Pakāpju motora un draivera izvēle Arduino automatizētajam ekrāna ekrāna projektam: 12 soļi (ar attēliem)

2024 Autors: John Day | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2024-01-30 10:54

Šajā pamācībā es veicu darbības, kuras veicu, lai atlasītu pakāpju motoru un draiveri automatizēta ēnu ekrāna projekta prototipam. Ēnu ekrāni ir populārie un lētie Coolaroo ar roku kloķētie modeļi, un es gribēju rokas kloķus nomainīt ar pakāpju motoriem un centrālo kontrolieri, kuru varētu ieprogrammēt paaugstināt un pazemināt toņus, pamatojoties uz aprēķinātajiem saules lēkta un saulrieta laikiem. Projekts vismaz piecu atkārtojumu laikā ir kļuvis par produktu, kuru varat atrast vietnē Amazon.com vai AutoShade.mx, taču pakāpiena motora un tā vadītāja elektronikas izvēles process ir jāpiemēro daudziem citiem projektiem, kuru pamatā ir Arduino.

Sākotnējā elektronikas prototipa konfigurācija bija Arduino Uno (Rev 3) procesors (Adafruit #50) ar displejiem (Adafruit #399), reālā laika pulksteņa laiks (Adafruit #1141) un divpakāpju motoru draiveri (Adafruit #1438)). Visas plates sazinās ar procesoru, izmantojot sērijas I2C saskarni. Visiem šiem nolūkiem ir pieejami programmatūras draiveri, kas ēnu ekrāna kontroliera izstrādi padara daudz vienkāršāku.

1. darbība: nosakiet prasības

Toni jādarbojas vismaz tikpat ātri kā ar rokas kloķēšanu. Pastāvīgs rokas pagriešanas ātrums varētu būt 1 kloķis sekundē. Lielākajai daļai pakāpju motoru pakāpienu izmērs ir 1,8 grādi jeb 200 soļi vienā apgriezienā. Tātad minimālajam soļa ātrumam jābūt aptuveni 200 soļiem sekundē. Divas reizes tas būtu vēl labāk.

Griezes moments, lai paceltu vai pazeminātu ēnu caur Coolaroo tārpu pārnesumu, tika mērīts uz 9 ēnu ekrāniem to augšdaļā un apakšā, izmantojot kalibrētu griezes momenta skrūvgriezi (McMaster Carr #5699A11 ar diapazonu +/- 6 in-lbs). Tas bija “atdalīšanās” griezes moments, un tas ļoti atšķīrās. Minimālais bija 0,25 in-lbs, bet maksimālais-3,5 in-lbs. Pareizā metriskā griezes momenta mērvienība ir N-m un 3 in-lbs ir.40 N-m, ko es izmantoju kā nominālo "berzes momentu".

Step motoru pārdevēji kāda iemesla dēļ norāda motora griezes momentu kg-cm vienībās. Minētais minimālais griezes moments 0,4 N-m ir 4,03 Kg-cm. Par pienācīgu griezes momenta rezervi es gribēju motoru, kas spēj nodrošināt divreiz lielāku vai aptuveni 8 kg cm. Apskatot ķēdes speciālistu uzskaitītos pakāpju motorus, ātri norādīja, ka man ir nepieciešams 23. rāmja izmēra motors. Tie ir pieejami īsos, vidējos un garos kaudzes garumos un dažādos tinumos.

2. solis: izveidojiet dinamometru

Pakāpju motoriem ir atšķirīgs griezes momenta un ātruma raksturlielums, kas ir atkarīgs no to tinumu piedziņas veida. Ir divi iemesli, kāpēc griezes moments samazinās līdz ar ātrumu. Pirmais ir tas, ka tinumos ir izveidots aizmugures EMF (spriegums), kas pretojas pielietotajam spriegumam. Otrkārt, tinumu induktivitāte iebilst pret strāvas izmaiņām, kas notiek ar katru soli.

Pakāpju motora veiktspēju var paredzēt, izmantojot dinamisko simulāciju, un to var izmērīt, izmantojot dinamometru. Es darīju abus, bet neapspriedīšu simulāciju, jo testa dati patiešām ir simulācijas precizitātes pārbaude.

