Επιλογή ενός Step Motor και προγράμματος οδήγησης για ένα έργο Arduino Automated Shade Screen Project: 12 βήματα (με εικόνες)

2024 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-30 08:34

Σε αυτό το Instructable, θα περάσω από τα βήματα που έκανα για να επιλέξω Step Motor and Driver για ένα πρωτότυπο έργο Automated Shade Screen. Οι σκιώδεις οθόνες είναι τα δημοφιλή και φθηνά Coolaroo χειροκίνητα μοντέλα και ήθελα να αντικαταστήσω τους στρόφαλους με μοτέρ και κεντρικό χειριστήριο που θα μπορούσε να προγραμματιστεί για να ανεβάζει και να χαμηλώνει τις αποχρώσεις με βάση τους υπολογισμένους χρόνους ανατολής και δύσης του ήλιου. Το έργο εξελίχθηκε μέσα από τουλάχιστον πέντε επαναλήψεις σε ένα προϊόν που μπορείτε να βρείτε στο Amazon.com ή στο AutoShade.mx, αλλά η διαδικασία επιλογής του βηματικού κινητήρα και των ηλεκτρονικών προγραμμάτων οδήγησής του είναι αυτή που πρέπει να εφαρμόζεται σε πολλά άλλα έργα που βασίζονται σε Arduino.

Η αρχική διαμόρφωση που επιλέχθηκε για τα πρωτότυπα ηλεκτρονικά ήταν ο επεξεργαστής Arduino Uno (Rev 3) (Adafruit #50) με πίνακες για εμφάνιση (Adafruit #399), χρονισμό ρολογιού σε πραγματικό χρόνο (Adafruit #1141) και προγράμματα οδήγησης μοτέρ διπλού βήματος (Adafruit #1438). Όλοι οι πίνακες επικοινωνούν με τον επεξεργαστή χρησιμοποιώντας σειριακή διεπαφή I2C. Τα προγράμματα οδήγησης λογισμικού είναι διαθέσιμα για όλα αυτά καθιστώντας την ανάπτυξη του ελεγκτή οθόνης σκιάς πολύ απλούστερη.

Βήμα 1: Προσδιορίστε τις απαιτήσεις

Οι αποχρώσεις πρέπει να λειτουργούν τουλάχιστον τόσο γρήγορα όσο με το μαντάλι με το χέρι. Μια σταθερή ταχύτητα στροφών μπορεί να είναι 1 μανιβέλα το δευτερόλεπτο. Οι περισσότεροι βηματικοί κινητήρες έχουν μέγεθος βήματος 1,8 μοίρες, ή 200 βήματα ανά περιστροφή. Επομένως, η ελάχιστη ταχύτητα βήματος πρέπει να είναι περίπου 200 βήματα ανά δευτερόλεπτο. Δύο φορές θα ήταν ακόμα καλύτερο.

Η ροπή για να ανεβάσετε ή να χαμηλώσετε τη σκιά μέσω του γραναζιού Coolaroo μετρήθηκε σε οθόνες 9 αποχρώσεων στο επάνω και στο κάτω μέρος της διαδρομής τους χρησιμοποιώντας ένα κατσαβίδι καλιμπραρισμένης ροπής (McMaster Carr #5699A11 με εύρος +/- 6 in-lbs). Αυτή ήταν η «αποσπασματική» ροπή και διέφερε πολύ. Το ελάχιστο ήταν 0,25 in-lbs και το μέγιστο 3,5 in-lbs. Η κατάλληλη μετρική μονάδα μέτρησης για τη ροπή είναι N-m και 3 in-lbs είναι.40 N-m την οποία χρησιμοποίησα ως την ονομαστική "ροπή τριβής".

