Výber krokového motora a ovládača pre projekt automatizovanej tieniacej obrazovky Arduino: 12 krokov (s obrázkami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 11:57

V tomto návode si prejdem krokmi, ktoré som vykonal pri výbere krokového motora a ovládača pre prototyp projektu Automatizovaná obrazovka tienidla. Tieniace obrazovky sú obľúbené a lacné ručne zalomené modely Coolaroo a chcel som nahradiť ručné kľuky krokovými motormi a centrálnym ovládačom, ktorý by bolo možné naprogramovať tak, aby zvyšoval a znižoval odtiene na základe vypočítaných časov východu a západu slnka. Projekt sa vyvinul prostredníctvom najmenej piatich iterácií na produkt, ktorý nájdete na Amazon.com alebo AutoShade.mx, ale proces výberu krokového motora a jeho elektroniky ovládača je ten, ktorý by mal byť použiteľný na mnoho ďalších projektov založených na Arduine.

Počiatočná konfigurácia zvolená pre prototyp elektroniky bola procesor Arduino Uno (Rev 3) (Adafruit #50) s doskami pre displej (Adafruit #399), časovaním hodín v reálnom čase (Adafruit #1141) a dvojkrokovými ovládačmi motora (Adafruit #1438). Všetky dosky komunikujú s procesorom pomocou sériového rozhrania I2C. Pre všetky tieto sú k dispozícii softvérové ovládače, vďaka ktorým je vývoj ovládača tieňovej obrazovky oveľa jednoduchší.

Krok 1: Stanovte požiadavky

Odtiene by mali fungovať najmenej tak rýchlo, ako pri ručnom kľukovaní. Trvalá rýchlosť pretáčania rukou môže byť 1 kľuka za sekundu. Väčšina krokových motorov má veľkosť kroku 1,8 stupňa alebo 200 krokov na otáčku. Minimálna rýchlosť kroku by teda mala byť asi 200 krokov za sekundu. Dvakrát by to bolo ešte lepšie.

Krútiaci moment na zvýšenie alebo zníženie tieňa pomocou závitovkového prevodu Coolaroo sa meral na 9 tienidlových obrazovkách v hornej a dolnej časti dráhy pomocou kalibrovaného momentového skrutkovača (McMaster Carr #5699A11 s rozsahom +/- 6 palcov). Bol to „odtrhnutý“krútiaci moment a veľmi sa líšil. Minimum bolo 0,25 in-lbs a maximum 3,5 in-lbs. Správna metrická jednotka krútiaceho momentu je N-m a 3 in-lbs je 0,40 N-m, ktorú som použil ako nominálny „trecí moment“.

Predajcovia krokových motorov z nejakého dôvodu uvádzajú krútiaci moment motora v jednotkách kg-cm. Vyššie uvedený minimálny krútiaci moment 0,4 N-m je 4,03 kg-cm. Pre slušný rozsah krútiaceho momentu som chcel motor schopný dodať dvojnásobok tohto alebo približne 8 kg-cm. Pohľad na krokové motory uvedené u obvodných špecialistov rýchlo naznačil, že potrebujem motor veľkosti 23. Sú k dispozícii v krátkych, stredných a dlhých dĺžkach zväzkov a rôznych vinutiach.

Krok 2: Zostavte dynamometer

Krokové motory majú zreteľnú charakteristiku krútiaci moment vs rýchlosť, ktorá závisí od spôsobu pohonu ich vinutí. Existujú dva dôvody, prečo krútiaci moment klesá s otáčkami. Prvým je to, že vo vinutiach je vyvinutý spätný EMF (napätie), ktorý je proti aplikovanému napätiu. Za druhé, indukčnosť vinutia je proti zmene prúdu, ku ktorej dochádza v každom kroku.

Výkon krokového motora je možné predpovedať pomocou dynamickej simulácie a možno ho merať pomocou dynamometra. Urobil som oboje, ale nebudem diskutovať o simulácii, pretože testovacie údaje sú skutočne kontrolou presnosti simulácie.

