Selectarea unui motor de pas și a unui driver pentru un proiect de ecran de umbră automat Arduino: 12 pași (cu imagini)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Modificat ultima dată: 2024-01-30 11:43

În acest instructabil, voi parcurge pașii pe care i-am făcut pentru a selecta un motor pas și un driver pentru un proiect prototip de ecran automat de umbră. Ecranele de umbră sunt modelele populare și ieftine Coolaroo cu manivelă și am vrut să înlocuiesc manivele cu motoare pas cu pas și un controler central care ar putea fi programat pentru a ridica și coborî umbrele pe baza orelor de răsărire și apus ale soarelui calculate. Proiectul a evoluat prin cel puțin cinci iterații într-un produs pe care îl puteți găsi pe Amazon.com sau AutoShade.mx, dar procesul de selectare a motorului pas și a electronicii driverului său este unul care ar trebui să fie aplicabil multor alte proiecte bazate pe Arduino.

Configurația inițială aleasă pentru prototipul electronic a fost procesorul Arduino Uno (Rev 3) (Adafruit # 50) cu plăci pentru afișare (Adafruit # 399), sincronizarea ceasului în timp real (Adafruit # 1141) și driverele cu motor cu două trepte (Adafruit # 1438). Toate plăcile comunică cu procesorul utilizând o interfață serial I2C. Driverele software sunt disponibile pentru toate acestea, ceea ce face dezvoltarea controlerului ecranului umbrit mult mai simplă.

Pasul 1: Determinați cerințele

Nuanțele ar trebui să funcționeze cel puțin la fel de repede ca și cu manivela. O viteză de manevrare susținută poate fi de 1 manivelă pe secundă. Majoritatea motoarelor cu trepte au o dimensiune a treptei de 1,8 grade, sau 200 de trepte pe rotație. Deci, viteza minimă a pasului ar trebui să fie de aproximativ 200 de pași pe secundă. De două ori ar fi și mai bine.

Cuplul pentru ridicarea sau coborârea umbrelor prin angrenajul melcat Coolaroo a fost măsurat pe 9 ecrane de umbră în partea superioară și inferioară a cursului lor folosind o șurubelniță cuplu calibrată (McMaster Carr # 5699A11 având o gamă de +/- 6 in-lbs). Acesta a fost cuplul „separat” și a variat mult. Minimul a fost de 0,25 in-lbs și maximul a fost de 3,5 in-lbs. Unitatea de măsură metrică adecvată pentru cuplu este N-m și 3 in-lbs este de 0,40 N-m pe care le-am folosit ca „cuplu de frecare” nominal.

Vânzătorii de motoare cu trepte specifică cuplul motorului în unități de kg-cm, din anumite motive. Cuplul minim de mai sus de 0,4 N-m este de 4,03 Kg-cm. Pentru o marjă de cuplu decentă, am dorit un motor capabil să livreze de două ori acest lucru sau aproximativ 8 Kg-cm. Privind peste motoarele cu trepte enumerate la specialiștii în circuite, am indicat rapid că aveam nevoie de un motor cu dimensiunea cadrului 23. Acestea sunt disponibile în lungimi scurte, medii și lungi ale stivei și o varietate de înfășurări.

Pasul 2: Construiți un dinamometru

Motoarele cu trepte au o caracteristică distinctă de cuplu vs viteză, care depinde de modul în care sunt antrenate înfășurările lor. Există două motive pentru care cuplul scade odată cu viteza. Primul este acela că în înfășurări se dezvoltă o CEM (tensiune) din spate care se opune tensiunii aplicate. În al doilea rând, inductanța înfășurării se opune schimbării curentului care are loc la fiecare pas.

Performanța unui motor pas cu pas poate fi prezis folosind o simulare dinamică și poate fi măsurată cu ajutorul unui dinamometru. Le-am făcut pe amândouă, dar nu voi discuta despre simulare, deoarece datele de testare sunt într-adevăr o verificare a acurateței simulării.

