Askelmoottorin ja ohjaimen valitseminen Arduino -automaattiseen varjostusnäyttöprojektiin: 12 vaihetta (kuvilla)

2024 Kirjoittaja: John Day | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2024-01-30 09:01

Tässä Instructable -ohjelmassa käyn läpi vaiheet, jotka tein valitakseni askelmoottorin ja ohjaimen automaattisen varjostusnäytteen prototyyppiprojektiin. Varjostimet ovat suosittuja ja edullisia Coolaroo -käsikäyttöisiä malleja, ja halusin korvata käsikammet askelmoottoreilla ja keskusohjaimella, joka voitaisiin ohjelmoida nostamaan ja laskemaan sävyjä lasketun auringon nousun ja auringonlaskun ajan perusteella. Projekti on kehittynyt vähintään viiden iteraation kautta tuotteeksi, jonka löydät Amazon.comista tai AutoShade.mx: stä, mutta askelmoottorin ja sen ohjauselektroniikan valintaprosessi on sovellettavissa moniin muihin Arduinoon perustuviin projekteihin.

Prototyyppielektroniikalle valittiin alun perin Arduino Uno (Rev 3) -prosessori (Adafruit #50), jossa on näyttötaulut (Adafruit #399), reaaliaikainen kellon ajoitus (Adafruit #1141) ja kaksivaiheiset moottoriajurit (Adafruit #1438)). Kaikki levyt kommunikoivat prosessorin kanssa käyttämällä sarjaliitäntää I2C. Kaikille näille on saatavana ohjelmisto -ohjaimet, jotka helpottavat varjostusnäytön ohjaimen kehittämistä.

Vaihe 1: Määritä vaatimukset

Sävyjen tulisi toimia vähintään yhtä nopeasti kuin käsivivulla. Jatkuva käsikäynnistysnopeus voi olla 1 kampi sekunnissa. Useimpien askelmoottoreiden askelkoko on 1,8 astetta eli 200 askelta kierrosta kohden. Pienin askelnopeus on siis noin 200 askelta sekunnissa. Kaksi kertaa se olisi vielä parempi.

Vääntömomentti varjostimen nostamiseksi tai laskemiseksi Coolaroo-matohammaspyörän kautta mitattiin yhdeksällä varjoseinällä matkan ylä- ja alareunassa käyttäen kalibroitua vääntömomenttiruuvimeisseliä (McMaster Carr #5699A11, jonka alue on +/- 6 in-lbs). Tämä oli”murtautumismomentti”, ja se vaihteli paljon. Minimi oli 0,25 in-lbs ja maksimi 3,5 in-lbs. Vääntömomentin oikea metrinen mittayksikkö on N-m ja 3 in-lbs on.40 N-m, jota käytin nimellisenä "kitkamomenttina".

Askelmoottorien valmistajat määrittävät moottorin vääntömomentin kg-cm: n yksiköistä jostain syystä. Edellä mainittu vähimmäismomentti 0,4 N-m on 4,03 Kg-cm. Kohtuullisen vääntömomentin vuoksi halusin moottorin, joka pystyy tuottamaan kaksi kertaa tämän tai noin 8 kg-cm. Piiriasiantuntijoiden luettelossa olevien askelmoottoreiden tarkastelu osoitti nopeasti, että tarvitsin runkokoon 23 moottorin. Niitä on saatavana lyhyillä, keskipitkillä ja pitkillä pinopituuksilla sekä useilla eri käämillä.

Vaihe 2: Rakenna dynamometri

Askelmoottoreilla on selkeä vääntö- ja nopeusominaisuus, joka riippuu niiden käämien käyttötavasta. On kaksi syytä, miksi vääntömomentti pienenee nopeuden myötä. Ensimmäinen on se, että käämiin kehitetään takaisin EMF (jännite), joka vastustaa syötettyä jännitettä. Toiseksi käämitysinduktanssi vastustaa virran muutosta, joka tapahtuu jokaisen vaiheen yhteydessä.

Askelmoottorin suorituskyky voidaan ennustaa käyttämällä dynaamista simulaatiota ja se voidaan mitata dynamometrillä. Tein molemmat, mutta en keskustele simulaatiosta, koska testitiedot ovat todella simulaation tarkkuuden tarkistus.

