Izbira koračnega motorja in gonilnika za projekt samodejnega senčnega zaslona Arduino: 12 korakov (s slikami)

2024 Avtor: John Day | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-30 12:04

V tem navodilu bom šel skozi korake, ki sem jih naredil za izbiro koračnega motorja in gonilnika za prototip projekta Automated Shade Screen. Zasloni senčil so priljubljeni in poceni modeli Coolaroo z ročico, zato sem želel ročne ročice zamenjati s koračnimi motorji in centralnim krmilnikom, ki bi ga lahko programirali za dvig in spuščanje senčil glede na izračunane ure sončnega vzhoda in sončnega zahoda. Projekt se je skozi najmanj pet ponovitev razvil v izdelek, ki ga najdete na Amazon.com ali AutoShade.mx, vendar je postopek izbire koračnega motorja in njegove gonilne elektronike tisti, ki bi ga bilo treba uporabiti za številne druge projekte, ki temeljijo na Arduinu.

Za prototipno elektroniko je bila izbrana začetna konfiguracija procesorja Arduino Uno (Rev 3) (Adafruit #50) s ploščami za prikaz (Adafruit #399), merjenjem ure v realnem času (Adafruit #1141) in gonilniki motorja z dvema korakoma (Adafruit #1438)). Vse plošče komunicirajo s procesorjem prek serijskega vmesnika I2C. Za vse to so na voljo gonilniki programske opreme, zaradi česar je razvoj krmilnika senčil precej poenostavljen.

1. korak: Določite zahteve

Odtenki morajo delovati vsaj tako hitro kot pri ročnem ročanju. Dolgotrajna hitrost vrtenja roke je lahko 1 ročica na sekundo. Večina koračnih motorjev ima velikost korakov 1,8 stopinje ali 200 korakov na vrtljaj. Najmanjša hitrost korakov bi morala biti približno 200 korakov na sekundo. Dvakrat bi bilo še bolje.

Navor za dvig ali spuščanje senčila skozi polžasto prestavo Coolaroo smo izmerili na 9 zaslonih senčil na vrhu in na dnu njihove vožnje s kalibriranim izvijačem navora (McMaster Carr #5699A11 z razponom +/- 6 in-lbs). To je bil "odklopni" navor in se je zelo razlikoval. Najmanjša je bila 0,25 in-lbs, največja pa 3,5 in-lbs. Pravilna metrična merska enota za navor je N-m in 3 in-lbs je 0,40 N-m, ki sem jih uporabil kot nazivni "torni navor".

Prodajalci koračnih motorjev iz nekega razloga določajo navor motorja v enotah kg-cm. Zgornji najmanjši navor 0,4 N-m je 4,03 kg-cm. Za dostojno mejo navora sem hotel motor, ki bi lahko dal dvakrat to ali približno 8 kg-cm. Če pogledam koračne motorje, navedene na naslovu Specialist za vezja, je hitro ugotovilo, da potrebujem motor velikosti 23. Ti so na voljo v kratkih, srednjih in dolgih sklopih ter v različnih navitjih.

Korak: Zgradite dinamometer

Koračni motorji imajo značilno razliko med navorom in hitrostjo, ki je odvisna od načina pogona njihovih navitij. Obstajata dva razloga, zakaj se navor s hitrostjo zmanjšuje. Prvi je, da se v navitjih razvije povratna EMF (napetost), ki nasprotuje uporabljeni napetosti. Drugič, induktivnost navitja nasprotuje spremembi toka, ki se pojavi pri vsakem koraku.

Učinkovitost koračnega motorja je mogoče predvideti z dinamično simulacijo in jo izmeriti z dinamometrom. Opravil sem oboje, vendar ne bom razpravljal o simulaciji, ker so testni podatki res preverjanje natančnosti simulacije.

