Lépésmotor és illesztőprogram kiválasztása egy Arduino automatikus árnyékoló képernyőprojekthez: 12 lépés (képekkel)

2024 Szerző: John Day | [email protected]. Utoljára módosítva: 2024-01-30 09:41

Ebben az utasításban végigmegyek azon lépéseken, amelyeket egy lépésmotor és illesztőprogram kiválasztásához tettem egy prototípus automatizált árnyékképernyő projekthez. Az árnyékoló képernyők a népszerű és olcsó Coolaroo kézi forgatású modellek, és a kézi hajtókarokat lépésmotorokra és egy központi vezérlőre szerettem volna cserélni, amelyek programozhatók az árnyalatok emelésére és csökkentésére a számított napfelkelte és napnyugta ideje alapján. A projekt legalább öt iteráción keresztül olyan termékké fejlődött, amelyet megtalálhat az Amazon.com vagy az AutoShade.mx webhelyen, de a lépésmotor és a vezérlőelektronika kiválasztásának folyamata sok más Arduino -alapú projektre alkalmazható.

Az elektronikai prototípus kezdeti konfigurációja az Arduino Uno (Rev 3) processzor (Adafruit #50) volt, kijelző táblákkal (Adafruit #399), valós idejű óra időzítés (Adafruit #1141) és kétlépcsős motorvezérlők (Adafruit #1438)). Minden kártya soros I2C interfészen keresztül kommunikál a processzorral. Mindezekhez szoftveres illesztőprogramok állnak rendelkezésre, amelyek sokkal egyszerűbbé teszik az árnyékképernyős vezérlő fejlesztését.

1. lépés: Határozza meg a követelményeket

Az árnyalatoknak legalább olyan gyorsan kell működniük, mint kézi forgatáskor. A tartós kézi forgatási sebesség másodpercenként 1 hajtókar lehet. A legtöbb lépésmotor 1,8 fokos lépcsőmérettel rendelkezik, vagyis 200 lépés fordulatonként. Tehát a minimális lépéssebességnek körülbelül 200 lépésnek kell lennie másodpercenként. Kétszer is jobb lenne.

A Coolaroo csigahajtóművel az árnyék felemelésére vagy csökkentésére szolgáló nyomatékot 9 árnyékoló képernyőn mérték útjuk tetején és alján, kalibrált nyomatékcsavarhúzóval (McMaster Carr #5699A11, +/- 6 in-lbs tartományban). Ez volt a „kitörési” nyomaték, és ez nagyon változó volt. A minimum 0,25 in-lbs, a maximum 3,5 in-lbs volt. A nyomaték megfelelő metrikus mértékegysége N-m és 3 in-lbs 0,40 N-m, amelyet névleges „súrlódási nyomatékként” használtam.

A lépésmotor-gyártók valamilyen oknál fogva kg-cm egységben adják meg a motor nyomatékát. A fenti minimális 0,4 N-m nyomaték 4,03 Kg-cm. Egy tisztességes nyomatékért olyan motort szerettem volna, amely kétszer vagy körülbelül 8 kg-cm-t képes leadni. A Circuit Specialists által felsorolt lépésmotorok áttekintése gyorsan jelezte, hogy szükségem van egy 23 -as méretű motorra. Ezek rövid, közepes és hosszú köteghosszakban, valamint különböző tekercsekben kaphatók.

2. lépés: Készítsen dinamométert

A lépcsőmotorok nyomatéka és fordulatszáma eltérő, a tekercselésük módjától függően. Két oka van annak, hogy a nyomaték csökken a sebességgel. Az első az, hogy a tekercsekben egy hátsó EMF (feszültség) alakul ki, amely ellenáll az alkalmazott feszültségnek. Másodszor, a tekercselési induktivitás ellenzi az áramlás változását, amely minden lépésnél bekövetkezik.

A lépésmotor teljesítményét dinamikus szimuláció segítségével lehet megjósolni, és dinamométerrel lehet mérni. Mindkettőt megtettem, de nem fogok a szimulációról beszélni, mert a tesztadatok valóban a szimuláció pontosságának ellenőrzését jelentik.

