Astmemootori ja draiveri valimine Arduino automaatse varjundiekraani projekti jaoks: 12 sammu (koos piltidega)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Viimati modifitseeritud: 2024-01-30 08:47

Selles juhendis vaatan läbi sammud, mille tegin, et valida samm -mootor ja draiver automaatse varjundiekraani prototüübi jaoks. Varjutusekraanid on populaarsed ja odavad Coolaroo käsitsi vändatud mudelid ning ma tahtsin asendada käsi väntad samm -mootorite ja keskse kontrolleriga, mida saab programmeerida tõstma ja langetama toone vastavalt arvutatud päikesetõusu ja päikeseloojangu aegadele. Projekt on vähemalt viie iteratsiooni jooksul muutunud tooteks, mille leiate veebisaidilt Amazon.com või AutoShade.mx, kuid samm -mootori ja selle juhtelektroonika valimise protsess peaks olema rakendatav paljude teiste Arduino -põhiste projektide puhul.

Elektroonika prototüübi jaoks valiti esialgne konfiguratsioon Arduino Uno (Rev 3) protsessor (Adafruit #50) koos ekraaniplaatidega (Adafruit #399), reaalajas kellaajastus (Adafruit #1141) ja kaheastmelised mootoridraiverid (Adafruit #1438)). Kõik tahvlid suhtlevad protsessoriga I2C jadaliidese abil. Kõigi nende jaoks on saadaval tarkvaradraiverid, mis muudavad varjukraani kontrolleri arendamise palju lihtsamaks.

Samm: määrake nõuded

Varjud peaksid töötama vähemalt sama kiiresti kui käsitsi väntamisega. Püsiv kätekäik võib olla 1 vänt sekundis. Enamiku samm -mootorite samm on 1,8 kraadi ehk 200 sammu pöörde kohta. Seega peaks minimaalne sammukiirus olema umbes 200 sammu sekundis. Kaks korda oleks see isegi parem.

Pöördemomenti varju tõstmiseks või langetamiseks läbi Coolaroo ussikäigu mõõdeti 9 varreekraanil nende üla- ja alaosas, kasutades kalibreeritud pöördemomendi kruvikeerajat (McMaster Carr #5699A11 vahemikus +/- 6 in-lbs). See oli “murrangu” pöördemoment ja see varieerus palju. Miinimum oli 0,25 in-lbs ja maksimum 3,5 in-lbs. Pöördemomendi õige mõõtühik on N-m ja 3 in-lbs on 0,40 N-m, mida kasutasin nominaalse hõõrdemomendina.

Sammmootorite müüjad määravad mingil põhjusel mootori pöördemomendi kg-cm ühikutes. Ülaltoodud minimaalne pöördemoment 0,4 N-m on 4,03 Kg-cm. Korraliku pöördemomendi jaoks tahtsin mootorit, mis oleks võimeline andma kaks korda rohkem ehk umbes 8 kg-cm. Ringrajaspetsialistidel loetletud samm -mootorite vaatamine näitas kiiresti, et mul on vaja raami suurusega 23 mootorit. Need on saadaval lühikeste, keskmiste ja pikkade virnade pikkuste ning erinevate mähistega.

Samm: ehitage dünamomeeter

Astmelistel mootoritel on eriline pöördemoment ja kiirusomadused, mis sõltuvad nende mähiste käitamise viisist. On kaks põhjust, miks pöördemoment kiirusega väheneb. Esimene on see, et mähistes on välja töötatud tagumine EMF (pinge), mis on rakendatud pinge vastu. Teiseks, mähise induktiivsus on vastuvoolu muutustele, mis toimuvad igal sammul.

Astmelise mootori jõudlust saab ennustada dünaamilise simulatsiooni abil ja seda saab mõõta dünamomeetri abil. Ma tegin mõlemat, kuid ei hakka simulatsiooni arutama, sest katseandmed on tõesti simulatsiooni täpsuse kontroll.