Dinamometer omogoča merjenje navora motorja med delovanjem pri nadzorovani hitrosti. Umerjena zavora magnetnih delcev uporablja navor obremenitve motorja. Hitrosti ni treba meriti, saj bo enaka stopnji korakov motorja, dokler navor obremenitve ne preseže zmogljivosti motorja. Ko se to zgodi, motor izgubi sinhronizacijo in naredi glasen lopar. Preskusni postopek je sestavljen iz ukazovanja konstantne hitrosti, počasnega povečevanja toka skozi zavoro in opazovanja njegove vrednosti tik preden motor izgubi sinhronizacijo. To se ponavlja pri različnih hitrostih in se prikaže kot navor proti hitrosti.

Izbrana zavora magnetnih delcev je model Placid Industries model B25P-10-1, kupljen na Ebayu. Ta model ni več naveden na proizvajalčevem spletnem mestu, vendar je glede na številko dela ocenjen na največji navor 25 in-lb = 2,825 N-m, tuljava pa je zasnovana za 10 V DC (max). To je idealno za preskušanje motorjev velikosti 23, ki imajo največji navor približno 1,6 N-m. Poleg tega je ta zavora imela pilotno luknjo in montažne luknje, enake tistim, ki se uporabljajo pri motorjih NMEA 23, zato jo je mogoče namestiti z nosilcem enake velikosti kot motor. Motorji imajo ¼ -palčne gredi, zavora pa je bila opremljena z ½ -palčno gredjo, zato je bil na Ebayu nabavljen tudi prilagodljiv sklopni adapter z gredmi enake velikosti. Vse, kar je bilo potrebno, je bilo pritrditi na dva nosilca na aluminijasto podlago. Zgornja fotografija prikazuje testno stojalo. Montažni nosilci so na voljo na Amazon in Ebay.

Zavorni moment zavore magnetnih delcev je sorazmeren s tokom navitja. Za kalibracijo zavore sta bila na gred na nasprotni strani zavore kot koračni motor priključena eden od dveh izvijačev za merjenje navora. Uporabljena sta bila dva izvijača McMaster Carr z oznako 5699A11 in 5699A14. Prvi ima največji razpon navora 6 in-lb = 0,678 N-m, drugi pa največji razpon navora 25 in-lb = 2,825 N-m. Tok je prihajal iz spremenljivega enosmernega napajanja CSI5003XE (50 V/3A). Zgornji graf prikazuje izmerjeni navor v primerjavi s tokom.

Upoštevajte, da je zavorni navor v obsegu, ki nas zanima za te preskuse, lahko natančno približan z linearnim razmerjem Navor (N-m) = 1,75 x Zavorni tok (A).

3. korak: Izberite Candidate Step Motor Drivers

Koračni motorji se lahko poganjajo z enim navitjem, ki je popolnoma aktivno v času, ki se običajno imenuje ENOTNO stopnjevanje, oba navitja sta popolnoma aktivna (Dvojno stopnjevanje) ali oba navitja delno aktivno (MIKROSTEPPING). V tej aplikaciji nas zanima največji navor, zato se uporablja samo Dvojno stopnjevanje.

Navor je sorazmeren s tokom navitja. Koračni motor se lahko poganja s konstantno napetostjo, če je upor navitja dovolj visok, da omeji tok dinamičnega ravnovesja na nazivno vrednost za motor. Motorni ščit Adafruit #1438 uporablja gonilnike konstantne napetosti (TB6612FNG), ki so ocenjeni na 15 V DC, največ 1,2 ampera. Ta gonilnik je večja plošča, prikazana na prvi fotografiji zgoraj (brez dveh hčerinskih plošč na levi).

Zmogljivost pri gonilniku s konstantno napetostjo je omejena, ker se tok pri hitrosti močno zmanjša zaradi induktivnosti navitja in povratnega EMF. Alternativni pristop je izbrati motor z nižjim uporom in indukcijskim navitjem ter ga poganjati s konstantnim tokom. Konstantni tok nastane s širino impulza, ki modulira uporabljeno napetost.