Un dinamometru permite măsurarea capacității de cuplu a unui motor în timp ce funcționează la o viteză controlată. O frână cu particule magnetice calibrate aplică cuplul de sarcină la motor. Nu este necesar să se măsoare viteza, deoarece va fi egală cu viteza pasului motorului până când cuplul de sarcină depășește capacitatea motorului. Odată ce acest lucru se întâmplă, motorul pierde sincronizarea și face o rachetă puternică. Procedura de testare constă în comandarea unei viteze constante, creșterea lentă a curentului prin frână și notarea valorii sale chiar înainte ca motorul să piardă sincronizarea. Acest lucru se repetă la diferite viteze și este reprezentat ca cuplu vs viteză.

Frâna cu particule magnetice aleasă este un model Placid Industries B25P-10-1 achiziționat de pe Ebay. Acest model nu mai este listat pe site-ul web al producătorului, dar din numărul piesei, este evaluat să furnizeze un cuplu maxim de 25 in-lb = 2.825 N-m, iar bobina este proiectată pentru 10 VDC (max). Acest lucru este ideal pentru testarea dimensiunilor 23 de motoare luate în considerare, care sunt evaluate pentru a produce cupluri maxime de aproximativ 1,6 N-m. În plus, această frână a venit cu o gaură pilot și orificii de montare identice cu cele utilizate pe motoarele NMEA 23, astfel încât ar putea fi montată folosind suportul de montare de aceeași dimensiune ca motorul. Motoarele au arbori de ¼ inch și frâna a venit cu un arbore de ½ inch, astfel încât un adaptor de cuplare flexibil cu arbori de aceeași dimensiune a fost achiziționat și pe Ebay. Tot ce era necesar era montarea pe două consolă pe o bază din aluminiu. Fotografia de mai sus arată standul de testare. Suporturile de montare sunt disponibile pe Amazon și Ebay.

Cuplul de frânare al frânei cu particule magnetice este proporțional cu curentul de înfășurare. Pentru calibrarea frânei, oricare dintre cele două șurubelnițe de măsurare a cuplului au fost conectate la arborele de pe partea opusă a frânei ca motor pas cu pas. Cele două șurubelnițe utilizate au fost numerele de piesă McMaster Carr 5699A11 și 5699A14. Primul are un interval de cuplu maxim de 6 in-lb = 0,678 N-m, iar cel de-al doilea are un interval de cuplu maxim de 25 in-lb = 2,825 N-m. Curentul a fost furnizat de la o sursă de alimentare CC variabilă CSI5003XE (50 V / 3A). Graficul de mai sus arată cuplul măsurat comparativ cu curentul.

Rețineți că, în intervalul de interes pentru aceste teste, cuplul de frânare poate fi apropiat de relația liniară Cuplul (N-m) = 1,75 x Curentul de frână (A).

Pasul 3: Selectați drivere cu motor de pas candidat

Motoarele pas cu pas pot fi acționate cu o singură înfășurare complet activă la un moment denumit în mod obișnuit SINGLE stepping, ambele înfășurări complet active (pas dublu) sau ambele înfășurări parțial active (MICROSTEPPING). În această aplicație, suntem interesați de cuplul maxim, deci este utilizat doar pasul DOUBLE.

Cuplul este proporțional cu curentul de înfășurare. Un motor cu trepte poate fi acționat cu o tensiune constantă dacă rezistența la înfășurare este suficient de mare pentru a limita curentul de stare stabilă la valoarea nominală pentru motor. Adafruit # 1438 Motorshield folosește drivere de tensiune constantă (TB6612FNG) care sunt evaluate la 15 VDC, 1,2 amperi maximum. Acest driver este placa mai mare prezentată în prima fotografie de mai sus (fără cele două plăci fiice din stânga).

Performanța cu un driver de tensiune constantă este limitată, deoarece curentul la viteză este mult redus atât datorită inductanței înfășurării, cât și a EMF din spate. O abordare alternativă este de a selecta un motor cu o bobină de rezistență și inductanță mai mică și de a-l conduce cu un curent constant. Curentul constant este produs prin lățimea impulsului modulând tensiunea aplicată.