Οι πωλητές βηματικών κινητήρων καθορίζουν τη ροπή του κινητήρα σε μονάδες kg-cm για κάποιο λόγο. Η παραπάνω ελάχιστη ροπή 0,4 N-m είναι 4,03 Kg-cm. Για ένα αξιοπρεπές περιθώριο ροπής ήθελα έναν κινητήρα ικανό να αποδίδει δύο φορές αυτό ή περίπου 8 Kg-cm. Κοιτάζοντας τους κινητήρες βαθμίδας που παρατίθενται στο Circuit Specialists έδειξε γρήγορα ότι χρειαζόμουν έναν κινητήρα μεγέθους πλαισίου 23. Αυτά είναι διαθέσιμα σε μικρά, μεσαία και μεγάλα μήκη στοίβας και μια ποικιλία περιελίξεων.

Βήμα 2: Δημιουργήστε ένα δυναμόμετρο

Οι βηματικοί κινητήρες έχουν ξεχωριστό χαρακτηριστικό ροπής έναντι ταχύτητας που εξαρτάται από τον τρόπο με τον οποίο κινούνται οι περιελίξεις τους. Υπάρχουν δύο λόγοι για τους οποίους η ροπή μειώνεται με την ταχύτητα. Το πρώτο είναι ότι αναπτύσσεται ένα πίσω EMF (τάση) στις περιελίξεις που αντιτίθεται στην εφαρμοζόμενη τάση. Δεύτερον, η επαγωγή της περιέλιξης αντιτίθεται στην αλλαγή του ρεύματος που συμβαίνει σε κάθε βήμα.

Η απόδοση ενός βηματικού κινητήρα μπορεί να προβλεφθεί χρησιμοποιώντας μια δυναμική προσομοίωση και μπορεί να μετρηθεί χρησιμοποιώντας ένα δυναμόμετρο. Έκανα και τα δύο, αλλά δεν θα συζητήσω την προσομοίωση επειδή τα δεδομένα δοκιμής είναι πραγματικά ένας έλεγχος για την ακρίβεια της προσομοίωσης.

Ένα δυναμόμετρο επιτρέπει τη μέτρηση της χωρητικότητας ροπής ενός κινητήρα ενώ λειτουργεί με ελεγχόμενη ταχύτητα. Ένα βαθμονομημένο μαγνητικό φρένο σωματιδίων εφαρμόζει τη ροπή φορτίου στον κινητήρα. Δεν χρειάζεται να μετρήσετε την ταχύτητα, καθώς θα είναι ίση με το ρυθμό βημάτων του κινητήρα έως ότου η ροπή φορτίου υπερβεί τις δυνατότητες του κινητήρα. Μόλις συμβεί αυτό, ο κινητήρας χάνει τον συγχρονισμό και κάνει μια δυνατή ρακέτα. Η διαδικασία δοκιμής συνίσταται στην εντολή σταθερής ταχύτητας, αυξάνοντας αργά το ρεύμα μέσω του φρένου και σημειώνοντας την τιμή του λίγο πριν χάσει το συγχρονισμό ο κινητήρας. Αυτό επαναλαμβάνεται σε διάφορες ταχύτητες και σχεδιάζεται ως ροπή έναντι ταχύτητας.

Το φρένο μαγνητικών σωματιδίων που επιλέχθηκε είναι ένα μοντέλο Placid Industries B25P-10-1 που αγοράστηκε στο Ebay. Αυτό το μοντέλο δεν αναφέρεται πλέον στον ιστότοπο του κατασκευαστή, αλλά από τον αριθμό εξαρτήματος, θεωρείται ότι παρέχει μέγιστη ροπή 25 in-lb = 2.825 N-m και το πηνίο έχει σχεδιαστεί για 10 VDC (μέγιστο). Αυτό είναι ιδανικό για τη δοκιμή των υπό εξέταση κινητήρων μεγέθους 23, οι οποίοι θεωρούνται ότι παράγουν ροπή αιχμής περίπου 1,6 N-m. Επιπλέον, αυτό το φρένο ήρθε με μια πιλοτική τρύπα και οπές στερέωσης πανομοιότυπες με αυτές που χρησιμοποιούνται στους κινητήρες NMEA 23, έτσι ώστε να μπορεί να τοποθετηθεί χρησιμοποιώντας το ίδιο στήριγμα στήριξης με τον κινητήρα. Οι κινητήρες έχουν άξονες ¼ ίντσας και το φρένο συνοδεύεται από άξονα ½ ίντσας, οπότε ένας εύκαμπτος προσαρμογέας σύζευξης με ίδιου μεγέθους άξονες αγοράστηκε επίσης στο Ebay. Το μόνο που χρειαζόταν ήταν να τοποθετηθεί σε δύο στηρίγματα σε βάση αλουμινίου. Η παραπάνω φωτογραφία δείχνει τη βάση δοκιμής. Τα στηρίγματα στήριξης είναι άμεσα διαθέσιμα στο Amazon και το Ebay.