Dynamometer umožňuje meranie kapacity krútiaceho momentu motora pri riadenej rýchlosti. Kalibrovaná magnetická brzda častíc aplikuje zaťažovací moment na motor. Otáčky nie je potrebné merať, pretože sa budú rovnať krokovým pomerom motora, kým krútiaci moment zaťaženia neprekročí kapacitu motora. Akonáhle sa to stane, motor stratí synchronizáciu a vydá hlasnú raketu. Testovací postup pozostáva z prikázania konštantnej rýchlosti, pomalého zvyšovania prúdu brzdou a zaznamenávania jeho hodnoty tesne pred stratou synchronizácie motora. Toto sa opakuje pri rôznych rýchlostiach a vykresľuje sa ako krútiaci moment verzus rýchlosť.

Zvolenou magnetickou brzdou častíc je model Placid Industries B25P-10-1 zakúpený na Ebay. Tento model už nie je uvedený na webových stránkach výrobcu, ale podľa čísla dielu má dodávať maximálny krútiaci moment 25 in-lb = 2,825 N-m a cievka je navrhnutá pre 10 VDC (max). Je ideálny pre testovanie uvažovaných motorov veľkosti 23, ktoré dosahujú maximálny krútiaci moment asi 1,6 N-m. Táto brzda bola navyše dodávaná s pilotným otvorom a montážnymi otvormi zhodnými s tými, ktoré sa používajú na motoroch NMEA 23, takže ju bolo možné namontovať pomocou montážnej konzoly rovnakej veľkosti ako motor. Motory majú ¼ palcové hriadele a brzda bola dodávaná s ½ palcovým hriadeľom, takže na Ebay bol zakúpený aj flexibilný spojovací adaptér s hriadeľmi rovnakej veľkosti. Všetko, čo bolo potrebné, bolo namontovať na dve konzoly na hliníkovú základňu. Vyššie uvedená fotografia zobrazuje testovací stojan. Montážne konzoly sú ľahko dostupné na Amazone a Ebay.

Brzdný moment magnetickej brzdy častíc je úmerný prúdu vinutia. Na kalibráciu brzdy bol k hriadeľu na opačnej strane brzdy ako krokový motor pripojený jeden z dvoch skrutkovačov na meranie krútiaceho momentu. Dva použité skrutkovače boli čísla dielov McMaster Carr 5699A11 a 5699A14. Prvý menovaný má rozsah maximálneho krútiaceho momentu 6 in-lb = 0,678 N-m a druhý má rozsah maximálneho krútiaceho momentu 25 in-lb = 2,825 N-m. Prúd bol dodávaný z premenlivého zdroja jednosmerného prúdu CSI5003XE (50 V/3A). Vyššie uvedený graf ukazuje nameraný krútiaci moment proti prúdu.

Všimnite si toho, že v rozsahu záujmu týchto testov je možné brzdný moment tesne aproximovať lineárnym vzťahom krútiaci moment (N-m) = 1,75 x brzdný prúd (A).

Krok 3: Vyberte kandidátske krokové ovládače motora

Krokové motory môžu byť poháňané jedným vinutím, ktoré je plne aktívne v čase, ktorý sa bežne nazýva SINGLE stepping, obidve vinutia sú plne aktívne (DOUBLE stepping) alebo oba vinutia sú čiastočne aktívne (MICROSTEPPING). V tejto aplikácii nás zaujíma maximálny krútiaci moment, preto sa používa iba DOUBLE krokovanie.

Krútiaci moment je úmerný prúdu vinutia. Krokový motor môže byť poháňaný konštantným napätím, ak je odpor vinutia dostatočne vysoký na to, aby obmedzil prúd v ustálenom stave na menovitú hodnotu motora. Adafruit #1438 Motorshield používa budiče konštantného napätia (TB6612FNG), ktoré sú dimenzované na 15 VDC, maximálne 1,2 ampéra. Tento ovládač je väčšia doska zobrazená na prvej fotografii vyššie (bez dvoch dcérskych dosiek vľavo).

Výkon s budičom konštantného napätia je obmedzený, pretože prúd pri rýchlosti je výrazne znížený kvôli indukčnosti vinutia a zadnému EMF. Alternatívnym prístupom je vybrať motor s nižším odporom a indukčným vinutím a poháňať ho konštantným prúdom. Konštantný prúd je produkovaný šírkou impulzu moduláciou aplikovaného napätia.