Dynamometrin avulla voidaan mitata moottorin vääntömomentti hallitun nopeuden ollessa käynnissä. Kalibroitu magneettinen hiukkasjarru käyttää kuormitusmomenttia moottoriin. Nopeutta ei tarvitse mitata, koska se on yhtä suuri kuin moottorin askelnopeus, kunnes kuormitusmomentti ylittää moottorin kyvyn. Kun tämä tapahtuu, moottori menettää synkronoinnin ja tekee kovaa mailaa. Testimenettely käsittää vakionopeuden käskyn, hitaasti lisäävää virtaa jarrun läpi ja sen arvon merkitsemisen juuri ennen kuin moottori menettää tahdistuksen. Tämä toistetaan eri nopeuksilla ja piirretään vääntömomentiksi vs. nopeus.

Magneettinen hiukkasjarru on Placid Industriesin malli B25P-10-1, joka on ostettu Ebaysta. Tätä mallia ei enää luetella valmistajan verkkosivustolla, mutta osanumeron mukaan sen on arvioitu tuottavan huippuvääntömomentin 25 in-lb = 2,825 N-m, ja kela on suunniteltu 10 VDC: lle (maks.). Tämä sopii ihanteellisesti tarkasteltaessa tarkasteltavia koon 23 moottoreita, joiden suurin vääntömomentti on noin 1,6 Nm. Lisäksi tämän jarrun mukana tuli ohjausreikä ja kiinnitysreiät, jotka olivat identtiset NMEA 23 -moottoreiden kanssa, joten se voidaan asentaa samankokoisella kiinnikkeellä kuin moottori. Moottorissa on ¼ tuuman akselit ja jarrussa oli ½ tuuman akseli, joten joustava kytkinsovitin, jolla oli samankokoiset akselit, hankittiin myös Ebaysta. Tarvittiin vain kiinnitys kahteen kiinnikkeeseen alumiinialustaan. Yllä olevassa valokuvassa näkyy testiteline. Kiinnikkeet ovat helposti saatavilla Amazonista ja Ebaysta.

Magneettisen hiukkasjarrun jarrutusmomentti on verrannollinen käämivirtaan. Jarrun kalibroimiseksi jompikumpi kahdesta vääntömomentin ruuvitaltasta liitettiin akseliin jarrun vastakkaisella puolella askelmoottorina. Kaksi käytettyä ruuvimeisseliä olivat McMaster Carrin osanumerot 5699A11 ja 5699A14. Ensimmäisen vääntömomentti on 6 in-lb = 0,678 N-m ja jälkimmäisen suurin vääntömomentti on 25 in-lb = 2,825 N-m. Virta syötettiin vaihtelevasta tasavirtalähteestä CSI5003XE (50 V/3A). Yllä oleva kaavio näyttää mitatun vääntömomentin vs.

Huomaa, että näiden testien kiinnostavalla alueella jarrutusmomentti voidaan lähentää likimääräisellä lineaarisella suhteella Vääntömomentti (N-m) = 1,75 x jarruvirta (A).

Vaihe 3: Valitse ehdokkaat moottoriajurit

Askelmoottoreita voidaan käyttää yhdellä käämityksellä, joka on täysin aktiivinen kerrallaan, jota yleisesti kutsutaan YKSI askeleeksi, molemmat käämit täysin aktiivisina (KAKSINKERTAINEN askel) tai molemmat käämit osittain aktiivisina (MIKROSTEPPINTI). Tässä sovelluksessa olemme kiinnostuneita suurimmasta vääntömomentista, joten käytetään vain DOUBLE -askelta.

Vääntömomentti on verrannollinen käämivirtaan. Askelmoottoria voidaan käyttää vakiojännitteellä, jos käämitysresistanssi on riittävän suuri rajoittamaan vakiovirta moottorin nimellisarvoon. Adafruit #1438 Motorshield käyttää vakiojänniteohjaimia (TB6612FNG), joiden nimellisarvo on 15 VDC, enintään 1,2 ampeeria. Tämä ohjain on suurempi levy, joka näkyy yllä olevassa kuvassa (ilman kahta tytärlevyä vasemmalla).

Suorituskyky vakiojänniteohjaimella on rajallinen, koska nopeusvirta pienenee huomattavasti sekä käämityksen induktanssin että taka -EMF: n vuoksi. Vaihtoehtoinen lähestymistapa on valita moottori, jolla on pienempi vastus ja induktanssikäämitys, ja käyttää sitä vakiovirralla. Vakiovirta tuotetaan moduloimalla syötetty jännite pulssin leveydellä.

