Memilih Motor Langkah dan Pemandu untuk Projek Skrin Shade Automatik Arduino: 12 Langkah (dengan Gambar)

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2024-01-30 11:09

Dalam Instructable ini, saya akan melalui langkah-langkah yang saya ambil untuk memilih Motor Step dan Driver untuk projek prototaip Automated Shade Screen. Skrin bayangan adalah model engkol tangan Coolaroo yang popular dan murah, dan saya ingin mengganti engkol tangan dengan motor langkah dan pengawal pusat yang dapat diprogramkan untuk menaikkan dan menurunkan warna berdasarkan waktu terbit dan terbitnya matahari. Projek ini telah berkembang melalui sekurang-kurangnya lima lelaran menjadi produk yang dapat anda temukan di Amazon.com atau AutoShade.mx, tetapi proses untuk memilih motor langkah dan elektronik pemacu adalah salah satu yang harus berlaku untuk banyak projek berasaskan Arduino yang lain.

Konfigurasi awal yang dipilih untuk prototaip elektronik adalah pemproses Arduino Uno (Rev 3) (Adafruit # 50) dengan papan untuk paparan (Adafruit # 399), waktu jam masa nyata (Adafruit # 1141) dan pemacu motor dua langkah (Adafruit # 1438). Semua papan berkomunikasi dengan pemproses menggunakan antara muka I2C bersiri. Pemacu perisian tersedia untuk semua ini menjadikan pengembangan pengawal skrin teduh jauh lebih mudah.

Langkah 1: Tentukan Keperluan

Bayangan harus beroperasi sekurang-kurangnya secepat dengan engkol tangan. Kelajuan gerakan tangan yang berterusan mungkin 1 engkol sesaat. Sebilangan besar motor langkah mempunyai ukuran langkah 1.8 darjah, atau 200 langkah per revolusi. Jadi kelajuan langkah minimum mestilah sekitar 200 langkah sesaat. Dua kali lebih baik.

Tork untuk menaikkan atau menurunkan bayangan melalui gear cacing Coolaroo diukur pada 9 skrin teduhan di bahagian atas dan bawah perjalanan mereka menggunakan pemutar skru torsi yang dikalibrasi (McMaster Carr # 5699A11 yang mempunyai julat +/- 6 in-lbs). Ini adalah tork “breakaway”, dan sangat berbeza. Minimum adalah 0.25 lbs dan maksimum 3.5 lbs. Unit ukuran metrik yang tepat untuk tork ialah N-m dan 3 in-lbs adalah.40 N-m yang saya gunakan sebagai "tork geseran" nominal.

Penjual motor step menentukan tork motor dalam unit kg-cm untuk beberapa sebab. Tork minimum di atas 0.4 N-m ialah 4.03 Kg-cm. Untuk margin tork yang layak, saya mahukan motor yang mampu menghasilkan dua kali ganda ini atau kira-kira 8 Kg-cm. Melihat ke atas motor langkah yang tertera di Circuit Specialist dengan cepat menunjukkan bahawa saya memerlukan motor berukuran 23 bingkai. Ini terdapat dalam timbunan pendek, sederhana dan panjang serta pelbagai belitan.

Langkah 2: Bina Dynamometer

Motor langkah mempunyai ciri tork vs kelajuan yang berbeza yang bergantung pada cara belitannya digerakkan. Terdapat dua sebab mengapa tork menurun dengan kepantasan. Yang pertama adalah bahawa EMF belakang (voltan) dikembangkan dalam belitan yang menentang voltan yang dikenakan. Kedua, induktansi penggulungan menentang perubahan arus yang berlaku pada setiap langkah.

Prestasi motor langkah dapat diramalkan menggunakan simulasi dinamik, dan dapat diukur dengan menggunakan dinamometer. Saya melakukan kedua-duanya, tetapi tidak akan membincangkan simulasi kerana data ujian benar-benar memeriksa ketepatan simulasi.