Dinamometrs ļauj izmērīt motora griezes momentu, darbojoties ar kontrolētu ātrumu. Kalibrēta magnētisko daļiņu bremze iedarbina motora slodzes momentu. Ātrums nav jāmēra, jo tas būs vienāds ar motora soļa ātrumu, līdz slodzes griezes moments pārsniedz motora iespējas. Kad tas notiek, motors zaudē sinhronizāciju un rada skaļu raketi. Testa procedūra sastāv no pastāvīga ātruma noteikšanas, lēnas strāvas palielināšanas caur bremzi un tā vērtības atzīmēšanas tieši pirms motora sinhronizācijas zaudēšanas. Tas tiek atkārtots dažādos ātrumos un attēlots kā griezes moments pret ātrumu.

Izvēlētā magnētisko daļiņu bremze ir Placid Industries modelis B25P-10-1, kas iegādāts Ebay. Šis modelis vairs nav norādīts ražotāja vietnē, bet, pēc detaļas numura, tas ir novērtēts kā maksimālais griezes moments 25 in-lb = 2,825 N-m, un spole ir paredzēta 10 VDC (maks.). Tas ir ideāli piemērots pārbaudāmo 23. izmēra motoru testēšanai, kuru maksimālais griezes moments ir aptuveni 1,6 N-m. Turklāt šai bremzei bija pievienots izmēģinājuma caurums un stiprinājuma caurumi, kas ir identiski tiem, kas izmantoti NMEA 23 motoriem, tāpēc to varēja uzstādīt, izmantojot tāda paša izmēra stiprinājuma kronšteinu kā motors. Motoriem ir ¼ collu vārpstas, un bremzei bija ½ collu vārpsta, tāpēc Ebay tika iegādāts arī elastīgs sakabes adapteris ar tāda paša izmēra vārpstām. Viss, kas bija nepieciešams, bija piestiprināt pie divām kronšteiniem pie alumīnija pamatnes. Iepriekš redzamajā fotoattēlā redzams testa stends. Montāžas kronšteini ir viegli pieejami Amazon un Ebay.

Magnētisko daļiņu bremzes bremzēšanas moments ir proporcionāls tinuma strāvai. Lai kalibrētu bremzi, viens no diviem griezes momenta skrūvgriežiem tika pieslēgts pie vārpstas bremzes pretējā pusē kā pakāpiena motors. Divi izmantotie skrūvgrieži bija McMaster Carr detaļu numuri 5699A11 un 5699A14. Pirmā griezes momenta diapazons ir 6 in-lb = 0,678 N-m, bet otrajam maksimālais griezes momenta diapazons ir 25 in-lb = 2,825 N-m. Strāva tika piegādāta no mainīga līdzstrāvas barošanas avota CSI5003XE (50 V/3A). Iepriekš redzamajā grafikā parādīts izmērītais griezes moments pret strāvu.

Ņemiet vērā, ka šo testu interesējošajā diapazonā bremzēšanas griezes momentu var tuvināt ar lineāro attiecību Griezes moments (N-m) = 1,75 x bremžu strāva (A).

3. solis: atlasiet kandidātsoļu motoru draiverus

Pakāpju motorus var darbināt ar vienu tinumu, kas ir pilnībā aktīvs laikā, ko parasti sauc par VIENU pakāpienu, abus tinumus pilnībā aktīvus (DUPLĀS pakāpiens) vai abus tinumus daļēji aktīvus (MICROSTEPPING). Šajā lietojumprogrammā mūs interesē maksimālais griezes moments, tāpēc tiek izmantots tikai DUBULTS pakāpiens.

Griezes moments ir proporcionāls tinuma strāvai. Pakāpju motoru var darbināt ar nemainīgu spriegumu, ja tinumu pretestība ir pietiekami augsta, lai ierobežotu līdzstrāvas strāvu līdz motora nominālajai vērtībai. Adafruit #1438 Motorshield izmanto nemainīga sprieguma draiverus (TB6612FNG), kuru nominālais spriegums ir 15 VDC, maksimālais 1,2 ampēri. Šis draiveris ir lielākā tāfele, kas parādīta pirmajā fotoattēlā (bez diviem meitas dēļiem kreisajā pusē).

Veiktspēja ar pastāvīga sprieguma draiveri ir ierobežota, jo strāva pie ātruma ir ievērojami samazināta gan tinumu induktivitātes, gan aizmugures EMF dēļ. Alternatīva pieeja ir izvēlēties motoru ar zemāku pretestību un induktivitātes tinumu un vadīt to ar nemainīgu strāvu. Pastāvīgo strāvu rada impulsa platums, modulējot pielietoto spriegumu.

