Избор на стъпков двигател и драйвер за проект за автоматизиран сенчест екран на Arduino: 12 стъпки (със снимки)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последно модифициран: 2024-01-30 07:51

В тази инструкция ще премина през стъпките, които предприех, за да избера стъпков двигател и драйвер за прототип на проект за автоматизиран сенчест екран. Екраните на сенките са популярните и евтини модели на Coolaroo с коляно и аз исках да заменя ръчните манивели със стъпалови двигатели и централен контролер, който може да бъде програмиран да повишава и намалява сенките въз основа на изчисленото време за изгрев и залез на слънцето. Проектът еволюира чрез най -малко пет итерации в продукт, който можете да намерите на Amazon.com или AutoShade.mx, но процесът за избор на стъпков двигател и неговата електроника на драйвера е този, който трябва да бъде приложим за много други проекти, базирани на Arduino.

Първоначалната конфигурация, избрана за прототипа на електрониката, беше процесорът Arduino Uno (Rev 3) (Adafruit #50) с платки за показване (Adafruit #399), синхронизиране на часовника в реално време (Adafruit #1141) и драйвери с двойна стъпка (Adafruit #1438). Всички платки комуникират с процесора, използвайки сериен I2C интерфейс. Налични са софтуерни драйвери за всичко това, което прави разработката на контролера за сенчести екрани много по -опростена.

Стъпка 1: Определете изискванията

Сенките трябва да работят поне толкова бързо, колкото при ръчно завъртане. Устойчивата скорост на завъртане на ръката може да бъде 1 манивела в секунда. Повечето стъпалови двигатели имат размер на стъпката от 1,8 градуса или 200 стъпки на оборот. Така че минималната скорост на стъпките трябва да бъде около 200 стъпки в секунда. Това би било още по -добре два пъти.

Въртящият момент за повдигане или спускане на сянката чрез червячната предавка Coolaroo се измерва на 9 сенчести екрана в горната и долната част на тяхното движение с помощта на калибрирана въртяща се отвертка (McMaster Carr #5699A11 с диапазон от +/- 6 in-lbs). Това беше „откъснатият“въртящ момент и той варираше много. Минималната е 0,25 in-lbs, а максималната е 3,5 in-lbs. Правилната метрична мерна единица за въртящ момент е N-m и 3 in-lbs е.40 N-m, които използвах като номинален „въртящ момент на триене“.

Доставчиците на стъпалови двигатели посочват въртящ момент на двигателя в единици kg-cm по някаква причина. Горният минимален въртящ момент от 0,4 N-m е 4,03 Kg-cm. За приличен запас от въртящ момент исках мотор, способен да доставя два пъти това или около 8 кг-см. Преглеждайки стъпковите двигатели, изброени в специалистите по вериги, бързо показа, че имам нужда от двигател с размер 23. Те се предлагат с къси, средни и дълги купчини и различни намотки.

Стъпка 2: Изградете Динамометър

Стъпковите двигатели имат отлична характеристика на въртящия момент спрямо скоростта, която зависи от начина, по който се задвижват техните намотки. Има две причини, поради които въртящият момент намалява с оборотите. Първият е, че в намотките се развива обратен ЕМП (напрежение), което се противопоставя на приложеното напрежение. Второ, индуктивността на намотката се противопоставя на промяната в тока, която се случва с всяка стъпка.

Работата на стъпков двигател може да се предвиди с помощта на динамична симулация и може да се измери с помощта на динамометър. Направих и двете, но няма да обсъждам симулацията, защото тестовите данни наистина са проверка на точността на симулацията.

Динамометър позволява измерване на въртящия момент на двигателя, докато работи с контролирана скорост. Калибрирана спирачка на магнитни частици прилага въртящия момент на товара към двигателя. Не е необходимо да се измерва скоростта, тъй като тя ще бъде равна на честотата на стъпките на двигателя, докато въртящият момент на товара не надвиши възможностите на двигателя. След като това се случи, двигателят губи синхронизация и прави силен рекет. Процедурата за изпитване се състои в командване на постоянна скорост, бавно увеличаване на тока през спирачката и отбелязване на стойността му точно преди двигателят да загуби синхронизация. Това се повтаря при различни скорости и се нанася като въртящ момент спрямо скорост.

Избраната спирачка с магнитни частици е модел на Placid Industries B25P-10-1, закупен от Ebay. Този модел вече не е в списъка на уебсайта на производителя, но от номера на частта е оценен да доставя върхов въртящ момент от 25 in-lb = 2.825 N-m, а намотката е проектирана за 10 VDC (макс.). Това е идеално подходящо за тестване на разглежданите двигатели с размер 23, които са предназначени да произвеждат върхови въртящи моменти от около 1,6 N-m. В допълнение, тази спирачка идва с пилотен отвор и монтажни отвори, идентични с тези, използвани при двигатели NMEA 23, така че може да се монтира с помощта на монтажна скоба със същия размер като двигателя. Двигателите имат ¼ инчови валове, а спирачката идва с ½ инчов вал, така че гъвкав адаптер за свързване с валове със същия размер също беше закупен на Ebay. Всичко, което беше необходимо, беше да се монтира към две скоби към алуминиева основа. Снимката по -горе показва щанда за тестване. Монтажните скоби са лесно достъпни в Amazon и Ebay.

