Kies 'n stapmotor en bestuurder vir 'n Arduino -outomatiese skaduskermprojek: 12 stappe (met foto's)

2024 Outeur: John Day | [email protected]. Laas verander: 2024-01-30 07:25

In hierdie instruksies gaan ek deur die stappe wat ek geneem het om 'n stapmotor en bestuurder te kies vir 'n prototipe outomatiese skaduskermprojek. Die skermskerms is die gewilde en goedkoop modelle van Coolaroo met die hand, en ek wou die handkrukke vervang met stappemotors en 'n sentrale kontroleerder wat geprogrammeer kan word om die skakerings te verhoog en te verlaag op grond van berekende sonsopkoms en sonsondergang. Die projek het ontwikkel deur ten minste vyf herhalings tot 'n produk wat u op Amazon.com of AutoShade.mx kan vind, maar die proses om die stapmotor en die bestuurderelektronika daarvan te kies, is van toepassing op baie ander Arduino -gebaseerde projekte.

Die aanvanklike konfigurasie wat gekies is vir die prototipe elektronika, was die Arduino Uno (Rev 3) verwerker (Adafruit #50) met borde vir vertoning (Adafruit #399), intydse kloktyd (Adafruit #1141) en tweestap motorbestuurders (Adafruit #1438). Alle borde kommunikeer met die verwerker met behulp van 'n seriële I2C -koppelvlak. Sagteware bestuurders is beskikbaar vir al hierdie dinge, wat die ontwikkeling van die skermskermbeheerder baie eenvoudiger maak.

Stap 1: Bepaal die vereistes

Die skakerings moet ten minste net so vinnig werk as met handknoppies. 'N Aanhoudende handspoed kan 1 kruk per sekonde wees. Die meeste stapmotors het 'n trapgrootte van 1,8 grade, of 200 treë per omwenteling. Die minimum stapsnelheid moet dus ongeveer 200 treë per sekonde wees. Twee keer sou dit nog beter wees.

Die wringkrag om die skaduwee deur die Coolaroo-wurmrat te verhoog of te verlaag, is gemeet aan 9 skerms aan die bokant en onderkant van hul reis met 'n geykte wringkragskroewedraaier (McMaster Carr #5699A11 met 'n reikwydte van +/- 6 in-lbs). Dit was die "wegbreek" -koppel, en dit het baie gewissel. Die minimum was 0,25 in-lbs en die maksimum was 3,5 in-lbs. Die regte metrieke eenheid vir wringkrag is N-m en 3 in-lbs is.40 N-m wat ek gebruik het as die nominale "wrywingskoppel".

Stap motorverskaffers spesifiseer om een of ander rede motorkoppel in eenhede van kg-cm. Die bogenoemde minimum wringkrag van 0,4 N-m is 4,03 Kg-cm. Vir 'n behoorlike wringkragmarge wou ek 'n motor hê wat twee keer hierdie of ongeveer 8 Kg-cm kon lewer. As ek na die stapmotors van Circuit Specialists kyk, het ek vinnig aangedui dat ek 'n motor met 'n raamgrootte 23 nodig het. Dit is beskikbaar in kort, medium en lang stapellengtes en 'n verskeidenheid windings.

Stap 2: Bou 'n dinamometer

Stapmotors het 'n duidelike koppel- en snelheidskenmerk, wat afhang van die manier waarop hul wikkels aangedryf word. Daar is twee redes waarom die wringkrag met spoed afneem. Die eerste is dat 'n terug EMF (spanning) ontwikkel word in die wikkelinge wat die toegepaste spanning teenstaan. Tweedens staan die kronkelende induktansie teen die verandering in stroom wat by elke stap plaasvind.

Die prestasie van 'n stapmotor kan voorspel word met behulp van 'n dinamiese simulasie, en dit kan met behulp van 'n dinamometer gemeet word. Ek het albei gedoen, maar ek sal nie die simulasie bespreek nie, want die toetsdata is 'n kontrole van die akkuraatheid van die simulasie.