A dinamométer lehetővé teszi a motor nyomatékkapacitásának mérését szabályozott fordulatszám mellett. Egy kalibrált mágneses részecskefék alkalmazza a terhelési nyomatékot a motorra. A fordulatszámot nem kell mérni, mivel az egyenlő lesz a motor lépési sebességével, amíg a terhelési nyomaték meg nem haladja a motor képességét. Ha ez megtörténik, a motor elveszíti a szinkronizációt, és hangos ütést hallat. A vizsgálati eljárás abból áll, hogy állandó sebességet rendel, lassan növeli az áramot a féken, és megjegyzi annak értékét, mielőtt a motor elveszíti szinkronját. Ezt különböző fordulatszámokon megismétlik, és nyomaték vs fordulatszám értékként ábrázolják.

A mágneses részecskefék a Placid Industries B25P-10-1 modellje, amelyet az Ebay-en vásároltak. Ez a modell már nem szerepel a gyártó weboldalán, de a cikkszám alapján 25 in-lb = 2,825 N-m csúcsnyomatékot biztosít, és a tekercset 10 V egyenfeszültségre tervezték. Ez ideális a vizsgált 23-as méretű motorok teszteléséhez, amelyek névleges csúcsnyomatéka körülbelül 1,6 N-m. Ezenkívül ez a fék egy kísérleti lyukkal és rögzítőlyukakkal rendelkezik, amelyek megegyeznek az NMEA 23 motorokénál alkalmazottakkal, így a motorhoz hasonló méretű tartókonzol segítségével szerelhető fel. A motorok ¼ hüvelykes tengelyekkel rendelkeznek, a fék pedig ½ hüvelykes tengelyhez került, így az Ebay -en beszereztek egy rugalmas tengelykapcsoló adaptert azonos méretű tengelyekkel. Csupán két konzolra kellett felszerelni egy alumínium talphoz. A fenti fénykép a tesztállványt mutatja. A rögzítőkonzolok könnyen elérhetők az Amazonon és az Ebay -en.

A mágneses részecskefék féknyomatéka arányos a tekercselő árammal. A fék kalibrálásához két nyomatékmérő csavarhúzó egyikét csatlakoztatták a fék ellenkező oldalán lévő tengelyhez, mint lépcsőmotor. A két csavarhúzó a McMaster Carr 5699A11 és 5699A14 cikkszáma volt. Az előbbi maximális nyomatéktartománya 6 in-lb = 0,678 N-m, míg az utóbbi maximális nyomatéktartománya 25 in-lb = 2,825 N-m. Az áramot egy változó egyenáramú CSI5003XE tápegységről (50 V/3A) táplálták. A fenti grafikon a mért nyomatékot és az áramot mutatja.

Megjegyezzük, hogy a vizsgálatokhoz tartozó tartományban a féknyomatékot közelíthetjük a nyomaték (N-m) = 1,75 x fékáram (A) lineáris összefüggéssel.

3. lépés: Válassza ki a jelölt motorhajtókat

A lépcsős motorok hajthatók úgy, hogy az egyik tekercs teljesen aktív, az úgynevezett SINGLE step, mindkét tekercs teljesen aktív (DOUBLE step) vagy mindkét tekercs részben aktív (MICROSTEPPING). Ebben az alkalmazásban a maximális nyomaték érdekel minket, ezért csak KETTŐS lépést használunk.

A nyomaték arányos a tekercselő árammal. A lépcsős motor hajtható állandó feszültséggel, ha a tekercselési ellenállás elég magas ahhoz, hogy az állandó állapotú áramot a motor névleges értékére korlátozza. Az Adafruit #1438 Motorshield állandó feszültségű meghajtókat (TB6612FNG) használ, amelyek névleges feszültsége 15 V DC, maximum 1,2 A. Ez a meghajtó a fenti táblán látható nagyobb tábla (a bal oldali két leánytábla nélkül).

Az állandó feszültségű meghajtó esetén a teljesítmény korlátozott, mivel a fordulatszámon az áram jelentősen csökken a tekercs induktivitása és a hátsó EMF miatt. Alternatív megoldásként alacsonyabb ellenállású és induktivitású tekercseléssel rendelkező motort kell kiválasztani, és állandó árammal hajtani. Az állandó áramot az alkalmazott feszültség modulálásával érik el.