Спирачният момент на спирачката на магнитните частици е пропорционален на тока на намотката. За калибриране на спирачката, една от двете отвертки за измерване на въртящия момент е свързана към вала от противоположната страна на спирачката като стъпаловиден двигател. Двете отвертки, използвани, бяха номера на части на McMaster Carr 5699A11 и 5699A14. Първият има максимален диапазон на въртящ момент от 6 in-lb = 0,678 N-m, а вторият има максимален диапазон на въртящ момент от 25 in-lb = 2,825 N-m. Токът се подава от променливо DC захранване CSI5003XE (50 V/3A). Графиката по -горе показва измерения въртящ момент спрямо тока.

Обърнете внимание, че в обхвата на интереса за тези изпитвания спирачният момент може да бъде апроксимиран от линейната връзка Въртящ момент (N-m) = 1,75 x спирачен ток (A).

Стъпка 3: Изберете Candidate Step Drivers Drivers

Стъпковите двигатели могат да се задвижват с една намотка, която е напълно активна в момент, обикновено наричан ЕДИНСТВЕНА стъпка, и двете намотки са напълно активни (ДВОЙНО стъпване) или и двете намотки са частично активни (МИКРОСТЕПИРАНЕ). В това приложение се интересуваме от максимален въртящ момент, така че се използва само ДВОЙНО стъпване.

Въртящият момент е пропорционален на тока на намотката. Стъпков двигател може да се задвижва с постоянно напрежение, ако съпротивлението на намотката е достатъчно високо, за да ограничи постоянния ток до номиналната стойност за двигателя. Моторният щит Adafruit #1438 използва драйвери за постоянно напрежение (TB6612FNG), които са номинални при 15 VDC, максимум 1,2 ампера. Този драйвер е по -голямата платка, показана на първата снимка по -горе (без двете дъщерни дъски вляво).

Производителността с драйвер с постоянно напрежение е ограничена, тъй като токът при скорост е значително намален както поради индуктивността на намотката, така и от обратната ЕМП. Алтернативен подход е да изберете двигател с по -ниско съпротивление и индуктивна намотка и да го задвижите с постоянен ток. Постоянният ток се получава чрез импулсна ширина, модулираща приложеното напрежение.

Чудесно устройство, използвано за осигуряване на постоянен ток, е DRV8871, произведен от Texas Instruments. Тази малка IC съдържа H мост с вътрешен токов сензор. Външен резистор се използва за задаване на желания постоянен (или максимален) ток. IC автоматично изключва напрежението, когато токът надвиши програмираната стойност и го прилага отново, когато падне под някакъв праг.

DRV8871 е номинален при 45 VDC, максимум 3,6 ампера. Той съдържа вътрешна верига за превишаване на температурата, която прекъсва напрежението, когато температурата на кръстовището достигне 175 градуса С. IC се предлага само в 8-пинов HSOP пакет, който има термо подложка от долната страна. TI продава платка за разработка, която съдържа една IC (две са необходими за един стъпалов двигател), но това е много скъпо. Adafruit и други продават малка дъска за прототипи (Adafruit #3190). За тест два от тях бяха монтирани извън борда на Adafruit Motorshield, както е показано на първата снимка по -горе.

Настоящите възможности за задвижване както на TB6612, така и на DRV8871 на практика са ограничени от повишаването на температурата вътре в частите. Това ще зависи от потъването на топлината на частите, както и от температурата на околната среда. В моите тестове за стайна температура дъщерните платки DRV8871 (Adafruit #3190) достигнаха своите пределни температурни граници за около 30 секунди при 2 ампера, а стъпковите двигатели стават много нестабилни (единично фазиране с прекъсвания, когато веригата за превишаване на температурата се включва и изключва). Използването на DRV8871 като дънни платки е безсмислено, така че е проектиран нов щит (AutoShade #100105), който съдържа четири от драйверите, за да работи с двустепенни двигатели. Тази платка е проектирана с голямо количество заземена плоскост от двете страни за охлаждане на интегралните схеми. Той използва същия сериен интерфейс към Arduino като Adafruit Motorshield, така че същият библиотечен софтуер може да се използва за драйверите. Втората снимка по -горе показва тази платка. За повече информация относно AutoShade #100105 вижте списъка на Amazon или уебсайта AutoShade.mx.

В моето приложение за сенчести екрани са необходими 15 до 30 секунди, за да се повиши или намали всеки нюанс в зависимост от настройката на скоростта и разстоянието на сянката. Следователно токът трябва да бъде ограничен, така че границата на прегряване да не бъде достигната по време на работа. Времето за достигане на пределните температури на 100105 е по-голямо от 6 минути с ограничение на тока от 1,6 ампера и по-голямо от 1 минута с ограничение на тока от 2,0 ампера.