Erinomainen laite, jota käytetään vakiovirta -aseman tarjoamiseen, on Texas Instrumentsin valmistama DRV8871. Tämä pieni IC sisältää H -sillan, jossa on sisäinen virran tunne. Ulkoista vastusta käytetään halutun vakio (tai maksimivirran) asettamiseen. IC katkaisee automaattisesti jännitteen, kun virta ylittää ohjelmoidun arvon, ja käyttää sitä uudelleen, kun se laskee jonkin kynnyksen alle.

DRV8871 on mitoitettu 45 VDC, enintään 3,6 ampeeria. Se sisältää sisäisen ylilämpötila-anturipiirin, joka katkaisee jännitteen, kun risteyslämpötila saavuttaa 175 astetta. TI myy kehityskortin, joka sisältää yhden IC: n (kaksi tarvitaan yhden askeleen moottorille), mutta se on erittäin kallista. Adafruit ja muut myyvät pienen prototyyppitaulun (Adafruit #3190). Testiä varten kaksi näistä asennettiin Adafruit Motorshieldin perämoottoriin, kuten yllä olevassa ensimmäisessä kuvassa näkyy.

Sekä TB6612: n että DRV8871: n nykyisiä käyttömahdollisuuksia rajoittaa käytännössä osien sisälämpötilan nousu. Tämä riippuu osien jäähdytyksestä ja ympäristön lämpötilasta. Huonelämpötilatestissäni DRV8871 -tytärlevyt (Adafruit #3190) saavuttivat ylilämpötilarajansa noin 30 sekunnissa 2 ampeerilla, ja porrasmoottorit muuttuvat hyvin epäsäännöllisiksi (yksittäinen vaiheittainen ajoittain, kun ylilämpötilapiiri katkeaa ja katkeaa). DRV8871 -laitteiden käyttäminen tytärlevyinä on joka tapauksessa tyhmää, joten suunniteltiin uusi suoja (AutoShade #100105), joka sisältää neljä ohjainta kaksivaihemoottoreiden käyttämiseksi. Tämä levy on suunniteltu suurella määrällä maatasoa molemmin puolin IC: n jäähdyttämiseksi. Se käyttää samaa sarjaliitäntää Arduinolle kuin Adafruit Motorshield, joten kuljettajille voidaan käyttää samaa kirjasto -ohjelmistoa. Toinen kuva yllä näyttää tämän piirilevyn. Lisätietoja AutoShade #100105: sta on Amazonin tai AutoShade.mx -verkkosivuston luettelossa.

Varjostussovelluksessani kunkin sävyn nostaminen tai laskeminen kestää 15–30 sekuntia nopeusasetuksesta ja varjoetäisyydestä riippuen. Sen vuoksi virtaa tulisi rajoittaa siten, että ylilämpötilarajaa ei koskaan saavuteta käytön aikana. Aika 100105: n ylilämpötilarajojen saavuttamiseen on yli 6 minuuttia 1,6 ampeerin virtarajalla ja yli 1 minuutti 2,0 ampeerin virtarajalla.

Vaihe 4: Valitse ehdokasmoottorit

Circuit Specialistsilla on kaksi koon 23 askelmoottoria, jotka tarjoavat tarvittavan 8 kg cm: n vääntömomentin. Molemmissa on kaksivaiheiset käämit, joissa on keskikierteet, joten ne voidaan yhdistää siten, että joko täysikäämisiä tai puolikäämityksiä käytetään. Näiden moottoreiden tekniset tiedot on lueteltu kahdessa yllä olevassa taulukossa. Molemmat moottorit ovat mekaanisesti lähes identtisiä, mutta sähköisesti 104 -moottorilla on paljon pienempi vastus ja induktanssi kuin 207 -moottorilla. Muuten, sähköiset tiedot koskevat puolikäämin herätystä. Koko käämiä käytettäessä vastus kaksinkertaistuu ja induktanssi kasvaa kertoimella 4.

Vaihe 5: Mittaa ehdokkaiden vääntömomentti vs

Käyttämällä dynamometriä (ja simulaatiota) määritettiin vääntömomentti- ja nopeuskäyrät useille moottori-/käämitys-/virtakäyttökonfiguraatioille. Ohjelma (luonnos), jota käytetään dynamometrin käyttämiseen näissä testeissä, voidaan ladata AutoShade.mx -sivustosta.

