Odabir koračnog motora i upravljačkog programa za Arduino automatizirani zasjenjeni zaslon: 12 koraka (sa slikama)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja izmjena: 2024-01-30 08:06

U ovom Instructable -u proći ću korake koje sam poduzeo kako bih odabrao Step Motor i Driver za prototip projekta Automated Shade Screen. Zavjese su popularni i jeftini Coolaroo modeli s ručnim pokretanjem, a htio sam zamijeniti ručne ručice motorima sa koračnim motorom i centralnim kontrolerom koji se može programirati za podizanje i spuštanje sjenila na temelju izračunatog izlaska sunca i zalaska sunca. Projekt je evoluirao kroz najmanje pet iteracija u proizvod koji možete pronaći na Amazon.com ili AutoShade.mx, ali postupak odabira koračnog motora i njegove upravljačke elektronike jedan je koji bi trebao biti primjenjiv na mnoge druge projekte zasnovane na Arduinu.

Početna konfiguracija odabrana za prototip elektronike bio je Arduino Uno (Rev 3) procesor (Adafruit #50) sa pločama za prikaz (Adafruit #399), mjerenje vremena u realnom vremenu (Adafruit #1141) i motori s dva koraka (Adafruit #1438)). Sve ploče komuniciraju s procesorom putem serijskog I2C sučelja. Za sve ovo dostupni su softverski upravljački programi koji znatno pojednostavljuju razvoj kontrolera sjenila.

Korak 1: Odredite zahtjeve

Nijanse bi trebale djelovati barem jednako brzo kao kod ručnog pokretanja. Održana brzina pokretanja ruke može biti 1 radilica u sekundi. Većina koračnih motora ima veličinu koraka od 1,8 stepeni ili 200 koraka po okretu. Dakle, minimalna brzina koraka trebala bi biti oko 200 koraka u sekundi. Dva puta bi to bilo još bolje.

Okretni moment za podizanje ili spuštanje sjene kroz pužni zupčanik Coolaroo mjeren je na 9 ekrana za sjenila na vrhu i dnu njihovog kretanja pomoću kalibriranog odvijača zakretnog momenta (McMaster Carr #5699A11 s rasponom od +/- 6 in-lbs). Ovo je bio „prekidni“okretni moment, koji se jako razlikovao. Minimalna je bila 0,25 in-lbs, a maksimalna 3,5 in-lbs. Odgovarajuća metrička jedinica mjere za okretni moment je N-m, a 3 in-lbs je 0,40 N-m koji sam koristio kao nominalni "moment trenja".

Proizvođači koračnih motora iz nekog razloga navode zakretni moment motora u jedinicama kg-cm. Gornji minimalni okretni moment od 0,4 N-m iznosi 4,03 kg-cm. Za pristojnu marginu zakretnog momenta želio sam motor sposoban isporučiti dvostruko više ili oko 8 kg-cm. Pregledom koračnih motora navedenih u stručnim krugovima stručnjaci su brzo utvrdili da mi je potreban motor veličine 23. Dostupni su u kratkim, srednjim i dugim snopovima s različitim namotima.

Korak 2: Izgradite dinamometar

Koračni motori imaju različite karakteristike okretnog momenta u odnosu na brzinu koje ovise o načinu na koji se njihovi namoti pokreću. Dva su razloga zašto se okretni moment smanjuje s brzinom. Prvi je da se u namotima razvija povratni EMF (napon) koji se suprotstavlja primijenjenom naponu. Drugo, induktivitet namota se protivi promjeni struje koja se događa sa svakim korakom.

Performanse koračnog motora mogu se predvidjeti pomoću dinamičke simulacije, a mogu se mjeriti pomoću dinamometra. Uradio sam oboje, ali neću raspravljati o simulaciji jer su testni podaci zaista provjera tačnosti simulacije.