Dünamomeeter võimaldab reguleeritud kiirusega töötades mõõta mootori pöördemomenti. Kalibreeritud magnetosakeste pidur rakendab mootorile koormusmomenti. Kiirust pole vaja mõõta, kuna see on võrdne mootori sammuga, kuni koormusmoment ületab mootori võimekuse. Kui see juhtub, kaotab mootor sünkroonimise ja teeb valju reketi. Katsemenetlus seisneb konstantse kiiruse käsutamises, piduri kaudu voolu aeglases suurendamises ja selle väärtuse märkimises vahetult enne mootori sünkroniseerimise kaotamist. Seda korratakse erinevatel kiirustel ja joonistatakse pöördemomendi ja kiiruse vahel.

Valitud magnetosakeste pidur on Placid Industries mudel B25P-10-1, mis on ostetud Ebayst. Seda mudelit ei ole enam tootja veebisaidil loetletud, kuid osade numbrite järgi annab see maksimaalse pöördemomendi 25 in-lb = 2,825 N-m ja mähis on ette nähtud 10 VDC (max) jaoks. See sobib ideaalselt vaadeldavate 23. suurusega mootorite katsetamiseks, mille maksimaalne pöördemoment on umbes 1,6 N-m. Lisaks oli sellel piduril pilootauk ja kinnitusavad, mis olid identsed NMEA 23 mootoritel kasutatavatega, nii et seda sai paigaldada sama suurusega kinnitusklambri abil, mis mootor. Mootoritel on ¼ tolli võllid ja piduril oli ½ tolline võll, nii et Ebayst hangiti ka sama suurusega võllidega painduv haakeseadis. Vaja oli vaid kinnitada alumiiniumist alusele kahe kronsteini külge. Ülaltoodud fotol on testistend. Kinnitusklambrid on Amazonist ja Ebayst hõlpsasti saadaval.

Magnetosakeste piduri pidurdusmoment on võrdeline mähisevooluga. Piduri kalibreerimiseks ühendati kumbki kahest pöördemomendi mõõtmise kruvikeerajast astmelise mootorina piduri vastasküljel asuva võlliga. Kaks kasutatud kruvikeerajat olid McMaster Carri osade numbrid 5699A11 ja 5699A14. Esimese maksimaalne pöördemoment on 6 in-lb = 0,678 N-m ja viimase maksimaalne pöördemoment on 25 in-lb = 2,825 N-m. Voolu tarniti muutuva alalisvoolu toiteallikast CSI5003XE (50 V/3A). Ülaltoodud graafik näitab mõõdetud pöördemomenti vs voolu.

Pange tähele, et nende testide huvipakkuvas vahemikus saab pidurdusmomenti lähedalt võrrelda lineaarse seosega Pöördemoment (N-m) = 1,75 x pidurdusvool (A).

3. samm: valige samm -mootori draiverid

Astmelisi mootoreid võib juhtida nii, et üks mähis on täielikult aktiivne korraga, mida tavaliselt nimetatakse SINGLE stepiks, mõlemad mähised on täielikult aktiivsed (DOUBLE step) või mõlemad mähised on osaliselt aktiivsed (MICROSTEPPING). Selles rakenduses oleme huvitatud maksimaalsest pöördemomendist, seega kasutatakse ainult DOUBLE astet.

Pöördemoment on proportsionaalne mähise vooluga. Astmelist mootorit võib ajada konstantse pingega, kui mähise takistus on piisavalt kõrge, et piirata püsivooluvoolu mootori nimiväärtusele. Adafruit #1438 Motorshield kasutab konstantse pinge draivereid (TB6612FNG), mille nimiväärtus on 15 VDC, maksimaalselt 1,2 amprit. See draiver on suurem plaat, mis on näidatud ülaltoodud esimesel fotol (ilma kahe vasakpoolse tütarlauata).

Pideva pingega draiveri jõudlus on piiratud, kuna kiirusel olev vool väheneb oluliselt nii mähise induktiivsuse kui ka tagumise EMF -i tõttu. Alternatiivne lähenemisviis on madalama takistuse ja induktiivsusega mähisega mootori valimine ning pideva vooluga sõitmine. Pidev vool tekib impulsi laiuse abil, moduleerides rakendatud pinget.