Dinamometer membolehkan mengukur kapasiti tork motor semasa berjalan pada kelajuan terkawal. Brek zarah magnet yang dikalibrasi menggunakan tork beban pada motor. Tidak perlu mengukur kelajuan kerana ia akan sama dengan laju langkah motor sehingga tork beban melebihi kemampuan motor. Setelah ini berlaku, motor kehilangan penyegerakan dan membuat raket kuat. Prosedur ujian terdiri daripada memerintahkan kelajuan tetap, perlahan-lahan meningkatkan arus melalui brek, dan mencatat nilainya tepat sebelum motor kehilangan sinkron. Ini diulang pada pelbagai kelajuan dan diplot sebagai tork vs kelajuan.

Brek zarah magnet yang dipilih adalah model Placid Industries B25P-10-1 yang dibeli di Ebay. Model ini tidak lagi disenaraikan di laman web pengeluar, tetapi dari nombor bahagiannya, ia dinilai untuk memberikan tork puncak 25 in-lb = 2.825 N-m, dan gegelung dirancang untuk 10 VDC (maksimum). Ini sangat sesuai untuk menguji motor bersaiz 23 yang dipertimbangkan yang dinilai menghasilkan daya kilas puncak sekitar 1.6 N-m. Selain itu, rem ini dilengkapi dengan lubang pilot dan lubang pemasangan yang serupa dengan yang digunakan pada motor NMEA 23, sehingga dapat dipasang menggunakan braket pemasangan ukuran yang sama dengan motor. Motor memiliki poros ¼ inci dan rem disertakan dengan poros ½ inci sehingga penyesuai gandingan fleksibel dengan poros ukuran yang sama juga diperoleh di Ebay. Yang diperlukan hanyalah memasang dua pendakap ke aluminium. Foto di atas menunjukkan tempat ujian. Kurung pelekap tersedia di Amazon dan Ebay.

Tork brek brek zarah magnetik berkadar dengan arus belitan. Untuk menentukur brek, salah satu daripada dua pemutar skru pengukur tork disambungkan ke poros di bahagian berlawanan brek sebagai motor langkah. Dua pemutar skru yang digunakan ialah nombor bahagian McMaster Carr 5699A11 dan 5699A14. Yang pertama mempunyai julat tork maksimum 6 in-lb = 0,678 N-m dan yang kedua mempunyai julat tork maksimum 25 in-lb = 2,825 N-m. Arus dibekalkan dari bekalan kuasa DC berubah-ubah CSI5003XE (50 V / 3A). Grafik di atas menunjukkan daya kilas yang diukur berbanding arus.

Perhatikan bahawa dalam jangkauan minat untuk ujian ini, tork brek dapat dihampirkan dengan hubungan linear Tork (N-m) = 1.75 x Arus Brek (A).

Langkah 3: Pilih Pemandu Motor Langkah Calon

Motor langkah dapat digerakkan dengan satu belitan yang aktif sepenuhnya pada waktu yang biasa disebut SINGLE melangkah, kedua-dua belitan aktif sepenuhnya (DOUBLE stepping) atau kedua-dua belitan tersebut aktif secara separa (MICROSTEPPING). Dalam aplikasi ini, kami berminat dengan tork maksimum, jadi hanya langkah DOUBLE yang digunakan.

Tork berkadar dengan arus belitan. Motor langkah boleh digerakkan dengan voltan malar jika rintangan belitan cukup tinggi untuk membatasi arus keadaan tetap ke nilai yang dinilai untuk motor. Adafruit # 1438 Motorshield menggunakan pemacu voltan malar (TB6612FNG) yang dinilai pada 15 VDC, maksimum 1.2 amp. Pemacu ini adalah papan yang lebih besar yang ditunjukkan pada foto pertama di atas (tanpa papan anak perempuan di sebelah kiri).

Prestasi dengan pemacu voltan malar adalah terhad kerana arus pada kelajuan sangat berkurang disebabkan oleh induktansi belitan dan EMF belakang. Pendekatan alternatif adalah memilih motor dengan rintangan yang lebih rendah dan belitan induktansi dan menggerakkannya dengan arus yang tetap. Arus malar dihasilkan oleh lebar nadi memodulasi voltan yang dikenakan.

Peranti hebat yang digunakan untuk menyediakan pemacu arus tetap ialah DRV8871 yang dibuat oleh Texas Instruments. IC kecil ini mengandungi jambatan H dengan pengertian arus dalaman. Perintang luaran digunakan untuk menetapkan arus pemalar (atau maksimum) yang diingini. IC secara automatik memutuskan voltan apabila arus melebihi nilai yang diprogramkan dan menggunakannya semula apabila jatuh di bawah beberapa ambang.