Dinamometar omogućuje mjerenje obrtnog momenta motora dok radi pri kontroliranoj brzini. Kalibrirana kočnica magnetskih čestica primjenjuje okretni moment opterećenja na motor. Nema potrebe mjeriti brzinu jer će ona biti jednaka brzini koraka motora sve dok okretni moment opterećenja ne prelazi mogućnosti motora. Kada se to dogodi, motor gubi sinkronizaciju i stvara glasan reket. Postupak ispitivanja sastoji se od zadavanja konstantne brzine, polaganog povećanja struje kroz kočnicu i bilježenja njene vrijednosti neposredno prije nego motor izgubi sinkronizaciju. To se ponavlja pri različitim brzinama i iscrtava kao zakretni moment u odnosu na brzinu.

Odabrana magnetna kočnica čestica je model Placid Industries B25P-10-1, kupljen na Ebayu. Ovaj model se više ne nalazi na web stranici proizvođača, ali prema broju dijela, ocijenjeno je da isporučuje najveći okretni moment od 25 in-lb = 2,825 N-m, a zavojnica je dizajnirana za 10 VDC (max). Ovo je idealno za testiranje motora veličine 23 koji se razmatraju za najveće momente od oko 1,6 N-m. Osim toga, ova kočnica je imala probnu rupu i montažne rupe identične onima koje se koriste na motorima NMEA 23, tako da se može montirati pomoću montažnog držača iste veličine kao i motor. Motori imaju osovine od ¼ inča, a kočnica je imala osovinu od ½ inča, pa je na Ebay -u nabavljen i fleksibilni adapter za spajanje sa osovinama iste veličine. Sve što je bilo potrebno bilo je montiranje na dva držača na aluminijsku podlogu. Gornja fotografija prikazuje štand za testiranje. Nosači za montažu su dostupni na Amazonu i Ebayu.

Kočioni moment kočnice magnetske čestice kočnice proporcionalan je struji namota. Za kalibraciju kočnice bilo koji od dva odvijača za mjerenje zakretnog momenta spojen je na vratilo na suprotnoj strani kočnice kao koračni motor. Dva odvijača koja su se koristila bili su McMaster Carr brojevi dijelova 5699A11 i 5699A14. Prvi ima maksimalni raspon okretnog momenta od 6 in-lb = 0,678 N-m, a drugi ima maksimalni raspon okretnog momenta od 25 in-lb = 2,825 N-m. Struja se napajala iz varijabilnog DC napajanja CSI5003XE (50 V/3A). Gornji grafikon prikazuje izmjereni okretni moment u odnosu na struju.

Imajte na umu da se u rasponu od interesa za ova ispitivanja kočni moment može blisko aproksimirati linearnim odnosom Moment (N-m) = 1,75 x Kočna struja (A).

Korak 3: Odaberite Candidate Step Motor Drivers

Koračni motori mogu se pokretati s jednim namotom koji je potpuno aktivan u vrijeme koje se obično naziva JEDNOSTAVNO stepenanje, oba namota su potpuno aktivna (DVOJNO stepenanje) ili oba namota djelomično aktivna (MIKROSTEPPING). U ovoj aplikaciji zanima nas maksimalni okretni moment, pa se koristi samo DVOJNO stepenanje.

Moment je proporcionalan struji namota. Koračni motor može se pokretati konstantnim naponom ako je otpor namota dovoljno visok da ograniči struju u stacionarnom stanju na nazivnu vrijednost za motor. Adafruit #1438 Motorshield koristi pokretače konstantnog napona (TB6612FNG) koji su ocijenjeni na 15 VDC, maksimalno 1,2 ampera. Ovaj upravljački program je veća ploča prikazana na prvoj fotografiji gore (bez dvije pomoćne ploče s lijeve strane).

Performanse s pogonom konstantnog napona su ograničene jer se brzina struje uvelike smanjuje zbog induktiviteta namota i stražnjeg EMF -a. Alternativni pristup je odabir motora s manjim otporom i induktivnim namotom i pokretanje s konstantnom strujom. Konstantna struja nastaje širinom impulsa koja modulira primijenjeni napon.