Az állandóáramú meghajtás biztosítására nagyszerű eszköz a Texas Instruments által gyártott DRV8871. Ez a kis IC H -hidat tartalmaz, belső áramérzékeléssel. A kívánt állandó (vagy maximális) áram beállításához külső ellenállást használnak. Az IC automatikusan leválasztja a feszültséget, ha az áram meghaladja a programozott értéket, és újra alkalmazza, ha az valamilyen küszöb alá esik.

A DRV8871 névleges feszültsége 45 V DC, maximum 3,6 amper. Belső túlmelegedés-érzékelő áramkört tartalmaz, amely lekapcsolja a feszültséget, amikor a csomópont hőmérséklete eléri a 175 ° C-ot. Az IC csak 8 tűs HSOP csomagban kapható, amelynek alsó oldalán hőpárna van. A TI elad egy fejlesztőlapot, amely egy IC -t tartalmaz (kettő szükséges egy lépésmotorhoz), de nagyon drága. Az Adafruit és mások árulnak egy kis prototípus -táblát (Adafruit #3190). A vizsgálathoz ezek közül kettőt az Adafruit Motorshield külső járművére szereltek, amint az a fenti első képen látható.

A TB6612 és a DRV8871 jelenlegi meghajtási képességeit a gyakorlatban korlátozza az alkatrészek hőmérsékletének emelkedése. Ez az alkatrészek hőelnyelésétől és a környezeti hőmérséklettől függ. Szobahőmérséklet -tesztjeim során a DRV8871 leánylemezek (Adafruit #3190) körülbelül 30 másodperc alatt elérték a túlmelegedési határértékeket 2 amper mellett, és a lépcsőmotorok nagyon szabálytalanokká válnak (egyfázisú szakaszosan, a túlmelegedés áramkörének be- és kikapcsolásakor). A DRV8871 -esek leánytáblaként való használata egyébként is bunkóság, ezért új pajzsot terveztek (AutoShade #100105), amely négy meghajtót tartalmaz a kétlépcsős motorok működtetéséhez. Ezt a táblát úgy tervezték, hogy mindkét oldalon nagy mennyiségű földsík legyen, hogy hűtje az IC -ket. Ugyanazt a soros interfészt használja az Arduino -hoz, mint az Adafruit Motorshield, így ugyanaz a könyvtári szoftver használható az illesztőprogramokhoz. A fenti második képen ez az áramköri lap látható. Az AutoShade #100105 -ről további információkért tekintse meg az Amazon vagy az AutoShade.mx webhely listáját.

Az árnyékképernyős alkalmazásomban a sebesség beállításától és az árnyékolási távolságtól függően az egyes árnyalatok emelése vagy csökkentése 15–30 másodpercet vesz igénybe. Ezért az áramot úgy kell korlátozni, hogy működés közben soha ne érje el a túlmelegedési határértéket. A 100105 túlmelegedési határértékeinek eléréséhez szükséges idő több mint 6 perc 1,6 amper áramkorláttal és 1 percnél hosszabb 2,0 amper áramkorláttal.

4. lépés: Válassza ki a jelölt motorokat

A Circuit Specialists két 23-as méretű motorral rendelkezik, amelyek biztosítják a szükséges 8 kg-cm nyomatékot. Mindkettő két fázisú tekercseléssel rendelkezik, középső csapokkal, így összekapcsolhatók úgy, hogy vagy a teljes tekercs, vagy a féltekercs meghajtott legyen. Ezen motorok specifikációit a fenti két táblázat tartalmazza. Mindkét motor mechanikailag közel azonos, de elektromosan a 104 -es motor sokkal kisebb ellenállással és induktivitással rendelkezik, mint a 207 -es motor. Egyébként az elektromos előírások fél tekercs gerjesztésére vonatkoznak. A teljes tekercs használata esetén az ellenállás megduplázódik, és az induktivitás 4 -szeresére nő.

5. lépés: Mérje meg a jelöltek nyomaték -fordulatszámát

A dinamométer (és a szimuláció) segítségével meghatározták a nyomaték és fordulatszám görbéket számos motor/tekercs/áram meghajtó konfigurációnál. A próbapad futtatásához használt program (vázlat) letölthető az AutoShade.mx webhelyről.