Un dispozitiv excelent folosit pentru a furniza unitatea de curent constantă este DRV8871 fabricat de Texas Instruments. Acest mic IC conține un pod H cu un sens de curent intern. Un rezistor extern este utilizat pentru a seta curentul constant (sau maxim) dorit. IC-ul deconectează automat tensiunea atunci când curentul depășește valoarea programată și o reaplică atunci când scade sub un anumit prag.

DRV8871 este evaluat la 45 VDC, maxim 3,6 amperi. Acesta conține un circuit intern de detectare a supra-temperaturii care deconectează tensiunea atunci când temperatura de joncțiune atinge 175 de grade C. IC-ul este disponibil doar într-un pachet HSOP cu 8 pini care are un tampon termic pe partea inferioară. TI vinde o placă de dezvoltare care conține un IC (două sunt necesare pentru un motor cu un singur pas), dar este foarte scump. Adafruit și alții vând o mică placă de prototipare (Adafruit # 3190). Pentru testare, două dintre acestea au fost montate în exteriorul unui Adafruit Motorshield așa cum se arată în prima fotografie de mai sus.

Capacitățile actuale ale unității TB6612 și DRV8871 sunt, în practică, limitate de creșterea temperaturii în interiorul pieselor. Acest lucru va depinde de radierea căldurii pieselor, precum și de temperatura ambiantă. În testele mele de temperatură în cameră, plăcile fiice DRV8871 (Adafruit # 3190) au atins limitele de temperatură peste 30 de secunde la 2 amperi, iar motoarele pas cu pas devin foarte neregulate (o singură fază intermitentă pe măsură ce circuitul de supratemperatură intră și iese). Utilizarea DRV8871 ca plăci fișiere este oricum o problemă, așa că a fost proiectat un nou scut (AutoShade # 100105) care conține patru drivere pentru a acționa motoare cu două trepte. Această placă a fost proiectată cu o cantitate mare de plan de masă pe ambele părți pentru a scufunda căldura IC-urilor. Folosește aceeași interfață serială cu Arduino ca Adafruit Motorshield, astfel încât același software de bibliotecă poate fi utilizat și pentru drivere. A doua fotografie de mai sus arată această placă de circuit. Pentru mai multe informații despre AutoShade # 100105, consultați listarea de pe Amazon sau site-ul AutoShade.mx.

În aplicația mea pentru ecranul de umbră, durează 15 până la 30 de secunde pentru a ridica sau coborâ fiecare umbră, în funcție de setarea vitezei și distanța de umbră. Prin urmare, curentul trebuie limitat astfel încât limita de supra-temperatură să nu fie atinsă niciodată în timpul funcționării. Timpul pentru a atinge limitele de supra-temperatură pe 100105 este mai mare de 6 minute cu o limită de curent de 1,6 amp și mai mare de 1 minut cu o limită de curent de 2,0 amp.

Pasul 4: Selectați motoare pas cu pas

Specialiștii în circuite au două motoare cu 23 de trepte de dimensiuni, care asigură cuplul necesar de 8 kg-cm. Ambele au înfășurări în două faze, cu robinete centrale, astfel încât să poată fi conectate astfel încât să fie acționate fie înfășurările complete, fie jumătățile. Specificațiile pentru aceste motoare sunt enumerate în cele două tabele de mai sus. Ambele motoare sunt aproape identice mecanic, dar electric, motorul 104 are o rezistență și inductanță mult mai mici decât motorul 207. Apropo, specificațiile electrice sunt pentru excitația cu jumătate de bobină. Când se utilizează întreaga înfășurare, rezistența se dublează și inductanța crește cu un factor de 4.

Pasul 5: Măsurați Cuplul Vs Viteza candidaților

Folosind dinamometrul (și simularea) s-au determinat curbele de cuplu vs viteză pentru o serie de configurații ale motorului / înfășurării / curentului. Programul (schița) folosit pentru rularea dinamometrului pentru aceste teste poate fi descărcat de pe site-ul AutoShade.mx.