Odličan uređaj za pogon konstantne struje je DRV8871 kompanije Texas Instruments. Ovaj mali IC sadrži H most s unutarnjim osjetnikom struje. Vanjski otpornik koristi se za postavljanje željene konstantne (ili maksimalne) struje. IC automatski isključuje napon kada struja pređe programiranu vrijednost i ponovo ga primjenjuje kada padne ispod nekog praga.

DRV8871 je ocijenjen na 45 VDC, maksimalno 3,6 ampera. Sadrži unutarnji krug osjetnika prekomjerne temperature koji isključuje napon kada temperatura spoja dosegne 175 stupnjeva C. IC je dostupan samo u 8-polnom HSOP paketu koji ima donju stranu s termalnom podlogom. TI prodaje razvojnu ploču koja sadrži jedan IC (dvije su potrebne za motor sa jednim korakom), ali je vrlo skupa. Adafruit i drugi prodaju malu ploču za izradu prototipova (Adafruit #3190). Za testiranje, dva od njih su montirana izvan motora Adafruit Motorshield -a, kao što je prikazano na prvoj gornjoj fotografiji.

Trenutne pogonske mogućnosti i TB6612 i DRV8871 u praksi su ograničene porastom temperature unutar dijelova. To će ovisiti o zagrijavanju dijelova, kao i temperaturi okoline. U mojim testovima sobne temperature, kćerne ploče DRV8871 (Adafruit #3190) dostigle su svoje granice temperature za otprilike 30 sekundi pri 2 ampera, a koračni motori postaju vrlo nestabilni (jednofazno s prekidima kako se prekidač i temperatura isključuju). Korištenje DRV8871 kao matičnih ploča ionako je zamka, pa je dizajniran novi štit (AutoShade #100105) koji sadrži četiri upravljačka programa za rad s dvostupanjskim motorima. Ova ploča je dizajnirana s velikom količinom uzemljene ravnine s obje strane za hlađenje IC -a. Koristi isto serijsko sučelje za Arduino kao i Adafruit Motorshield, pa se isti softver biblioteke može koristiti za upravljačke programe. Druga gornja fotografija prikazuje ovu ploču. Za više informacija o AutoShade #100105 pogledajte unos na Amazonu ili web stranicu AutoShade.mx.

U mojoj aplikaciji zaslona za sjene potrebno je 15 do 30 sekundi za podizanje ili spuštanje svake nijanse ovisno o postavci brzine i udaljenosti sjene. Struju stoga treba ograničiti tako da se granica prekomjerne temperature nikada ne dosegne tijekom rada. Vrijeme za dostizanje granica prekomjerne temperature na 100105 veće je od 6 minuta s ograničenjem struje od 1,6 ampera i više od 1 minute s ograničenjem struje od 2,0 ampera.

Korak 4: Odaberite Candidate Step Motors

Stručnjaci za krugove imaju dva koračna motora veličine 23 koji osiguravaju potreban obrtni moment od 8 kg-cm. Oba imaju dva fazna namota sa središnjim slavinama pa se mogu spojiti tako da se pokreću ili puni ili polunamoti. Specifikacije ovih motora navedene su u dvije gornje tablice. Oba motora su mehanički gotovo identična, ali električno motor 104 ima mnogo manji otpor i induktivnost od motora 207. Usput, električne specifikacije su za pobudu na pola zavojnice. Kad se koristi cijeli namot, otpor se udvostručuje, a induktivitet se povećava za 4 puta.

Korak 5: Izmjerite obrtni moment u odnosu na brzinu kandidata

Pomoću dinamometra (i simulacije) određene su krivulje zakretnog momenta i brzine za brojne konfiguracije motora/namota/trenutnog pogona. Program (skica) koji se koristi za pokretanje dinamometra za ove testove može se preuzeti sa web stranice AutoShade.mx.