Lieliska ierīce, ko izmanto pastāvīgas strāvas piedziņas nodrošināšanai, ir Texas Instruments izgatavotais DRV8871. Šajā mazajā IC ir H tilts ar iekšējo strāvas sajūtu. Lai iestatītu vēlamo pastāvīgo (vai maksimālo) strāvu, tiek izmantots ārējs rezistors. IC automātiski atvieno spriegumu, kad strāva pārsniedz ieprogrammēto vērtību, un atkal to pielieto, kad tas nokrītas zem noteiktā sliekšņa.

DRV8871 nominālais spriegums ir 45 VDC, maksimālais - 3,6 ampēri. Tam ir iekšēja temperatūras pārraides ķēde, kas atvieno spriegumu, kad savienojuma temperatūra sasniedz 175 grādus. IC ir pieejams tikai 8 kontaktu HSOP iepakojumā, kura apakšējā pusē ir termo spilventiņš. TI pārdod izstrādes plati, kurā ir viens IC (viena soļa motoram ir nepieciešami divi), taču tas ir ļoti dārgi. Adafruit un citi pārdod nelielu prototipēšanas dēli (Adafruit #3190). Pārbaudei divi no tiem tika uzstādīti ārpus Adafruit Motorshield, kā parādīts pirmajā fotoattēlā.

Gan TB6612, gan DRV8871 pašreizējās piedziņas iespējas praksē ierobežo temperatūras paaugstināšanās detaļu iekšpusē. Tas būs atkarīgs no detaļu siltuma nogrimšanas, kā arī no apkārtējās vides temperatūras. Manos istabas temperatūras testos DRV8871 meitas dēļi (Adafruit #3190) sasniedza savas temperatūras pārsniegšanas robežas apmēram 30 sekundēs pie 2 ampēriem, un pakāpienu motori kļūst ļoti nestabili (viens posms ar pārtraukumiem, kad tiek ieslēgta un izslēgta temperatūras paaugstināšanas ķēde). Jebkurā gadījumā DRV8871 izmantošana kā meitas dēļi ir muļķība, tāpēc tika izstrādāts jauns vairogs (AutoShade #100105), kurā ir četri draiveri, lai darbinātu divpakāpju motorus. Šī tāfele tika veidota ar lielu daudzumu iezemētas plaknes abās pusēs, lai sildītu IC. Tas izmanto to pašu seriālo saskarni ar Arduino kā Adafruit Motorshield, tāpēc draiveriem var izmantot to pašu bibliotēkas programmatūru. Otrajā fotoattēlā ir parādīta šī shēmas plate. Plašāku informāciju par AutoShade #100105 skatiet Amazon vai AutoShade.mx vietnē.

Manā ēnu ekrāna lietojumprogrammā katra toņa pacelšana vai pazemināšana prasa 15 līdz 30 sekundes atkarībā no ātruma iestatījuma un ēnas attāluma. Tāpēc strāva ir jāierobežo tā, lai ekspluatācijas laikā nekad netiktu sasniegta pārkaršanas robeža. Laiks, lai sasniegtu 100105 pārmērīgās temperatūras robežas, ir ilgāks par 6 minūtēm ar 1,6 amp strāvas ierobežojumu un ilgāks par 1 minūti ar 2,0 amp strāvas ierobežojumu.

4. solis: atlasiet kandidātmotorus

Circuit Specialists ir divu izmēru 23 pakāpju motori, kas nodrošina nepieciešamo 8 kg cm griezes momentu. Abiem ir divu fāžu tinumi ar centrālajiem krāniem, lai tos varētu savienot tā, lai tiktu darbināti vai nu visi tinumi, vai puse. Šo motoru specifikācijas ir norādītas divās iepriekšējās tabulās. Abi motori ir gandrīz identiski mehāniski, bet elektriski 104 motoram ir daudz zemāka pretestība un induktivitāte nekā 207 motoram. Starp citu, elektriskās specifikācijas ir paredzētas pusei spoles ierosmei. Ja tiek izmantots viss tinums, pretestība dubultojas un induktivitāte palielinās par 4 reizes.

5. darbība. Izmēriet kandidātu griezes momenta ātrumu

Izmantojot dinamometru (un simulāciju), tika noteiktas griezes momenta un ātruma līknes vairākām motora/tinumu/strāvas piedziņas konfigurācijām. Šo testu dinamometra darbināšanai izmantoto programmu (skici) var lejupielādēt no vietnes AutoShade.mx.

