을 하고 고정볼트에 너트와 와샤를 줄줄이 끼워서 방열을 시켜주려 합니다. 

잠깐 테스트해보니 연기가 폴폴 나네요.

솔직히 조립할때부터 의심이 갔습니다만 써보지도 않고 버리기도 뭐해서 사용해봤던 건데요. 

그라스울과 캡톤 테이프는 히터의 열기를 견디지 못하는군요.

중앙의 고정볼트를 통해서 내려오는 열을 어떻게든 해야 하는데...

고민하다가 PCB에 일단 고정하고, PCB를 다시 3D 출력물에 고정하면 될 것 같다는 생각이 들었습니다. 

팬을 임시 고정하고 히터를 켜서 테스트해봅니다. 

저 온도계는 오차가 심하긴 하지만 어쨋건 500도 전후까지 올라가는 건 맞는 것 같습니다. 

이때 중앙 볼트의 온도는 6~70도 전후가 되는 것 같군요. 

10분 이상 측정을 계속했는데 이 이상 올라가진 않는 것 같았습니다. 

설계에서 공기 순환을 더 잘 되도록 하면 괜찮을 것 같습니다. 

설계중인 정량 압출기 외에도 리플로우 스테이션을 같이 마련할 생각이 들었습니다. 

하지만 책상이나 책장이나 엄청난 포화상태인 방안에 또 다른 기기를 들여놓는건 부담이 심합니다. 

좋기야 이런게 제일 좋겠지만요

작고 싸고 한걸 찾다보니 이런게 있습니다. 

하지만 아쉬운게.. PTC방식 히터라서 최대온도 250도 전후가 한계입니다. 

저걸 살바엔 집에 있는 히터를 재활용하는게 낫겠지요

하지만 역시 온도가 문제입니다. 

최소한 300도, max 350도를 원하고 있습니다. 

잠깐 정리하자면 열판의 넓이는 가로세로 100mm 정도, 세로 크기는 100~130 전후

온도는 300~350도. 정밀한 온도제어가 가능할 것.  

이 정도가 원하는 물건의 스펙입니다. 

이상에 꽤 근접한 물건도 있습니다. 

그런데 어차피 저걸 구매해도 뜯어서 컨트롤러는 제 맘에 들게 고치게 될 것 같더군요

어차피 히터만 쓰고 컨트롤러를 다 뜯어낼거라면 히터만 있는 물건을 찾으면 되겠다는 생각이 들었습니다. 

한참 검색끝에 괜찮을 것 같은 물건을 발견합니다. 

지금은 15$로 나와있지만 제가 구매할때는 11$에 구매했습니다. 가격도 꽤 싸지요.

잠시 테스트해보니 강력한 출력에 온도도 쉽게 잘 올라가는군요

열차단 능력은 별로 좋지 않습니다. 측면 스테인레스 판이 쉽게 달아오르네요

구조를 파악해 보기 위해 분해했습니다. 

왠만하면 전부 갖고있는 부품들로 해결이 될 것 같네요

25A SSR로 작동테스트를 해 봤는데 이상없이 잘 작동하네요. 

아두이노랑 화면이랑 스위치 몇개 붙이면 될 것 같습니다. 

그런데 잘 생각해 보니 흔히 쓰던 100k 서미스터가 저 온도에서 작동을 안 할 것 같네요. 

온도센서는 하나 사야 할 것 같습니다.