Korak 6: Pogon s konstantnim naponom od polovine zavojnice 57BYGH207 pri nominalnoj struji

Motor 57BYGH207 sa pola zavojnice pogonjen na 12V (način konstantnog napona) rezultira 0,4 ampera i bio je izvorna konfiguracija pogona. Ovaj motor se može pokretati direktno sa Adafruit #1434 Motorshield -a. Gornja slika prikazuje simulirane i izmjerene karakteristike brzine obrtnog momenta zajedno sa trenjem u najgorem slučaju. Ovaj dizajn pada daleko ispod željenog okretnog momenta potrebnog za rad pri 200 do 400 koraka u sekundi.

Korak 7: Pogon konstantne struje od polovine zavojnice 57BYGH207 pri nominalnoj struji

Udvostručenje primijenjenog napona, ali korištenje pogona helikoptera za ograničavanje struje na 0,4 ampera značajno poboljšava performanse kao što je prikazano gore. Daljnje povećanje primijenjenog napona poboljšalo bi performanse još više. Ali rad iznad 12 VDC je nepoželjan iz nekoliko razloga.

· DRV8871 je ograničen naponom na 45 VDC

· Napon za napajanje na zidu višeg napona nije tako uobičajen i skuplji je

· Regulatori napona koji se koriste za napajanje 5 VDC napajanja za logička kola korištena u Arduino dizajnu ograničeni su na 15 VDC max. Dakle, za rad motora na naponima većim od ovoga potrebna su dva izvora napajanja.

Korak 8: Pogon konstantne struje od pune zavojnice 57BYGH207 pri nominalnoj struji

Ovo je gledano simulacijom, ali nije testirano jer nisam imao napajanje od 48 V. Okretni moment pri malim brzinama udvostručuje se kad se puna zavojnica pokreće nominalnom strujom, ali tada brže opada.

Korak 9: Pogon konstantne struje od pune zavojnice 57BYGH104 pri ½ nazivne struje

Sa 12 VDC i strujom od 1,0A, gornja karakteristika okretnog momenta pokazuje. Rezultati ispitivanja zadovoljavaju zahtjeve za rad pri 400 koraka u sekundi.

Korak 10: Pogon konstantne struje od pune zavojnice 57BYGH104 pri nazivnoj struji 3/4

Povećanje struje namota na 1,6 ampera značajno povećava marginu zakretnog momenta.

Korak 11: Pogon konstantne struje od pune zavojnice 57BYGH104 pri nominalnoj struji

Ako se struje namota povećaju na 2A, a moment se poveća kao što je prikazano gore, ali ne toliko koliko bi simulacija predvidjela. Dakle, u stvarnosti se događa nešto što ograničava okretni moment pri ovim većim strujama.

Korak 12: Donošenje konačnog odabira

Korištenje pune zavojnice umjesto polovice je definitivno bolje, ali nije poželjno kod motora 207 zbog potrebnog većeg napona. Motor 104 omogućuje rad pri nižem primijenjenom naponu. Stoga je odabran ovaj motor.

Puni otpor zavojnice motora 57BYGH104 iznosi 2,2 ohma. Otpor drajvera FETS u DRV8871 je oko 0,6 ohma. Uobičajeni otpor ožičenja prema motorima i od njih je oko 1 ohm. Dakle, snaga koja se rasipa u jednom krugu motora je struja namota na kvadrat puta 3,8 ohma. Ukupna snaga je dvostruko veća jer se oba namota pokreću istovremeno. Za gore razmatrane struje namota, rezultati su prikazani u ovoj tablici.

Ograničavanje struja motora na 1,6 ampera omogućuje nam korištenje manjeg i jeftinijeg napajanja od 24 vata. Izgubljena je vrlo mala marža zakretnog momenta. Takođe, step motori nisu tihi uređaji. Pokretanjem na većoj struji, postaju glasniji. Tako je u interesu manje snage i tišeg rada odabrano ograničenje struje na 1,6 ampera.