Odlična naprava za pogon s konstantnim tokom je DRV8871 proizvajalca Texas Instruments. Ta majhna IC vsebuje H -most z notranjim tokom. Zunanji upor se uporablja za nastavitev želenega konstantnega (ali največjega) toka. IC samodejno odklopi napetost, ko tok preseže programirano vrednost, in jo ponovno uporabi, ko pade pod določen prag.

DRV8871 je ocenjen na 45 VDC, največ 3,6 ampera. Vsebuje notranji vezje za zaznavanje previsoke temperature, ki odklopi napetost, ko temperatura spoja doseže 175 stopinj C. IC je na voljo samo v 8-polnem paketu HSOP, ki ima na spodnji strani termično blazinico. TI prodaja razvojno ploščo, ki vsebuje en IC (dva sta potrebna za enostopenjski motor), vendar je zelo drago. Adafruit in drugi prodajajo majhno ploščo za izdelavo prototipov (Adafruit #3190). Za preskus sta bila dva od teh nameščena zunaj motorja Adafruit Motorshield, kot je prikazano na prvi zgornji fotografiji.

Trenutne pogonske zmogljivosti tako TB6612 kot DRV8871 so v praksi omejene z dvigom temperature v delih. To bo odvisno od potopitve delov in temperature okolice. V mojih preskusih sobne temperature so hčerinske plošče DRV8871 (Adafruit #3190) v približno 30 sekundah pri 2 amperih dosegle svoje mejne vrednosti, koračni motorji pa postanejo zelo neredni (enofazni vmesni, ko se vklopi in izklopi krog nad temperaturo). Uporaba DRV8871 kot hčerinskih plošč je vseeno grozljivka, zato je bil zasnovan nov ščit (AutoShade #100105), ki vsebuje štiri gonilnike za upravljanje dvostopenjskih motorjev. Ta plošča je bila zasnovana z veliko količino ozemljitvene ravnine na obeh straneh za hlajenje IC -jev. Za Arduino uporablja isti serijski vmesnik kot Adafruit Motorshield, zato lahko za gonilnike uporabite isto knjižnično programsko opremo. Druga zgornja fotografija prikazuje to vezje. Za več informacij o AutoShade #100105 si oglejte seznam na Amazonu ali na spletnem mestu AutoShade.mx.

V moji aplikaciji za senčenje traja 15 do 30 sekund, da dvignem ali spustim vsako senco, odvisno od nastavitve hitrosti in razdalje senc. Zato je treba tok omejiti tako, da meja prekomerne temperature med delovanjem nikoli ne bo dosežena. Čas za dosego mejnih vrednosti prekomerne temperature na 100105 je večji od 6 minut pri omejitvi toka 1,6 amp in več kot 1 minuto pri meji toka 2,0 amp.

4. korak: Izberite Candidate Step Motors

Strokovnjaki za vezja imajo dva koračna motorja velikosti 23, ki zagotavljata potreben navor 8 kg-cm. Oba imata dva fazna navitja s sredinskimi pipami, zato ju je mogoče povezati tako, da se poganjata polna navitja ali polovična navitja. Specifikacije teh motorjev so navedene v zgornjih dveh tabelah. Oba motorja sta mehansko skoraj enaka, vendar ima električni motor 104 veliko nižji upor in induktivnost kot motor 207. Mimogrede, električne specifikacije so za vzbujanje polovične tuljave. Pri uporabi celotnega navitja se upor podvoji in induktivnost se poveča za faktor 4.

5. korak: Izmerite navor proti hitrosti kandidatov

Z dinamometrom (in simulacijo) smo določili krivulje navora proti hitrosti za številne konfiguracije motorja/navitja/tokovnega pogona. Program (skica), ki se uporablja za izvajanje dinamometra za te teste, lahko prenesete s spletnega mesta AutoShade.mx.