'N Dinamometer kan die wringkragvermoë van 'n motor meet terwyl dit teen 'n beheerde snelheid loop. 'N Gekalibreerde magnetiese deeltjierem pas die vragkrag op die motor toe. Dit is nie nodig om die snelheid te meet nie, aangesien dit gelyk sal wees aan die stapsnelheid van die motor totdat die draaimoment die motor se vermoë oorskry. Sodra dit gebeur, verloor die motor sinchronisasie en maak 'n harde racket. Die toetsprosedure bestaan uit die bestuur van 'n konstante snelheid, die verhoging van die stroom stadig deur die rem en let op die waarde daarvan net voordat die motor sinchroniseer. Dit word by verskillende snelhede herhaal en as wringkrag teenoor snelheid aangedui.

Die gekose magnetiese deeltjierem is 'n Placid Industries-model B25P-10-1 wat op Ebay gekoop is. Hierdie model word nie meer op die webwerf van die vervaardiger gelys nie, maar volgens die onderdeelnommer word 'n maksimumkoppel van 25 in-lb = 2.825 N-m gegee, en die spoel is ontwerp vir 10 VDC (maks.). Dit is ideaal vir die toets van die grootte 23 motors wat oorweeg word, met 'n piek van ongeveer 1,6 N-m. Boonop het hierdie rem 'n stuurgat en monteergate wat identies is aan die NMEA 23 -motors, sodat dit gemonteer kon word met dieselfde grootte monteerbeugel as die motor. Die motors het ¼ duim asse en die rem het 'n ½ duim as, sodat 'n buigsame koppelingsadapter met asse van dieselfde grootte ook op Ebay verkry is. Al wat nodig was, is om aan twee hakies aan 'n aluminiumbasis te monteer. Die foto hierbo toon die toetsstaander. Die bevestigingshakies is geredelik beskikbaar op Amazon en Ebay.

Die remkoppel van die magnetiese deeltjierem is eweredig aan die wikkelstroom. Om die rem te kalibreer, is een van twee wringkragmeetskroewedraaiers as die trapmotor aan die as aan die teenoorgestelde kant van die rem gekoppel. Die twee skroewedraaiers wat gebruik is, was McMaster Carr -onderdeelnommers 5699A11 en 5699A14. Eersgenoemde het 'n maksimum wringkragomvang van 6 in-lb = 0,678 N-m en laasgenoemde het 'n maksimum wringkragomvang van 25 in-lb = 2,825 N-m. Stroom is voorsien van 'n veranderlike GS -kragtoevoer CSI5003XE (50 V/3A). Die grafiek hierbo toon die gemete wringkrag teenoor stroom.

Let daarop dat die remkoppel in die belangstellingsbereik vir hierdie toetse noukeurig benader kan word deur die lineêre verhouding Koppel (N-m) = 1,75 x remstroom (A).

Stap 3: Kies kandidaatstapmotorbestuurders

Stapmotors kan aangedryf word met een wikkeling wat volledig aktief is op 'n tyd wat algemeen ENKELE trappe genoem word, beide wikkels volledig aktief (DOUBLE trap) of beide wikkeling gedeeltelik aktief (MICROSTEPPING). In hierdie toepassing is ons geïnteresseerd in maksimum wringkrag, dus word slegs dubbele trap gebruik.

Wringkrag is eweredig aan die wikkelstroom. 'N Stapmotor kan met 'n konstante spanning aangedryf word as die wikkelweerstand hoog genoeg is om die bestendige stroom tot die nominale waarde van die motor te beperk. Die Adafruit #1438 Motorshield gebruik drywers met konstante spanning (TB6612FNG) met 'n nominaal van 15 VDC, maksimum 1,2 ampère. Hierdie bestuurder is die groter bord wat op die eerste foto hierbo getoon word (sonder die twee dogterborde aan die linkerkant).

Prestasie met 'n konstante spanningsbestuurder is beperk omdat die stroom teen spoed aansienlik verminder word as gevolg van beide die kronkelende induktansie en die agterste EMF. 'N Alternatiewe benadering is om 'n motor met 'n laer weerstand en induktansiewikkeling te kies en om hom met 'n konstante stroom aan te dryf. Die konstante stroom word geproduseer deur die pulswydte wat die toegepaste spanning moduleer.