Vaihe 6: Puolikäämin 57BYGH207 vakiojännite taajuusmuuttajalla nimellisvirralla

57BYGH207 -moottori, jonka puolikäämi on 12 V: n jännitteellä (vakiojännitetila), tuottaa 0,4 ampeeria ja oli alkuperäinen käyttökonfiguraatio. Tätä moottoria voidaan käyttää suoraan Adafruit #1434 -moottorikilvestä. Yllä oleva kuva esittää simuloidut ja mitatut vääntömomentin nopeusominaisuudet sekä pahimman tapauksen kitkan. Tämä rakenne on selvästi alle halutun vääntömomentin, joka tarvitaan 200-400 askelta sekunnissa.

Vaihe 7: Puolikäämin 57BYGH207 jatkuva nykyinen käyttö nimellisvirralla

Käytettävän jännitteen kaksinkertaistaminen, mutta hakkurin käyttö rajoittaa virran 0,4 ampeeriin parantaa suorituskykyä merkittävästi, kuten yllä on esitetty. Jännitteen lisääminen parantaa suorituskykyä entisestään. Yli 12 VDC: n käyttö ei kuitenkaan ole toivottavaa useista syistä.

· DRV8871: n jännite on rajoitettu 45 VDC: een

· Korkeamman jännitteen seinälle asennettavat virtalähteet eivät ole niin yleisiä ja kalliimpia

· Jännitteen säätimet, joita käytetään Arduino -mallissa käytettävän logiikkapiirin 5 VDC: n virran syöttämiseen, ovat enintään 15 VDC. Moottoreiden käyttäminen tätä korkeammilla jännitteillä edellyttäisi siis kahta virtalähdettä.

Vaihe 8: 57BYGH207 -täyden kelan vakiovirta -asema nimellisvirralla

Tätä tarkasteltiin simulaatiolla, mutta ei testattu, koska minulla ei ollut 48 V: n virtalähdettä. Vääntömomentti pienillä nopeuksilla kaksinkertaistuu, kun täyskelaa käytetään nimellisvirralla, mutta putoaa sitten nopeammin nopeuden myötä.

Vaihe 9: 57BYGH104 -täyden kelan jatkuva nykyinen käyttö ½ nimellisvirralla

Yllä oleva vääntömomentin nopeusominaisuus tuottaa 12 VDC: n ja 1,0 A: n virran. Testitulokset täyttävät 400 askeleen sekuntinopeusvaatimukset.

Vaihe 10: 57BYGH104 -täyden kelan jatkuva nykyinen käyttö 3/4 nimellisvirralla

Käämivirtojen lisääminen 1,6 ampeeriin lisää momenttimarginaalia merkittävästi.

Vaihe 11: 57BYGH104 -täyden kelan vakiovirta -asema nimellisvirralla

Jos käämivirtoja nostetaan 2A: iin ja vääntömomentti kasvaa yllä esitetyllä tavalla, mutta ei niin paljon kuin simulaatio ennustaisi. Joten todellisuudessa tapahtuu jotain, joka rajoittaa vääntömomenttia näillä korkeammilla virroilla.

Vaihe 12: Lopullisen valinnan tekeminen

Täyden kelan käyttäminen puolen sijasta on ehdottomasti parempi, mutta se ei ole toivottavaa 207 -moottorin kanssa vaaditun korkeamman jännitteen vuoksi. 104 -moottori mahdollistaa käytön pienemmällä jännitteellä. Tämä moottori on siis valittu.

57BYGH104 -moottorin koko kelan vastus on 2,2 ohmia. Ajurin FETS -vastus DRV8871: ssä on noin 0,6 ohmia. Tyypillinen johdotusvastus moottoreihin ja niistä on noin 1 ohmia. Joten yhdessä moottoripiirissä hajoava teho on käämivirta neliökertaisesti 3,8 ohmia. Kokonaisteho on kaksi kertaa tämä, koska molempia käämiä käytetään samanaikaisesti. Edellä tarkasteltujen käämivirtojen tulokset on esitetty tässä taulukossa.

Rajoittamalla moottorivirrat 1,6 ampeeriin voimme käyttää pienempää ja halvempaa 24 watin virtalähdettä. Hyvin pieni vääntömarginaali häviää. Myös askelmoottorit eivät ole hiljaisia laitteita. Ajaminen suuremmalla virralla tekee niistä kovempia. Pienemmän tehon ja hiljaisemman toiminnan vuoksi virranrajaksi valittiin 1,6 ampeeria.