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

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja promjena: 2024-01-30 09:35

U ovom Instructableu proći ću korake koje sam poduzeo za odabir Step Motor -a i Driver -a za prototip projekta Automated Shade Screen. Zasloni su popularni i jeftini Coolaroo modeli s ručnim pokretanjem, a htio sam zamijeniti ručne ručice motorima s koračnim motorom i središnjim upravljačem koji se može programirati za podizanje i spuštanje sjenila na temelju izračunatog izlaska i zalaska sunca. Projekt je evoluirao kroz najmanje pet iteracija u proizvod koji možete pronaći na Amazon.com ili AutoShade.mx, no postupak odabira koračnog motora i njegove upravljačke elektronike jedan je koji bi trebao biti primjenjiv na mnoge druge projekte temeljene na Arduinu.

Početna konfiguracija odabrana za prototip elektronike bio je procesor Arduino Uno (Rev 3) (Adafruit #50) s pločama za prikaz (Adafruit #399), mjerenjima sata u stvarnom vremenu (Adafruit #1141) i motorima s dva koraka (Adafruit #1438)). Sve ploče komuniciraju s procesorom putem serijskog I2C sučelja. Za sve to 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 ručica u sekundi. Većina koračnih motora ima veličinu koraka od 1,8 stupnjeva ili 200 koraka po okretu. Dakle, minimalna brzina koraka trebala bi biti oko 200 koraka u sekundi. Dvaput bi to bilo još bolje.

Okretni moment za podizanje ili spuštanje sjene kroz pužni zupčanik Coolaroo mjeren je na 9 ekrana sjena na vrhu i dnu njihovog kretanja pomoću kalibriranog odvijača s zakretnim momentom (McMaster Carr #5699A11 s rasponom od +/- 6 in-lbs). To je bio "prekidni" moment, koji se jako razlikovao. Minimum je bio 0,25 in-lbs, a maksimum 3,5 in-lbs. Odgovarajuća metrička mjerna jedinica za okretni moment je N-m, a 3 in-lbs iznosi 0,40 N-m koji sam koristio kao nominalni "moment trenja".

Prodavači 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 hrpama s različitim namotima.

Korak 2: Izgradite dinamometar

Koračni motori imaju različite karakteristike zakretnog momenta i brzine koji 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 suprotstavlja se promjeni struje koja se događa sa svakim korakom.

Učinak koračnog motora može se predvidjeti pomoću dinamičke simulacije, a može se mjeriti pomoću dinamometra. Uradio sam oboje, ali neću raspravljati o simulaciji jer su testni podaci doista provjera točnosti simulacije.

Dinamometar omogućuje mjerenje obrtnog momenta motora tijekom rada 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 premaši mogućnosti motora. Kad 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 kočnica magnetskih čestica je model Placid Industries B25P-10-1 kupljen na Ebayu. Ovaj model više nije naveden na web mjestu 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). To je idealno za testiranje motora veličine 23 koji se razmatraju za najveće okretne momente od oko 1,6 N-m. Osim toga, ova je kočnica imala probnu rupu i rupe za montažu identične onima koje se koriste na motorima NMEA 23, pa se može montirati pomoću montažnog držača iste veličine kao i motor. Motori imaju osovine ¼ inča, a kočnica je imala osovinu od ½ inča pa je na Ebayu nabavljen i fleksibilni adapter spojnice s osovinama iste veličine. Sve što je bilo potrebno bilo je montiranje na dva nosača na aluminijsku podlogu. Gornja fotografija prikazuje testni stalak. Nosači za montažu dostupni su na Amazonu i Ebayu.

Kočioni moment kočnice magnetske čestice proporcionalan je struji namota. Za kalibriranje 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 najveći 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 promjenjivog istosmjernog 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 usko približiti linearnim odnosom Zakretni 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 koračanje) ili oba namota djelomično aktivna (MIKROSTEPPING). U ovoj aplikaciji zanima nas maksimalni okretni moment, pa se koristi samo DVOJNO koračanje.

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 upravljačke programe konstantnog napona (TB6612FNG) koji su ocijenjeni na 15 VDC, maksimalno 1,2 ampera. Ovaj upravljački program je veća ploča prikazana na prvoj gornjoj fotografiji (bez dvije pomoćne ploče s lijeve strane).

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

Sjajan uređaj koji se koristi za osiguranje pogona konstantne struje je DRV8871 tvrtke 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 ponovno ga primjenjuje kada padne ispod nekog praga.

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

Trenutne mogućnosti pogona i TB6612 i DRV8871 u praksi su ograničene porastom temperature unutar dijelova. To će ovisiti o zagrijavanju dijelova, kao i temperaturi okoline. U mojim ispitivanjima sobne temperature, kćerne ploče DRV8871 (Adafruit #3190) dosegle 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 zabuna, 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 Adafruit Motorshield, pa se isti softver knjižnice može koristiti za upravljačke programe. Druga gornja fotografija prikazuje ovu ploču. Za više informacija o AutoShade #100105 pogledajte popis na Amazonu ili web stranicu AutoShade.mx.

U mojoj aplikaciji za zasjenjenje zaslona potrebno je 15 do 30 sekundi za podizanje ili spuštanje svake sjene ovisno o postavci brzine i udaljenosti sjene. Struju stoga treba ograničiti tako da se granica rada nikada ne dosegne. Vrijeme za postizanje 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 zakretni 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 polovice zavojnice. Kad se koristi cijeli namot, otpor se udvostručuje, a induktivitet se povećava za 4 puta.

Korak 5: Izmjerite zakretni 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 s web stranice AutoShade.mx.

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

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

Korak 7: Pogon s konstantnom strujom od polovine zavojnice 57BYGH207 pri nazivnoj struji

Udvostručenje primijenjenog napona, ali korištenje pogona sjeckalice za ograničavanje struje na 0,4 ampera značajno poboljšava performanse kao što je prikazano gore. Daljnje povećanje primijenjenog napona dodatno bi poboljšalo performanse. No rad iznad 12 VDC nepoželjan je iz nekoliko razloga.

· Napon DRV8871 ograničen je na 45 VDC

· Napon za napajanje na zid s visokim naponom 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 nazivnoj 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 nazivnom strujom, ali tada brže opada.

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

Uz 12 VDC i struju od 1,0 A, dobivena je karakteristika brzine okretnog momenta prikazana gore. 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

Povećanjem struje namota na 1,6 ampera značajno se povećava zakretni moment.

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

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

Korak 12: Donošenje konačnog odabira

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

Puni otpor zavojnice motora 57BYGH104 iznosi 2,2 ohma. Otpor pogonskih FETS -a 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. Također, koračni motori nisu tihi uređaji. Pogon na veću struju čini ih glasnijim. Stoga je u interesu manje snage i tišeg rada odabrana trenutna granica od 1,6 ampera.