Die DRV8871, vervaardig deur Texas Instruments, is 'n uitstekende toestel om die konstante stroomaandrywing te verskaf. Hierdie klein IC bevat 'n H -brug met 'n interne stroomgevoel. 'N Eksterne weerstand word gebruik om die gewenste konstante (of maksimum) stroom in te stel. Die IC ontkoppel die spanning outomaties wanneer die stroom die geprogrammeerde waarde oorskry en pas dit weer toe as dit onder 'n drempel val.

Die DRV8871 is geskat op 45 VDC, maksimum 3,6 ampère. Dit bevat 'n interne oor-temperatuur waarnemingskring wat die spanning ontkoppel wanneer die aansluitingstemperatuur 175 grade C bereik. TI verkoop 'n ontwikkelingsbord wat een IC bevat (twee is nodig vir eenstapmotor), maar dit is baie duur. Adafruit en ander verkoop 'n klein prototipe bord (Adafruit #3190). Vir die toets is twee hiervan aan boord van 'n Adafruit Motorshield gemonteer, soos op die eerste foto hierbo getoon.

Die huidige dryfvermoë van beide die TB6612 en DRV8871 word in die praktyk beperk deur die temperatuurstyging in die dele. Dit hang af van die onderdompeling van die onderdele sowel as die omgewingstemperatuur. In my kamertemperatuurtoetse het die DRV8871 -dogterborde (Adafruit #3190) hul temperatuur oorskry in ongeveer 30 sekondes teen 2 ampère, en die stapmotors raak baie wisselvallig (met 'n enkele fase, met tussenposes namate die oor temperatuur -kring in- en uitbreek). Die gebruik van die DRV8871's as dogterborde is in elk geval 'n knou, daarom is 'n nuwe skild ontwerp (AutoShade #100105) wat vier van die bestuurders bevat om tweestapmotors te bestuur. Hierdie bord is ontwerp met 'n groot hoeveelheid grondvlak aan beide kante om die IC's te verhit. Dit gebruik dieselfde seriële koppelvlak vir die Arduino as die Adafruit Motorshield, sodat dieselfde biblioteekprogrammatuur vir bestuurders gebruik kan word. Die tweede foto hierbo toon hierdie kringbord. Sien die lys op Amazon of die AutoShade.mx -webwerf vir meer inligting oor die AutoShade #100105.

In my skermskermtoepassing neem dit 15 tot 30 sekondes om elke skaduwee te verhoog of te verlaag, afhangende van die snelheidsinstelling en die skaduwee -afstand. Die stroom moet dus beperk word sodat die oormatige temperatuur nooit tydens werking bereik word nie. Die tyd om die oor-temperatuur perke op die 100105 te bereik, is langer as 6 minute met 'n 1,6 amp stroomlimiet en meer as 1 minuut met 'n 2.0 amp stroomlimiet.

Stap 4: Kies Candidate Step Motors

Circuit Specialists het twee grootte 23-stapmotors wat die benodigde wringkrag van 8 kg-cm bied. Albei het tweefasewikkelinge met middelkrane, sodat hulle so verbind kan word dat óf die volle of die helfte wikkeling aangedryf word. Die spesifikasies vir hierdie motors word in die twee tabelle hierbo gelys. Beide motors is meganies byna identies, maar elektries het die 104 -motor 'n baie laer weerstand en induktansie as die 207 -motor. Terloops, die elektriese spesifikasies is vir die opwinding van 'n halwe spoel. As die hele wikkeling gebruik word, verdubbel die weerstand en neem die induktansie met 'n faktor 4 toe.

Stap 5: Meet die wringkrag teenoor die snelheid van kandidate

Deur gebruik te maak van die dinamometer (en die simulasie) is die wringkrag teenoor spoedkurwes vir 'n aantal motor-/kronkel-/huidige aandrywingskonfigurasies bepaal. Die program (skets) wat gebruik word om die dinamometer vir hierdie toetse uit te voer, kan afgelaai word vanaf die AutoShade.mx -webwerf.