Стъпка 4: Изберете Candidate Step Motors

Специалистите по вериги имат два стъпалови двигателя с размер 23, които осигуряват необходимия въртящ момент от 8 kg-cm. И двете имат две фазови намотки с централни кранове, така че могат да бъдат свързани така, че да се задвижват или пълните намотки, или половината намотки. Спецификациите за тези двигатели са изброени в двете таблици по -горе. И двата двигателя са почти идентични механично, но електрически двигателят 104 има много по -ниско съпротивление и индуктивност от двигателя 207. Между другото, електрическите спецификации са за половин намотка възбуждане. Когато се използва цялата намотка, съпротивлението се удвоява и индуктивността се увеличава с 4 пъти.

Стъпка 5: Измерете въртящия момент спрямо скоростта на кандидатите

С помощта на динамометъра (и симулацията) бяха определени кривите на въртящия момент спрямо скоростта за редица конфигурации на двигател/намотка/ток. Програмата (скица), използвана за стартиране на динамометъра за тези тестове, може да бъде изтеглена от уебсайта AutoShade.mx.

Стъпка 6: Задвижване с постоянно напрежение на половин намотка 57BYGH207 при номинален ток

Моторът 57BYGH207 с половин намотка, задвижван при 12V (режим на постоянно напрежение) води до 0,4 ампера и е оригиналната конфигурация на задвижването. Този мотор може да се задвижва директно от Adafruit #1434 Motorshield. Горната фигура показва симулираните и измерени характеристики на въртящия момент заедно с най -лошото триене. Този дизайн пада далеч под желания въртящ момент, необходим за работа при 200 до 400 стъпки в секунда.

Стъпка 7: Задвижване с постоянен ток на половин намотка 57BYGH207 при номинален ток

Удвояването на приложеното напрежение, но използването на задвижването на хеликоптера за ограничаване на тока до 0,4 ампера подобрява работата значително, както е показано по -горе. Увеличаването на приложеното напрежение допълнително би подобрило работата още повече. Но работа над 12 VDC е нежелателна по няколко причини.

· Напрежението DRV8871 е ограничено до 45 VDC

· Захранванията за стенен монтаж с по -високо напрежение не са толкова често срещани и са по -скъпи

· Регулаторите на напрежение, използвани за захранване на 5 VDC мощност за логическата схема, използвана в дизайна на Arduino, са ограничени до 15 VDC max. Така че работата на двигателите при напрежение по -високо от това би изисквало два захранвания.

Стъпка 8: Задвижване с постоянен ток на пълна намотка 57BYGH207 при номинален ток

Това беше разгледано със симулацията, но не беше тествано, защото нямах 48 V захранване. Въртящият момент при ниски обороти се удвоява, когато пълната намотка се задвижва при номинален ток, но след това пада по -бързо със скорост.

Стъпка 9: Задвижване с постоянен ток на пълна намотка 57BYGH104 при ½ номинален ток

С 12 VDC и ток от 1.0A, показаната по-горе характеристика на въртящия момент показва скоростта. Резултатите от теста отговарят на изискванията за работа при 400 стъпки в секунда.

Стъпка 10: Задвижване с постоянен ток от 57BYGH104 пълна намотка при номинален ток 3/4

Увеличаването на токовете на намотките до 1,6 ампера увеличава значително запаса на въртящия момент.

Стъпка 11: Задвижване с постоянен ток на пълна намотка 57BYGH104 при номинален ток

Ако токовете на намотките се увеличат до 2А и въртящият момент се увеличи, както е показано по -горе, но не толкова, колкото симулацията би предвидила. Така че в действителност се случва нещо, което ограничава въртящия момент при тези по -високи токове.

Стъпка 12: Осъществяване на окончателния избор

Използването на пълната намотка, а не на половината, определено е по -добре, но не е желателно с двигателя 207 поради необходимото по -високо напрежение. Моторът 104 позволява работа при по -ниско приложено напрежение. Следователно този двигател е избран.

Пълното съпротивление на бобината на двигателя 57BYGH104 е 2,2 ома. Съпротивлението на драйвера FETS в DRV8871 е около 0,6 ома. Типичното съпротивление на окабеляването към и от двигателите е около 1 ом. Така че разсейваната мощност в една верига на двигателя е токът на намотката на квадрат 3,8 ома. Общата мощност е два пъти по -голяма, тъй като и двете намотки се задвижват едновременно. За токовете на намотките, разгледани по -горе, резултатите са показани в тази таблица.

Ограничаването на токовете на двигателя до 1,6 ампера ни позволява да използваме по -малко и по -евтино 24 ватово захранване. Много малък запас от въртящ момент се губи. Също така, стъпковите двигатели не са тихи устройства. Задвижването им при по -висок ток ги прави по -силни. Така че в интерес на по -ниска мощност и по -тиха работа, текущата граница беше избрана да бъде 1,6 ампера.