Η ροπή πέδησης του φρένου των μαγνητικών σωματιδίων είναι ανάλογη με το ρεύμα περιέλιξης. Για τη βαθμονόμηση του φρένου, οποιοδήποτε από τα δύο κατσαβίδια μέτρησης ροπής συνδέθηκε στον άξονα στην αντίθετη πλευρά του φρένου ως βηματικός κινητήρας. Τα δύο κατσαβίδια που χρησιμοποιήθηκαν ήταν οι αριθμοί εξαρτημάτων McMaster Carr 5699A11 και 5699A14. Το πρώτο έχει μέγιστο εύρος ροπής 6 in-lb = 0,678 N-m και το δεύτερο έχει μέγιστο εύρος ροπής 25 in-lb = 2,825 N-m. Το ρεύμα παρέχεται από μια μεταβλητή τροφοδοσία DC CSI5003XE (50 V/3A). Το παραπάνω γράφημα δείχνει τη μετρημένη ροπή έναντι του ρεύματος.

Σημειώστε ότι στο εύρος που ενδιαφέρει αυτές τις δοκιμές, η ροπή πέδησης μπορεί να προσεγγιστεί στενά από τη γραμμική σχέση Ροπή (Ν-m) = 1,75 x Ρεύμα φρένων (Α).

Βήμα 3: Επιλέξτε Candidate Step Motor Drivers

Οι βηματικοί κινητήρες μπορούν να κινούνται με ένα τύλιγμα πλήρως ενεργό τη φορά που συνήθως ονομάζεται ΜΟΝΟΣ βηματισμός, και οι δύο περιελίξεις πλήρως ενεργές (ΔΙΠΛΟ βήμα) ή και οι δύο τυλίξεις μερικώς ενεργές (MICROSTEPPING). Σε αυτήν την εφαρμογή, μας ενδιαφέρει η μέγιστη ροπή, οπότε χρησιμοποιείται μόνο ΔΙΠΛΟ βήμα.

Η ροπή είναι ανάλογη με το ρεύμα περιέλιξης. Ένας βηματικός κινητήρας μπορεί να κινείται με σταθερή τάση εάν η αντίσταση περιέλιξης είναι αρκετά υψηλή ώστε να περιορίζει το ρεύμα σταθερής κατάστασης στην ονομαστική τιμή του κινητήρα. Το Adafruit #1438 Motorshield χρησιμοποιεί προγράμματα οδήγησης σταθερής τάσης (TB6612FNG) που έχουν βαθμολογία 15 VDC, μέγιστο 1,2 αμπέρ. Αυτός ο οδηγός είναι ο μεγαλύτερος πίνακας που φαίνεται στην πρώτη φωτογραφία παραπάνω (χωρίς τις δύο θυγατρικές σανίδες στα αριστερά).

Η απόδοση με σταθερό οδηγό τάσης είναι περιορισμένη επειδή το ρεύμα στην ταχύτητα μειώνεται σημαντικά λόγω τόσο της αυτεπαγωγής της περιέλιξης όσο και του πίσω EMF. Μια εναλλακτική προσέγγιση είναι να επιλέξετε έναν κινητήρα με χαμηλότερη αντίσταση και περιέλιξη επαγωγής και να τον οδηγήσετε με σταθερό ρεύμα. Το σταθερό ρεύμα παράγεται από το πλάτος του παλμού διαμορφώνοντας την εφαρμοζόμενη τάση.