DRV8871 dinilai pada 45 VDC, maksimum 3,6 amp. Ia mengandungi litar pengesan suhu berlebihan dalaman yang memutuskan voltan apabila suhu persimpangan mencapai 175 darjah C. IC hanya tersedia dalam pakej HSOP 8 pin yang mempunyai pad termal di bahagian bawah. TI menjual papan pengembangan yang mengandungi satu IC (dua diperlukan untuk motor satu langkah), tetapi sangat mahal. Adafruit dan yang lain menjual papan prototaip kecil (Adafruit # 3190). Untuk ujian, dua daripadanya dipasang di luar Adafruit Motorshield seperti yang ditunjukkan pada foto pertama di atas.

Keupayaan pemacu semasa TB6612 dan DRV8871 pada praktiknya dibatasi oleh kenaikan suhu di dalam bahagian. Ini bergantung pada penyerapan haba bahagian dan juga suhu persekitaran. Dalam ujian suhu bilik saya, papan anak perempuan DRV8871 (Adafruit # 3190) mencapai had suhu melebihi mereka dalam masa kira-kira 30 saat pada 2 amp, dan motor langkah menjadi sangat tidak menentu (fasa tunggal sekejap-sekejap ketika litar suhu berlebihan masuk dan keluar). Menggunakan DRV8871 sebagai papan induk adalah kludge pula, jadi perisai baru dirancang (AutoShade # 100105) yang mengandungi empat pemandu untuk mengoperasikan motor dua langkah. Papan ini direka dengan sebilangan besar permukaan tanah di kedua sisi untuk memanaskan IC. Ia menggunakan antara muka bersiri yang sama dengan Arduino dengan Adafruit Motorshield, jadi perisian perpustakaan yang sama dapat digunakan untuk pemacu. Foto kedua di atas menunjukkan papan litar ini. Untuk maklumat lebih lanjut mengenai AutoShade # 100105, lihat senarai di Amazon atau laman web AutoShade.mx.

Dalam aplikasi skrin teduh saya, diperlukan 15 hingga 30 saat untuk menaikkan atau menurunkan setiap warna bergantung pada pengaturan kelajuan dan jarak teduh. Oleh itu, arus harus dihadkan sehingga had suhu melebihi suhu tidak dapat dicapai semasa operasi. Masa untuk mencapai had suhu melebihi 100105 lebih besar daripada 6 minit dengan had arus 1.6 amp dan lebih besar daripada 1 minit dengan had arus 2.0 amp.

Langkah 4: Pilih Motor Langkah Calon

Pakar Litar mempunyai dua motor 23 langkah yang menyediakan tork 8 kg-cm yang diperlukan. Kedua-duanya mempunyai belitan dua fasa dengan ketukan tengah sehingga dapat dihubungkan sedemikian rupa sehingga baik belitan penuh atau setengah belitan didorong. Spesifikasi untuk motor ini disenaraikan dalam dua jadual di atas. Kedua-dua motor hampir sama secara mekanikal, tetapi secara elektrik motor 104 mempunyai rintangan dan aruhan yang jauh lebih rendah daripada motor 207. By the way, spesifikasi elektrik adalah untuk pengujaan setengah gegelung. Apabila keseluruhan belitan digunakan, rintangan berlipat ganda dan induktansi meningkat dengan faktor 4.

Langkah 5: Ukur Kepantasan Tork Laju Calon

Dengan menggunakan dinamometer (dan simulasi) tork vs keluk kelajuan untuk sejumlah konfigurasi pemacu motor / belitan / arus ditentukan. Program (lakaran) yang digunakan untuk menjalankan dinamometer untuk ujian ini boleh dimuat turun dari laman web AutoShade.mx.