6. solis: 57BYGH207 pus spoles pastāvīga sprieguma piedziņa pie nominālās strāvas

57BYGH207 motors ar pusi spolēm, kas darbina 12 V (pastāvīga sprieguma režīms), rada 0,4 ampērus un bija sākotnējā piedziņas konfigurācija. Šo motoru var vadīt tieši no Adafruit #1434 Motorshield. Iepriekš redzamajā attēlā parādīti simulētie un izmērītie griezes momenta ātruma raksturlielumi kopā ar sliktāko berzi. Šī konstrukcija krietni atpaliek no vēlamā griezes momenta, kas vajadzīgs darbam ar ātrumu 200 līdz 400 soļi sekundē.

7. solis: 57BYGH207 pus spoles pastāvīgās strāvas piedziņa pie nominālās strāvas

Pielietotā sprieguma dubultošana, bet smalcinātāja piedziņas izmantošana, lai ierobežotu strāvu līdz 0,4 ampēriem, ievērojami uzlabo veiktspēju, kā parādīts iepriekš. Palielinot pielietoto spriegumu, sniegums vēl vairāk uzlabosies. Bet darbība virs 12 V līdzstrāvas ir nevēlama vairāku iemeslu dēļ.

· DRV8871 spriegums ir ierobežots līdz 45 VDC

· Augstāka sprieguma sienas stiprinājuma barošanas avoti nav tik izplatīti un ir dārgāki

· Sprieguma regulatori, ko izmanto, lai piegādātu 5 V līdzstrāvas jaudu Arduino dizainā izmantotajai loģiskajai shēmai, ir ierobežoti līdz 15 V līdzstrāvas maks. Tātad, lai darbinātu motorus ar augstāku spriegumu, būtu nepieciešami divi barošanas avoti.

8. solis: 57BYGH207 pilnas spoles pastāvīgās strāvas piedziņa pie nominālās strāvas

Tas tika apskatīts ar simulāciju, bet netika pārbaudīts, jo man nebija 48 V barošanas avota. Griezes moments pie maziem apgriezieniem dubultojas, kad pilna spole tiek darbināta ar nominālo strāvu, bet pēc tam straujāk nokrīt.

9. solis: 57BYGH104 pilnas spoles pastāvīgās strāvas piedziņa pie ½ nominālās strāvas

Ar 12 V līdzstrāvu un 1,0 A strāvu tiek iegūts iepriekš parādītais griezes momenta ātruma raksturlielums. Testa rezultāti atbilst prasībām darbībai ar 400 soļiem sekundē.

10. solis: 57BYGH104 pilnas spoles pastāvīgās strāvas piedziņa pie 3/4 nominālās strāvas

Tinumu strāvu palielināšana līdz 1,6 ampēriem ievērojami palielina griezes momenta robežu.

11. solis: 57BYGH104 pilnas spoles pastāvīgās strāvas piedziņa pie nominālās strāvas

Ja tinumu strāvas tiek palielinātas līdz 2A un griezes moments palielinās, kā parādīts iepriekš, bet ne tik daudz, kā simulācija paredzētu. Tātad realitātē notiek kaut kas, kas ierobežo griezes momentu pie šīm augstākajām straumēm.

12. solis: galīgās izvēles izdarīšana

Pilnīga spoles izmantošana, nevis puse, noteikti ir labāka, taču ar 207 motoru tas nav vēlams augstākā nepieciešamā sprieguma dēļ. Motors 104 ļauj darboties ar zemāku spriegumu. Tāpēc šis motors ir izvēlēts.

Motora 57BYGH104 pilna spoles pretestība ir 2,2 omi. Vadītāja FETS pretestība DRV8871 ir aptuveni 0,6 omi. Tipiska elektroinstalācijas pretestība motoriem un no tiem ir aptuveni 1 omi. Tātad jauda, kas izkliedēta vienā motora ķēdē, ir tinumu strāva kvadrātā reizes 3,8 omi. Kopējā jauda ir divreiz lielāka, jo abi tinumi tiek darbināti vienlaikus. Iepriekš aplūkoto tinumu strāvu rezultāti ir parādīti šajā tabulā.

Motora strāvas ierobežošana līdz 1,6 ampēriem ļauj izmantot mazāku un lētāku 24 vatu barošanas avotu. Tiek zaudēta ļoti maza griezes momenta rezerve. Arī pakāpienu motori nav klusas ierīces. Braucot ar lielāku strāvu, tie kļūst skaļāki. Tātad zemākas jaudas un klusākas darbības interesēs pašreizējais ierobežojums tika izvēlēts kā 1,6 ampēri.