Μια μεγάλη συσκευή που χρησιμοποιείται για την παροχή σταθερού ρεύματος είναι ο DRV8871 που κατασκευάζεται από την Texas Instruments. Αυτό το μικρό IC περιέχει μια γέφυρα H με εσωτερική αίσθηση ρεύματος. Μια εξωτερική αντίσταση χρησιμοποιείται για να ρυθμίσετε το επιθυμητό σταθερό (ή μέγιστο) ρεύμα. Το IC αποσυνδέει αυτόματα την τάση όταν το ρεύμα υπερβεί την προγραμματισμένη τιμή και την εφαρμόσει ξανά όταν πέσει κάτω από κάποιο όριο.

Το DRV8871 έχει βαθμολογία 45 VDC, μέγιστο 3,6 αμπέρ. Περιέχει ένα εσωτερικό κύκλωμα ανίχνευσης υπερβολικής θερμοκρασίας που αποσυνδέει την τάση όταν η θερμοκρασία της διακλάδωσης φτάσει τους 175 βαθμούς C. Το IC διατίθεται μόνο σε ένα πακέτο HSOP 8 ακίδων το οποίο έχει ένα θερμικό μαξιλάρι στην κάτω πλευρά. Η TI πωλεί έναν πίνακα ανάπτυξης που περιέχει ένα IC (απαιτούνται δύο για έναν κινητήρα ενός βήματος), αλλά είναι πολύ ακριβό. Ο Adafruit και άλλοι πωλούν έναν μικρό πίνακα πρωτοτύπων (Adafruit #3190). Για δοκιμή, δύο από αυτά τοποθετήθηκαν έξω από ένα Adafruit Motorshield όπως φαίνεται στην πρώτη φωτογραφία παραπάνω.

Οι τρέχουσες δυνατότητες κίνησης τόσο του TB6612 όσο και του DRV8871 περιορίζονται στην πράξη από την άνοδο της θερμοκρασίας στο εσωτερικό των εξαρτημάτων. Αυτό θα εξαρτηθεί από τη θερμική βύθιση των μερών καθώς και τη θερμοκρασία περιβάλλοντος. Στις δοκιμές θερμοκρασίας του δωματίου μου, οι θυγατρικές σανίδες DRV8871 (Adafruit #3190) έφτασαν τα όρια θερμοκρασίας πάνω από 30 δευτερόλεπτα σε 2 αμπέρ και οι βηματικοί κινητήρες γίνονται πολύ ασταθείς (μονόφωνα διαλείπουσα καθώς το κύκλωμα υπερβολικής θερμοκρασίας κόβεται και βγαίνει). Η χρήση των DRV8871 ως σανίδες είναι ούτως ή άλλως, έτσι σχεδιάστηκε μια νέα ασπίδα (AutoShade #100105) η οποία περιέχει τέσσερα από τα προγράμματα οδήγησης για τη λειτουργία κινητήρων δύο βημάτων. Αυτός ο πίνακας σχεδιάστηκε με μεγάλη ποσότητα επιπέδου εδάφους και από τις δύο πλευρές για τη θέρμανση των IC. Χρησιμοποιεί την ίδια σειριακή διεπαφή στο Arduino με το Adafruit Motorshield, οπότε το ίδιο λογισμικό βιβλιοθήκης μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τα προγράμματα οδήγησης. Η δεύτερη φωτογραφία παραπάνω δείχνει αυτήν την πλακέτα κυκλώματος. Για περισσότερες πληροφορίες σχετικά με το AutoShade #100105, δείτε την καταχώριση στο Amazon ή στον ιστότοπο του AutoShade.mx.

Στην εφαρμογή σκιά μου, χρειάζονται 15 έως 30 δευτερόλεπτα για να ανέβει ή να χαμηλώσει κάθε σκιά ανάλογα με τη ρύθμιση ταχύτητας και την απόσταση σκιάς. Συνεπώς, το ρεύμα θα πρέπει να είναι περιορισμένο έτσι ώστε το όριο υπερβολικής θερμοκρασίας να μην επιτυγχάνεται ποτέ κατά τη λειτουργία. Ο χρόνος για την επίτευξη των ορίων υπερθέρμανσης στο 100105 είναι μεγαλύτερος από 6 λεπτά με όριο ρεύματος 1,6 amp και μεγαλύτερος από 1 λεπτό με όριο ρεύματος 2,0 amp.