Pasul 6: Unitate de tensiune constantă de 57BYGH207 jumătate de bobină la curent nominal

Motorul 57BYGH207 cu jumătate de bobină acționat la 12V (modul de tensiune constantă) are ca rezultat 0,4 amperi și a fost configurația inițială a unității. Acest motor poate fi condus direct de la Adafruit # 1434 Motorshield. Figura de mai sus prezintă caracteristicile simulate și măsurate ale turației cuplului, împreună cu frecarea în cel mai rău caz. Acest design scade cu mult sub cuplul dorit necesar pentru funcționare la 200 până la 400 de trepte pe secundă.

Pasul 7: Unitate de curent constant de 57BYGH207 jumătate de bobină la curent nominal

Dublarea tensiunii aplicate, dar utilizarea unității chopper pentru a limita curentul la 0,4 amperi îmbunătățește semnificativ performanța, așa cum se arată mai sus. Creșterea tensiunii aplicate ar îmbunătăți și mai mult performanța. Dar funcționarea peste 12 VDC este nedorită din mai multe motive.

· DRV8871 are tensiune limitată la 45 VDC

· Sursele de alimentare cu tensiune mai mare nu sunt atât de frecvente și sunt mai scumpe

· Regulatoarele de tensiune utilizate pentru a furniza puterea de 5 VDC pentru circuitele logice utilizate în proiectarea Arduino sunt limitate la 15 VDC max. Deci, funcționarea motoarelor la tensiuni mai mari decât aceasta ar necesita două surse de alimentare.

Pasul 8: Unitate de curent constant de 57BYGH207 bobină completă la curent nominal

Acest lucru a fost analizat cu simularea, dar nu a fost testat deoarece nu aveam o sursă de alimentare de 48 V. Cuplul la viteze mici se dublează atunci când bobina completă este acționată la curentul nominal, dar apoi cade mai rapid cu viteza.

Pasul 9: Unitate de curent constant de 57BYGH104 bobină completă la ½ curent nominal

Cu 12 VDC și un curent de 1,0A, rezultă caracteristica cuplului-viteză prezentată mai sus. Rezultatele testului îndeplinesc cerințele de funcționare la 400 de pași pe secundă.

Pasul 10: Unitate de curent constant de 57BYGH104 bobină completă la 3/4 curent nominal

Creșterea curenților de înfășurare la 1,6 amperi mărește semnificativ marja de cuplu.

Pasul 11: Unitate de curent constant de 57BYGH104 bobină completă la curent nominal

Dacă curenții de înfășurare sunt crescuți la 2A, iar cuplul crește așa cum se arată mai sus, dar nu atât de mult cum ar prezice simularea. Deci, se întâmplă ceva în realitate care limitează cuplul la acești curenți superiori.

Pasul 12: Efectuarea selecției finale

Utilizarea bobinei complete, mai degrabă decât jumătate, este cu siguranță mai bună, dar nu este de dorit cu motorul 207 din cauza tensiunii mai mari necesare. Motorul 104 permite funcționarea la o tensiune aplicată mai mică. Prin urmare, acest motor este selectat.

Rezistența completă a bobinei motorului 57BYGH104 este de 2,2 ohmi. Rezistența driverului FETS în DRV8871 este de aproximativ 0,6 ohmi. Rezistența tipică de cablare la și de la motoare este de aproximativ 1 ohm. Deci, puterea disipată într-un circuit motor este curentul de înfășurare pătrat de 3,8 ohmi. Puterea totală este de două ori mai mare, deoarece ambele înfășurări sunt acționate în același timp. Pentru curenții de înfășurare considerați mai sus, rezultatele sunt prezentate în acest tabel.

Limitarea curenților motorului la 1,6 amperi ne permite să folosim o sursă de alimentare de 24 de wați mai mică și mai puțin costisitoare. Se pierde o marjă de cuplu foarte mică. De asemenea, motoarele pas cu pas nu sunt dispozitive silențioase. Conducerea lor la un curent mai mare le face mai puternice. Deci, în interesul unei puteri mai mici și a unei funcționări mai silențioase, limita actuală a fost aleasă să fie de 1,6 amperi.