Suurepärane seade, mida kasutatakse pideva voolu ajami pakkumiseks, on Texas Instrumentsi valmistatud DRV8871. See väike IC sisaldab sisemise voolutundega H -silda. Soovitud konstantse (või maksimaalse) voolu seadmiseks kasutatakse välist takisti. IC katkestab pinge automaatselt, kui vool ületab programmeeritud väärtuse, ja rakendab seda uuesti, kui see langeb alla teatud läve.

DRV8871 toitepinge on 45 VDC, maksimaalselt 3,6 amprit. See sisaldab sisemist ülekuumenemistundlikku ahelat, mis katkestab pinge, kui ristmiku temperatuur jõuab 175 kraadini. IC on saadaval ainult 8-kontaktilises HSOP-pakendis, mille alumisel küljel on termopadi. TI müüb arendusplaati, mis sisaldab ühte IC -d (kaheastmelise mootori jaoks on vaja kahte), kuid see on väga kallis. Adafruit ja teised müüvad väikest prototüüpimist (Adafruit #3190). Testimiseks paigaldati kaks neist Adafruit Motorshieldi päramootorile, nagu on näidatud ülaltoodud esimesel fotol.

Nii TB6612 kui ka DRV8871 praeguseid ajamivõimalusi piirab praktiliselt osade sees olev temperatuuri tõus. See sõltub osade soojusvahetusest ja ümbritsevast temperatuurist. Minu toatemperatuuri testides saavutasid tütarlauad DRV8871 (Adafruit #3190) oma ülekuumenemise piirid umbes 30 sekundiga 2 ampri juures ja astmemootorid muutusid väga ebakorrektseks (ühefaasiline vahelduvalt, kui ülekuumenenud ahel lülitub sisse ja välja). DRV8871 -de kasutamine tütarlauadena on igatahes tühiasi, nii et kaheastmeliste mootorite käitamiseks kavandati uus kilp (AutoShade #100105), mis sisaldab nelja draiverit. See plaat oli konstrueeritud nii, et mõlemal küljel oli palju maatasandit, et soojendada IC -sid. See kasutab Arduinoga sama jadaliidest kui Adafruit Motorshield, seega saab draiverite jaoks kasutada sama raamatukogutarkvara. Ülaltoodud teine foto näitab seda trükkplaati. Lisateavet AutoShade #100105 kohta leiate Amazoni või AutoShade.mx veebisaidi loendist.

Minu varjundiekraani rakenduses kulub iga tooni tõstmiseks või vähendamiseks sõltuvalt kiiruse seadistusest ja varju kaugusest 15 kuni 30 sekundit. Seetõttu tuleks voolu piirata nii, et töötamise ajal ei saavutataks kunagi ülekuumenemise piiri. Aeg 100105 ülekuumenemise piiride saavutamiseks on 1,6 ampri voolupiiranguga üle 6 minuti ja 2,0 ampri piiriga üle 1 minuti.

Samm: valige sammmootorid

Ringrajaspetsialistidel on kaks 23-astmelist mootorit, mis tagavad vajaliku 8 kg-cm pöördemomendi. Mõlemal on kahe faasiga mähised, millel on keskkraanid, nii et neid saab ühendada nii, et kas täismähised või poolmähised liiguvad. Nende mootorite tehnilised andmed on loetletud kahes ülaltoodud tabelis. Mõlemad mootorid on mehaaniliselt peaaegu identsed, kuid elektriliselt on 104 mootoril palju väiksem takistus ja induktiivsus kui mootoril 207. Muide, elektrilised spetsifikatsioonid on mõeldud poolmähise ergastamiseks. Kogu mähise kasutamisel suureneb takistus kahekordseks ja induktiivsus suureneb 4 korda.

Samm: mõõtke kandidaatide pöördemomenti vs kiirust

Dünamomeetri (ja simulatsiooni) abil määrati mitme mootori/mähise/praeguse ajami konfiguratsiooni pöördemomendi ja kiiruse kõverad. Nende testide jaoks dünamomeetri käitamiseks kasutatava programmi (eskiisi) saab alla laadida veebisaidilt AutoShade.mx.