Βήμα 4: Επιλέξτε Candidate Step Motors

Το Circuit Specialists διαθέτει δύο κινητήρες 23 βημάτων μεγέθους 23 που παρέχουν την απαιτούμενη ροπή 8 kg-cm. Και τα δύο διαθέτουν περιελίξεις δύο φάσεων με κεντρικές βρύσες, ώστε να μπορούν να συνδεθούν έτσι ώστε να κινούνται είτε οι πλήρεις περιελίξεις είτε οι μισές περιελίξεις. Οι προδιαγραφές για αυτούς τους κινητήρες παρατίθενται στους δύο παραπάνω πίνακες. Και οι δύο κινητήρες είναι σχεδόν ίδιοι μηχανικά, αλλά ηλεκτρικά ο κινητήρας 104 έχει πολύ χαμηλότερη αντίσταση και επαγωγή από τον κινητήρα 207. Παρεμπιπτόντως, οι ηλεκτρικές προδιαγραφές είναι για διέγερση μισού πηνίου. Όταν χρησιμοποιείται ολόκληρη η περιέλιξη, η αντίσταση διπλασιάζεται και η επαγωγή αυξάνεται κατά ένα συντελεστή 4.

Βήμα 5: Μέτρηση ροπής έναντι ταχύτητας υποψηφίων

Χρησιμοποιώντας το δυναμόμετρο (και την προσομοίωση) καθορίστηκαν οι καμπύλες ροπής έναντι ταχύτητας για μια σειρά διαμορφώσεων κινητήρα/περιέλιξης/ρεύματος. Το πρόγραμμα (σκίτσο) που χρησιμοποιείται για την εκτέλεση του δυναμόμετρου για αυτές τις δοκιμές μπορείτε να το κατεβάσετε από τον ιστότοπο AutoShade.mx.

Βήμα 6: Μονάδα σταθερής τάσης 57 Half Coil 57BYGH207 σε ονομαστικό ρεύμα

Ο κινητήρας 57BYGH207 με μισό πηνίο που κινείται στα 12V (λειτουργία σταθερής τάσης) έχει ως αποτέλεσμα 0,4 αμπέρ και ήταν η αρχική διαμόρφωση της μονάδας δίσκου. Αυτός ο κινητήρας μπορεί να οδηγηθεί απευθείας από το Adafruit #1434 Motorshield. Το παραπάνω σχήμα δείχνει τα προσομοιωμένα και μετρημένα χαρακτηριστικά ταχύτητας ροπής μαζί με τη χειρότερη τριβή. Αυτός ο σχεδιασμός πέφτει πολύ κάτω από την επιθυμητή ροπή που απαιτείται για λειτουργία στα 200 έως 400 βήματα ανά δευτερόλεπτο.

Βήμα 7: Μονάδα συνεχούς ρεύματος 57 Half Coil 57BYGH207 σε ονομαστικό ρεύμα

Ο διπλασιασμός της εφαρμοζόμενης τάσης, αλλά η χρήση της μονάδας κοπής για τον περιορισμό του ρεύματος στα 0,4 αμπέρ βελτιώνει σημαντικά την απόδοση όπως φαίνεται παραπάνω. Η περαιτέρω αύξηση της εφαρμοζόμενης τάσης θα βελτίωνε ακόμη περισσότερο την απόδοση. Αλλά η λειτουργία άνω των 12 VDC είναι ανεπιθύμητη για διάφορους λόγους.

· Το DRV8871 περιορίζεται σε τάση στα 45 VDC

· Τα τροφοδοτικά υψηλότερης τάσης δεν είναι τόσο συνηθισμένα και είναι πιο ακριβά

· Οι ρυθμιστές τάσης που χρησιμοποιούνται για την παροχή ισχύος 5 VDC για τα λογικά κυκλώματα που χρησιμοποιούνται στο σχεδιασμό Arduino περιορίζονται σε 15 VDC max. Έτσι, η λειτουργία των κινητήρων σε τάσεις υψηλότερες από αυτήν θα απαιτούσε δύο τροφοδοτικά.