Skvelé zariadenie používané na zabezpečenie pohonu s konštantným prúdom je DRV8871 od spoločnosti Texas Instruments. Tento malý integrovaný obvod obsahuje mostík H s vnútorným citom prúdu. Na nastavenie požadovaného konštantného (alebo maximálneho) prúdu sa používa externý odpor. Integrovaný obvod automaticky odpojí napätie, keď prúd prekročí naprogramovanú hodnotu, a znova ho použije, keď klesne pod určitú prahovú hodnotu.

DRV8871 je dimenzovaný na 45 VDC, maximálne 3,6 ampéra. Obsahuje vnútorný obvod snímania nadmernej teploty, ktorý odpojí napätie, keď teplota spoja dosiahne 175 stupňov C. Integrovaný obvod je k dispozícii iba v 8-kolíkovom balení HSOP, ktoré má na spodnej strane tepelnú podložku. TI predáva vývojovú dosku, ktorá obsahuje jeden IC (dva sú potrebné pre jednostupňový motor), ale je to veľmi drahé. Adafruit a ďalší predávajú malú dosku na prototypy (Adafruit #3190). Na testovanie boli dve z nich namontované na prívesnom motore štítu Adafruit, ako je to znázornené na prvej fotografii vyššie.

Súčasné možnosti pohonu TB6612 a DRV8871 sú v praxi obmedzené nárastom teploty vo vnútri dielov. To bude závisieť od poklesu tepla častí a od teploty okolia. V mojich testoch pri izbovej teplote dosiahli dcérske dosky DRV8871 (Adafruit #3190) svoje limity prekročenia teploty asi za 30 sekúnd pri 2 ampéroch a krokové motory sa stali veľmi nevyrovnanými (jednofázové prerušovane, pretože obvod prehriatia sa zapínal a vypínal). Používanie dcérskych dosiek DRV8871 ako dcérskych dosiek je každopádne kludge, takže bol navrhnutý nový štít (AutoShade #100105), ktorý obsahuje štyri ovládače na ovládanie dvojstupňových motorov. Táto doska bola navrhnutá s veľkým množstvom základnej roviny na oboch stranách na chladenie integrovaných obvodov. Používa rovnaké sériové rozhranie ako Arduino ako Adafruit Motorshield, takže pre ovládače je možné použiť rovnaký softvér knižnice. Druhá fotografia vyššie zobrazuje túto dosku s plošnými spojmi. Ďalšie informácie o AutoShade #100105 nájdete v zozname na Amazone alebo na webe AutoShade.mx.

V mojej aplikácii tieňovej obrazovky trvá 15 až 30 sekúnd, kým sa každý odtieň zvýši alebo zníži v závislosti od nastavenia rýchlosti a vzdialenosti tieňov. Prúd by mal byť preto obmedzený tak, aby sa počas prevádzky nikdy nedosiahla hranica prehriatia. Čas na dosiahnutie limitov prehriatia na 100105 je viac ako 6 minút s prúdovým limitom 1,6 A a viac ako 1 minútu s prúdovým limitom 2,0 A.

Krok 4: Vyberte kandidátske krokové motory

Circuit Specialists má dva krokové motory s veľkosťou 23, ktoré poskytujú požadovaný krútiaci moment 8 kg-cm. Oba majú dvojfázové vinutia so stredovými odbočkami, takže ich je možné pripojiť tak, aby boli poháňané buď úplné alebo polovičné vinutia. Špecifikácie týchto motorov sú uvedené v dvoch vyššie uvedených tabuľkách. Oba motory sú mechanicky takmer identické, ale elektricky má motor 104 oveľa nižší odpor a indukčnosť ako motor 207. Mimochodom, elektrické špecifikácie sú pre excitáciu polovičnej cievky. Keď sa použije celé vinutie, odpor sa zdvojnásobí a indukčnosť sa zvýši 4 -krát.

Krok 5: Zmerajte krútiaci moment vs. rýchlosť uchádzačov

Pomocou dynamometra (a simulácie) boli určené krivky krútiaci moment vs. rýchlosť pre niekoľko konfigurácií motora/vinutia/aktuálneho pohonu. Program (náčrt) použitý na spustenie dynamometra na tieto testy je možné stiahnuť z webovej stránky AutoShade.mx.