6. samm: poolpinge 57BYGH207 konstantse pinge ajam nimivoolu juures

57BYGH207 mootor, mille poolmähis töötab 12 V (konstantse pinge režiim), annab 0,4 amprit ja see oli ajami algne konfiguratsioon. Seda mootorit saab juhtida otse Adafruit #1434 mootorikilpilt. Ülaltoodud joonis näitab simuleeritud ja mõõdetud pöördemomendi kiiruse omadusi koos halvima hõõrdumisega. See disain jääb tunduvalt alla soovitud pöördemomendi, mis on vajalik tööks 200–400 sammu sekundis.

Samm 7: 57BYGH207 poolmähise konstantse voolu ajam nimivoolu juures

Rakendatud pinge kahekordistamine, kuid hakkija ajami kasutamine voolu piiramiseks 0,4 amprini parandab jõudlust märkimisväärselt, nagu ülal näidatud. Rakendatud pinge edasine suurendamine parandaks jõudlust veelgi. Kuid töö üle 12 VDC on mitmel põhjusel ebasoovitav.

· DRV8871 pinge on piiratud 45 VDC -ga

· Kõrgema pingega seinale paigaldatavad toiteallikad pole nii levinud ja kallimad

· Pingeregulaatorid, mida kasutatakse Arduino konstruktsioonis kasutatava loogikaskeemi 5 V alalisvoolu toiteks, on piiratud maksimaalselt 15 V alalisvooluga. Nii et mootorite töötamine kõrgematel pingetel nõuaks kahte toiteallikat.

8. samm: täisvoolu 57BYGH207 konstantse voolu ajam nimivoolu juures

Seda vaadati simulatsiooniga, kuid seda ei testitud, kuna mul polnud 48 V toiteallikat. Pöördemoment madalatel pööretel kahekordistub, kui täismähis töötab nimivoolu juures, kuid langeb seejärel kiirusega kiiremini.

9. samm: täisvoolu 57BYGH104 konstantse voolu ajam ½ nimivooluga

12 V alalisvoolu ja 1,0 A voolu korral on ülaltoodud pöördemomendi-kiiruse karakteristik tulemuseks. Katsetulemused vastavad 400 sammu sekundis töötamise nõuetele.

Samm 10: 57BYGH104 täismähise püsivoolu ajam 3/4 nimivooluga

Mähisevoolude suurendamine 1,6 amprini suurendab oluliselt pöördemomendi varu.

11. samm: täisvoolu 57BYGH104 konstantse voolu ajam nimivoolu juures

Kui mähisevoolu suurendatakse 2A -ni ja pöördemoment suureneb, nagu ülal näidatud, kuid mitte nii palju, kui simulatsioon ennustaks. Nii et tegelikkuses toimub midagi, mis piirab nende suuremate voolude pöördemomenti.

12. samm: lõpliku valiku tegemine

Täismähise, mitte poole kasutamine on kindlasti parem, kuid 207 mootoriga pole see nõutav kõrgema pinge tõttu soovitav. Mootor 104 võimaldab töötada madalamal rakendatud pingel. Seetõttu on see mootor valitud.

57BYGH104 mootori mähise täielik takistus on 2,2 oomi. Juhi FETS -i takistus DRV8871 -s on umbes 0,6 oomi. Tüüpiline juhtmestiktakistus mootoritele ja sealt välja on umbes 1 oomi. Nii et ühes mootoriringis hajutatud võimsus on mähisevoolu ruut korda 3,8 oomi. Koguvõimsus on kaks korda suurem, kuna mõlemad mähised töötavad samal ajal. Eespool käsitletud mähisevoolude puhul on tulemused toodud selles tabelis.

Mootori voolude piiramine 1,6 amprini võimaldab meil kasutada väiksemat ja odavamat 24 -vatist toiteallikat. Kaob väga väike pöördemoment. Samuti pole samm -mootorid vaiksed seadmed. Nende juhtimine suuremal voolul muudab need valjemaks. Nii et väiksema võimsuse ja vaiksema töö huvides valiti praeguseks piiriks 1,6 amprit.