6. lépés: 57BYGH207 féltekercs állandó feszültségű meghajtása névleges áram mellett

Az 57BYGH207 motor 12V -os féltekercses hajtással (állandó feszültségű üzemmód) 0,4 amper értéket eredményez, és ez volt az eredeti hajtáskonfiguráció. Ez a motor közvetlenül az Adafruit #1434 Motorshield -ről hajtható. A fenti ábra a szimulált és mért nyomaték -fordulatszám -jellemzőket mutatja a legrosszabb eset súrlódásával együtt. Ez a kialakítás messze a kívánt nyomaték alá esik, ami 200-400 lépésenkénti működéshez szükséges.

7. lépés: Az 57BYGH207 féltekercs állandó áramerőssége névleges áram mellett

Az alkalmazott feszültség megduplázása, de a szaggató meghajtó használata az áram 0,4 amperre való korlátozására jelentősen javítja a teljesítményt, amint azt a fentiek mutatják. Az alkalmazott feszültség további növelése még jobban javítaná a teljesítményt. De a 12 VDC feletti működés több okból is nem kívánatos.

· A DRV8871 45 VDC feszültségre van korlátozva

· A nagyobb feszültségű falra szerelhető tápegységek nem olyan gyakoriak, és drágábbak

· Az Arduino kivitelben használt logikai áramkör 5 V egyenáramú áramellátására használt feszültségszabályozók max. 15 V egyenáramúak. Tehát a motorok ennél magasabb feszültségen történő üzemeltetése két tápegységet igényel.

8. lépés: Az 57BYGH207 teljes tekercs állandó áramú meghajtása névleges áram mellett

Ezt nézték a szimulációval, de nem tesztelték, mert nem volt 48 V -os tápegységem. A nyomaték alacsony fordulatszámon megduplázódik, ha a teljes tekercset névleges árammal hajtják, de ezután gyorsabban csökken a sebességgel.

9. lépés: 57BYGH104 teljes tekercs állandó áram meghajtása ½ névleges áram mellett

A 12 V egyenáramú és 1,0 A áramerősség mellett a fenti nyomaték-fordulatszám karakterisztika eredményez. A vizsgálati eredmények megfelelnek a 400 lépés / másodperc sebességű működés követelményeinek.

10. lépés: Az 57BYGH104 teljes tekercs állandó áramú meghajtása 3/4 névleges áram mellett

A tekercsáramok 1,6 amperre való növelése jelentősen megnöveli a nyomatékhatárt.

11. lépés: 57BYGH104 teljes tekercs állandó áramú meghajtása névleges áram mellett

Ha a tekercsáramokat 2A -ra növeljük, és a nyomaték a fentiek szerint növekszik, de nem annyira, mint a szimuláció előre jelezné. Tehát valami történik a valóságban, ami korlátozza a nyomatékot ezeken a nagyobb áramokon.

12. lépés: A végső kiválasztás

Határozottan jobb a teljes tekercs kihasználása, mint a fele, de nem kívánatos a 207 -es motornál a szükséges nagyobb feszültség miatt. A 104 -es motor lehetővé teszi az alacsonyabb feszültségű működést. Ezért ez a motor van kiválasztva.

Az 57BYGH104 motor teljes tekercsellenállása 2,2 ohm. A DRV8871 meghajtó FETS ellenállása körülbelül 0,6 ohm. A motorokkal szembeni és onnan származó tipikus vezetékezési ellenállás körülbelül 1 ohm. Tehát az egyik motoráramban eloszló teljesítmény a tekercselő áram négyszeres ideje 3,8 ohm. A teljes teljesítmény ennek kétszerese, mivel mindkét tekercset egyidejűleg hajtják. A fent említett tekercsáramok esetében az eredményeket ebben a táblázatban mutatjuk be.

A motoráram 1,6 amperre korlátozása lehetővé teszi egy kisebb és olcsóbb 24 wattos tápegység használatát. Nagyon kevés nyomatékkülönbség veszik el. Ezenkívül a lépcsős motorok nem csendes eszközök. Ha nagyobb árammal hajtja őket, hangosabbá válik. Tehát az alacsonyabb teljesítmény és a csendesebb működés érdekében az áramkorlátot 1,6 amperre választották.