Krok 6: Pohon konštantného napätia polovičnej cievky 57BYGH207 pri menovitom prúde

Motor 57BYGH207 s polovičnou cievkou poháňaný 12 V (režim konštantného napätia) má za následok 0,4 ampéra a bol pôvodnou konfiguráciou pohonu. Tento motor je možné poháňať priamo z motora Adafruit #1434 Motorshield. Vyššie uvedený obrázok zobrazuje simulované a namerané charakteristiky rýchlosti krútiaceho momentu spolu s najhorším prípadom trenia. Táto konštrukcia spadá hlboko pod požadovaný krútiaci moment potrebný na prevádzku pri 200 až 400 krokoch za sekundu.

Krok 7: Pohon konštantného prúdu polovičnej cievky 57BYGH207 pri menovitom prúde

Zdvojnásobenie aplikovaného napätia, ale použitie frekvenčného meniča na obmedzenie prúdu na 0,4 ampéra, výrazne zvyšuje výkon, ako je uvedené vyššie. Ďalšie zvýšenie aplikovaného napätia by ešte viac zlepšilo výkon. Prevádzka nad 12 V DC je však nežiaduce z niekoľkých dôvodov.

· DRV8871 je napätie obmedzené na 45 VDC

· Napájacie zdroje na stenu s vyšším napätím nie sú také bežné a sú drahšie

· Regulátory napätia používané na napájanie 5 VDC pre logické obvody používané v konštrukcii Arduino sú obmedzené na max. 15 V DC. Prevádzka motorov s vyšším napätím, ako je toto, by vyžadovala dva zdroje napájania.

Krok 8: Pohon konštantného prúdu s plnou cievkou 57BYGH207 pri menovitom prúde

Na to sa pri simulácii pozeralo, ale netestovalo sa, pretože som nemal napájanie 48 V. Krútiaci moment pri nízkych otáčkach sa zdvojnásobí, keď je plná cievka poháňaná menovitým prúdom, ale potom s rýchlosťou rýchlejšie klesá.

Krok 9: Menič s konštantným prúdom 57BYGH104 s plnou cievkou pri ½ menovitého prúdu

Pri 12 VDC a prúde 1,0 A sa dosiahne vyššie uvedená charakteristika krútiaceho momentu. Výsledky testu spĺňajú požiadavky na prevádzku pri 400 krokoch za sekundu.

Krok 10: Pohon s konštantným prúdom 57BYGH104 s plnou cievkou pri 3/4 menovitého prúdu

Zvýšenie prúdov vinutia na 1,6 ampéra výrazne zvyšuje rozpätie krútiaceho momentu.

Krok 11: Menič s konštantným prúdom 57BYGH104 s plnou cievkou pri menovitom prúde

Ak sa prúdy vinutia zvýšia na 2A a krútiaci moment sa zvýši, ako je uvedené vyššie, ale nie tak, ako by to simulácia predpovedala. V skutočnosti sa teda deje niečo, čo obmedzuje krútiaci moment pri týchto vyšších prúdoch.

Krok 12: Vykonanie konečného výberu

Použitie úplnej cievky namiesto polovice je určite lepšie, ale nie je žiaduce pri motore 207 z dôvodu vyššieho požadovaného napätia. Motor 104 umožňuje prevádzku pri nižšom aplikovanom napätí. Tento motor je preto vybraný.

Plný odpor cievky motora 57BYGH104 je 2,2 ohmov. Odpor ovládača FETS v DRV8871 je asi 0,6 ohmu. Typický odpor vedenia do a z motorov je asi 1 ohm. Výkon rozptýlený v jednom obvode motora je prúd vinutia na druhú krát 3,8 ohmu. Celkový výkon je dvojnásobný, pretože obe vinutia sú poháňané súčasne. Výsledky pre vinuté prúdy uvažované vyššie sú výsledky uvedené v tejto tabuľke.

Obmedzenie prúdov motora na 1,6 ampéra nám umožňuje použiť menší a lacnejší zdroj 24 wattov. Stratí sa veľmi malé rozpätie krútiaceho momentu. Krokové motory tiež nie sú tichými zariadeniami. Ak ich budete viesť vyšším prúdom, budú hlasnejšie. V záujme nižšieho výkonu a tichšej prevádzky bol teda súčasný limit zvolený na 1,6 ampéra.