Βήμα 8: Μονάδα σταθερού ρεύματος 57BYGH207 Full Coil σε ονομαστικό ρεύμα

Αυτό εξετάστηκε με την προσομοίωση αλλά δεν δοκιμάστηκε επειδή δεν είχα τροφοδοτικό 48 V. Η ροπή στις χαμηλές στροφές διπλασιάζεται όταν το πλήρες πηνίο κινείται στο ονομαστικό ρεύμα, αλλά στη συνέχεια πέφτει πιο γρήγορα με την ταχύτητα.

Βήμα 9: Μονάδα σταθερού ρεύματος 57BYGH104 Full Coil σε ½ Ονομαστικό ρεύμα

Με 12 VDC και ρεύμα 1,0Α, το χαρακτηριστικό της ταχύτητας ροπής που φαίνεται παραπάνω έχει αποτελέσματα. Τα αποτελέσματα της δοκιμής πληρούν τις απαιτήσεις για λειτουργία με 400 βήματα ανά δευτερόλεπτο.

Βήμα 10: Μονάδα σταθερού ρεύματος 57BYGH104 Full Coil σε 3/4 ονομαστικό ρεύμα

Η αύξηση των ρευμάτων περιέλιξης στα 1,6 αμπέρ αυξάνει σημαντικά το περιθώριο ροπής.

Βήμα 11: Μονάδα συνεχούς ρεύματος 57BYGH104 Full Coil σε ονομαστικό ρεύμα

Εάν τα ρεύματα περιέλιξης αυξηθούν στα 2Α και η ροπή αυξάνεται όπως φαίνεται παραπάνω, αλλά όχι τόσο όσο θα προέβλεπε η προσομοίωση. Έτσι συμβαίνει κάτι στην πραγματικότητα που περιορίζει τη ροπή σε αυτά τα υψηλότερα ρεύματα.

Βήμα 12: Πραγματοποίηση της Τελικής Επιλογής

Η χρήση του πλήρους πηνίου αντί του μισού είναι σίγουρα καλύτερη, αλλά δεν είναι επιθυμητή με τον κινητήρα 207 λόγω της υψηλότερης τάσης που απαιτείται. Ο κινητήρας 104 επιτρέπει τη λειτουργία σε χαμηλότερη εφαρμοζόμενη τάση. Αυτός ο κινητήρας είναι επομένως επιλεγμένος.

Η πλήρης αντίσταση πηνίου του κινητήρα 57BYGH104 είναι 2,2 ohm. Η αντίσταση του προγράμματος οδήγησης FETS στο DRV8871 είναι περίπου 0,6 ωμ. Η τυπική αντίσταση καλωδίωσης από και προς τους κινητήρες είναι περίπου 1 ohm. Έτσι, η ισχύς που διαχέεται σε ένα κύκλωμα κινητήρα είναι το ρεύμα της περιέλιξης σε τετραγωνικό χρόνο 3,8 ohms. Η συνολική ισχύς είναι διπλάσια, καθώς και οι δύο περιελίξεις κινούνται ταυτόχρονα. Για τα ρεύματα περιέλιξης που εξετάστηκαν παραπάνω, τα αποτελέσματα εμφανίζονται σε αυτόν τον Πίνακα.

Ο περιορισμός των ρευμάτων του κινητήρα στα 1,6 αμπέρ μας επιτρέπει να χρησιμοποιούμε ένα μικρότερο και λιγότερο ακριβό τροφοδοτικό 24 watt. Χάνεται πολύ μικρό περιθώριο ροπής. Επίσης, οι βηματικοί κινητήρες δεν είναι αθόρυβες συσκευές. Η οδήγησή τους σε υψηλότερο ρεύμα τα κάνει πιο δυνατά. Έτσι, για λόγους χαμηλότερης ισχύος και πιο αθόρυβης λειτουργίας, το τρέχον όριο επιλέχθηκε να είναι 1,6 αμπέρ.