Langkah 6: Pemacu Voltan Tetap 57BYGH207 Separuh Gegelung pada Arus Berkadar

Motor 57BYGH207 dengan separuh gegelung didorong pada 12V (mod voltan malar) menghasilkan 0.4 amp dan merupakan konfigurasi pemacu asal. Motor ini boleh dipandu terus dari Adafruit # 1434 Motorshield. Gambar di atas menunjukkan ciri kelajuan tork yang disimulasikan dan diukur bersama dengan geseran terburuk. Reka bentuk ini jatuh jauh di bawah tork yang diinginkan yang diperlukan untuk operasi pada 200 hingga 400 langkah sesaat.

Langkah 7: Pemacu Arus Tetap 57BYGH207 Separuh Gegelung pada Arus Berkadar

Menggandakan voltan yang dikenakan tetapi menggunakan pemacu pencincang untuk menghadkan arus hingga 0.4 amp meningkatkan prestasi dengan ketara seperti yang ditunjukkan di atas. Meningkatkan voltan yang dikenakan akan meningkatkan prestasi lebih tinggi lagi. Tetapi operasi di atas 12 VDC tidak diingini kerana beberapa sebab.

· DRV8871 adalah voltan terhad kepada 45 VDC

· Bekalan kuasa di dinding voltan tinggi tidak begitu biasa dan lebih mahal

· Pengatur voltan yang digunakan untuk membekalkan kuasa 5 VDC untuk litar logik yang digunakan dalam reka bentuk Arduino terhad kepada 15 VDC maks. Oleh itu, mengoperasikan motor pada voltan lebih tinggi daripada ini memerlukan dua bekalan kuasa.

Langkah 8: Pemacu Arus Tetap Gegelung Penuh 57BYGH207 pada Arus Berkadar

Ini dilihat dengan simulasi tetapi tidak diuji kerana saya tidak mempunyai bekalan kuasa 48 V. Tork pada kelajuan rendah berganda apabila gegelung penuh didorong pada arus pengenal, tetapi kemudian jatuh dengan lebih pantas dengan kelajuan.

Langkah 9: Pemacu Arus Tetap 57BYGH104 Gegelung Penuh pada ½ Arus Dinilai

Dengan 12 VDC dan arus 1.0A, ciri kelajuan tork yang ditunjukkan di atas menghasilkan. Hasil ujian memenuhi syarat operasi pada 400 langkah sesaat.

Langkah 10: Pemacu Arus Tetap Gegelung Penuh 57BYGH104 pada Arus Dinilai 3/4

Meningkatkan arus belitan menjadi 1.6 amp meningkatkan margin tork dengan ketara.

Langkah 11: Pemacu Arus Tetap 57BYGH104 Gegelung Penuh pada Arus Berkadar

Sekiranya arus belitan dinaikkan menjadi 2A, dan daya kilas meningkat seperti yang ditunjukkan di atas, tetapi tidak sebanyak ramalan simulasi. Oleh itu, sesuatu berlaku dalam kenyataan yang membataskan daya kilas pada arus yang lebih tinggi ini.

Langkah 12: Membuat Pemilihan Akhir

Menggunakan gegelung penuh daripada separuh pasti lebih baik tetapi tidak diinginkan dengan motor 207 kerana voltan yang lebih tinggi diperlukan. Motor 104 membolehkan operasi pada voltan yang lebih rendah. Oleh itu motor ini dipilih.

Rintangan gegelung penuh motor 57BYGH104 adalah 2.2 ohm. Rintangan FETS pemandu di DRV8871 adalah sekitar 0.6 ohm. Rintangan pendawaian biasa ke dan dari motor adalah sekitar 1 ohm. Jadi kuasa yang hilang dalam satu litar motor adalah arus kuasa dua berliku 3.8 ohm. Kuasa total dua kali ganda ini kerana kedua-dua belitan dipacu pada masa yang sama. Untuk arus belitan yang dipertimbangkan di atas, hasilnya ditunjukkan dalam Jadual ini.

Mengehadkan arus motor hingga 1.6 amp membolehkan kita menggunakan bekalan kuasa 24 watt yang lebih kecil dan lebih murah. Margin tork sangat sedikit hilang. Motor langkah juga bukan peranti yang tenang. Memacu mereka pada arus yang lebih tinggi menjadikannya lebih kuat. Oleh itu, untuk kepentingan kuasa yang lebih rendah dan operasi yang lebih senyap, had semasa dipilih menjadi 1.6 amp.