Korak 6: Pogon s konstantno napetostjo polovice tuljave 57BYGH207 pri nazivnem toku

Motor 57BYGH207 s polovično tuljavo, ki deluje pri 12V (način konstantne napetosti), povzroči 0,4 ampera in je bil prvotna konfiguracija pogona. Ta motor je mogoče poganjati neposredno iz motornega ščita Adafruit #1434. Zgornja slika prikazuje simulirane in izmerjene lastnosti hitrosti vrtilnega momenta skupaj z najslabšim trenjem. Ta zasnova pade daleč pod želeni navor, potreben za delovanje pri 200 do 400 korakih na sekundo.

Korak 7: Pogon konstantnega toka polovične tuljave 57BYGH207 pri nazivnem toku

Podvojitev uporabljene napetosti, vendar uporaba pogona sekljalnika za omejitev toka na 0,4 ampera znatno izboljša delovanje, kot je prikazano zgoraj. Nadaljnje zvišanje uporabljene napetosti bi še izboljšalo delovanje. Toda delovanje nad 12 V DC je nezaželeno iz več razlogov.

· Napetost DRV8871 je omejena na 45 V DC

· Višji napetostni stenski napajalniki niso tako pogosti in so dražji

· Regulatorji napetosti, ki se uporabljajo za napajanje 5 VDC za logično vezje, ki se uporablja v zasnovi Arduino, so omejeni na največ 15 V DC. Zato bi za delovanje motorjev pri višjih napetostih potrebovali dva napajalnika.

8. korak: Pogon s konstantnim tokom 57BYGH207 polne tuljave pri nazivnem toku

To smo pogledali s simulacijo, vendar nismo preizkusili, ker nisem imel 48 V napajanja. Navor pri nizkih hitrostih se podvoji, ko se polna tuljava poganja pri nazivnem toku, nato pa s hitrostjo hitreje odpade.

9. korak: Pogon s konstantnim tokom 57BYGH104 polne tuljave pri ½ nazivnega toka

Z 12 V DC in tokom 1,0 A dobimo zgoraj prikazano karakteristiko vrtilnega momenta. Rezultati preskusa izpolnjujejo zahteve za delovanje pri 400 korakih na sekundo.

Korak: Pogon s konstantnim tokom 57BYGH104 polne tuljave pri nazivnem toku 3/4

Povečanje tokov navitja na 1,6 ampera močno poveča rezervo navora.

Korak: Pogon s konstantnim tokom 57BYGH104 polne tuljave pri nazivnem toku

Če se tokovi navitja povečajo na 2A in se navor poveča, kot je prikazano zgoraj, vendar ne toliko, kot bi napovedala simulacija. Torej se v resnici dogaja nekaj, kar omejuje navor pri teh višjih tokovih.

12. korak: Dokončna izbira

Uporaba polne tuljave in ne polovice je vsekakor boljša, vendar zaradi motorja 207 zaradi višje napetosti ni zaželena. Motor 104 omogoča delovanje pri nižji uporabljeni napetosti. Ta motor je zato izbran.

Celotna upornost tuljave motorja 57BYGH104 je 2,2 ohma. Odpornost gonilniških FETS v DRV8871 je približno 0,6 ohma. Tipična odpornost ožičenja na motorje in iz njih je približno 1 ohm. Moč, ki se razprši v enem motornem vezju, je tok navitja v kvadratu 3,8 ohma. Skupna moč je dvakrat večja, saj se oba navitja poganjata hkrati. Za zgoraj obravnavane tokove navitja so rezultati prikazani v tej tabeli.

Omejitev tokov motorja na 1,6 ampera nam omogoča uporabo manjšega in cenejšega 24 -vatnega napajalnika. Izgubi se zelo malo navora. Tudi koračni motorji niso tihe naprave. Če jih poganjate pri večjem toku, postanejo glasnejši. Tako je bila zaradi manjše moči in tišjega delovanja izbrana trenutna meja 1,6 ampera.