Stap 6: Konstante spanningsaandrywing van 57BYGH207 halfspoel teen nominale stroom

Die 57BYGH207 -motor met 'n halwe spoel wat op 12V aangedryf word (konstante spanningsmodus) lei tot 0,4 ampère en was die oorspronklike dryfkonfigurasie. Hierdie motor kan direk vanaf die Adafruit #1434 Motorshield gery word. Bogenoemde figuur toon die gesimuleerde en gemete wringkragspoedkenmerke saam met die ergste wrywing. Hierdie ontwerp val ver onder die gewenste wringkrag wat benodig word vir werking teen 200 tot 400 tree per sekonde.

Stap 7: Konstante stroom aandrywing van 57BYGH207 halfspoel teen nominale stroom

Deur die toegepaste spanning te verdubbel, maar die chopper -aandrywing te gebruik om die stroom tot 0,4 ampère te beperk, verbeter die prestasie aansienlik soos hierbo getoon. Die verhoging van die toegepaste spanning sal die prestasie nog meer verbeter. Maar werking oor 12 VDC is om verskeie redes ongewens.

· Die DRV8871 is spanning beperk tot 45 VDC

· Kragtoevoer vir hoë muurspanning is nie so algemeen nie en is duurder

· Die spanningsreguleerders wat gebruik word om die 5 VDC -krag te verskaf vir die logiese stroombane wat in die Arduino -ontwerp gebruik word, is beperk tot maksimum 15 VDC. Om die motors teen spannings hoër as dit te bestuur, sal dus twee kragtoevoer benodig.

Stap 8: Konstante stroom aandrywing van 57BYGH207 volspoel teen nominale stroom

Dit is met die simulasie bekyk, maar nie getoets nie omdat ek nie 'n 48 V -kragtoevoer gehad het nie. Die wringkrag by lae snelhede verdubbel wanneer die volle spoel op die nominale stroom aangedryf word, maar val dan vinniger af met spoed.

Stap 9: Konstante stroom aandrywing van 57BYGH104 volspoel teen ½ nominale stroom

Met 12 VDC en 'n stroom van 1.0A, is die wringkragspoed-eienskap hierbo getoon. Die toetsresultate voldoen aan die vereistes vir werking teen 400 stappe per sekonde.

Stap 10: Konstante stroom aandrywing van 57BYGH104 volspoel teen 3/4 nominale stroom

Die verhoging van die kronkelstrome tot 1,6 ampère verhoog die wringkragmarge aansienlik.

Stap 11: Konstante stroom aandrywing van 57BYGH104 volspoel teen nominale stroom

As die kronkelstrome tot 2A verhoog word en die wringkrag toeneem soos hierbo getoon, maar nie soveel as wat die simulasie sou voorspel nie. Daar gebeur dus iets in werklikheid wat die wringkrag by hierdie hoër strome beperk.

Stap 12: Maak die finale keuse

Om die volle spoel eerder as die helfte te gebruik, is beslis beter, maar dit is nie wenslik met die 207 -motor nie weens die hoër spanning wat benodig word. Die 104 motor laat werking toe teen 'n laer toegepaste spanning. Hierdie motor word dus gekies.

Die volle spoelweerstand van die 57BYGH104 -motor is 2,2 ohm. Die weerstand van die bestuurder FETS in die DRV8871 is ongeveer 0,6 ohm. Die tipiese bedradingsweerstand van en na die motors is ongeveer 1 ohm. Die krag wat in een motorkring versprei word, is dus die kronkelstroom in kwartaal 3,8 ohm. Die totale krag is twee keer soveel, aangesien albei windings gelyktydig aangedryf word. Die resultate word in hierdie tabel getoon vir die kronkelstrome hierbo beskou.

Deur die motorstrome tot 1,6 ampère te beperk, kan ons 'n kleiner en goedkoper 24 watt -kragtoevoer gebruik. Baie min wringkragmarge gaan verlore. Stapmotors is ook nie stil toestelle nie. Deur hulle teen 'n hoër stroom te dryf, word hulle harder. In die belang van laer krag en stiller werking is die huidige limiet gekies om 1,6 ampère te wees.