Výběr krokového motoru a ovladače pro projekt automatizované stínovací obrazovky Arduino: 12 kroků (s obrázky)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:21

V tomto Instructable projdu kroky, které jsem provedl při výběru krokového motoru a ovladače pro prototyp projektu Automated Shade Screen. Stínicí obrazovky jsou populární a levné ručně zalomené modely Coolaroo a chtěl jsem vyměnit ruční kliky za krokové motory a centrální ovladač, který by bylo možné naprogramovat tak, aby zvyšoval a snižoval odstíny na základě vypočítaných časů východu a západu slunce. Projekt se vyvinul prostřednictvím nejméně pěti iterací na produkt, který najdete na Amazon.com nebo AutoShade.mx, ale proces výběru krokového motoru a jeho elektroniky ovladače je ten, který by měl být použitelný pro mnoho dalších projektů založených na Arduinu.

Počáteční konfigurace zvolená pro prototyp elektroniky byl procesor Arduino Uno (Rev 3) (Adafruit #50) s deskami pro zobrazení (Adafruit #399), časováním hodin v reálném čase (Adafruit #1141) a dvojkrokovými ovladači motoru (Adafruit #1438). Všechny desky komunikují s procesorem pomocí sériového rozhraní I2C. Softwarové ovladače jsou k dispozici pro všechny tyto, takže vývoj ovladače stínovací obrazovky je mnohem jednodušší.

Krok 1: Stanovte požadavky

Stínění by mělo fungovat minimálně stejně rychle jako při ručním zalomení. Trvalá rychlost klikování může být 1 klika za sekundu. Většina krokových motorů má velikost kroku 1,8 stupně nebo 200 kroků na otáčku. Minimální rychlost kroku by tedy měla být asi 200 kroků za sekundu. Dvakrát by to bylo ještě lepší.

Točivý moment ke zvýšení nebo snížení stínění šnekovým převodem Coolaroo byl měřen na 9 stínících obrazovkách v horní a dolní části jejich dráhy pomocí kalibrovaného momentového šroubováku (McMaster Carr #5699A11 s rozsahem +/- 6 in-lbs). To byl „odtržený“točivý moment a hodně se lišil. Minimum bylo 0,25 in-lbs a maximum 3,5 in-lbs. Správná metrická jednotka točivého momentu je N-m a 3 in-lbs je 0,40 N-m, což jsem použil jako nominální „třecí moment“.

Prodejci krokových motorů udávají z nějakého důvodu točivý moment motoru v jednotkách kg-cm. Výše uvedený minimální točivý moment 0,4 N-m je 4,03 Kg-cm. Pro slušné rozpětí točivého momentu jsem chtěl motor schopný dodat dvakrát tolik nebo asi 8 kg-cm. Při pohledu na krokové motory uvedené u obvodních specialistů se rychle ukázalo, že potřebuji motor velikosti 23. Jsou k dispozici v krátkých, středních a dlouhých délkách stohů a různých vinutí.

Krok 2: Sestavte dynamometr

Krokové motory mají zřetelnou charakteristiku točivý moment vs rychlost, která závisí na způsobu, jakým jsou poháněna jejich vinutí. Existují dva důvody, proč točivý moment klesá s rychlostí. První je, že ve vinutích je vyvinut zpětný EMF (napětí), který je proti aplikovanému napětí. Za druhé, indukčnost vinutí je proti změně proudu, ke které dochází v každém kroku.

Výkon krokového motoru lze předvídat pomocí dynamické simulace a lze jej měřit pomocí dynamometru. Udělal jsem obojí, ale nebudu diskutovat o simulaci, protože testovací data jsou opravdu kontrolou přesnosti simulace.

Dynamometr umožňuje měření kapacity točivého momentu motoru při běhu řízenou rychlostí. Kalibrovaná magnetická brzda částic aplikuje zatěžovací moment na motor. Rychlost není třeba měřit, protože se bude rovnat krokové rychlosti motoru, dokud zatěžovací moment nepřekročí schopnost motoru. Jakmile k tomu dojde, motor ztratí synchronizaci a vydá hlasitou raketu. Zkušební postup spočívá v řízení konstantní rychlosti, pomalém zvyšování proudu brzdou a zaznamenávání jeho hodnoty těsně předtím, než motor ztratí synchronizaci. To se opakuje při různých rychlostech a vykresluje se jako točivý moment vs. rychlost.

Vybraná magnetická brzda částic je model Placid Industries B25P-10-1 zakoupený na Ebay. Tento model již není uveden na webových stránkách výrobce, ale podle čísla dílu je hodnocen tak, aby poskytoval špičkový točivý moment 25 in-lb = 2,825 N-m, a cívka je navržena pro 10 V DC (max.). To je ideálně vhodné pro testování uvažovaných motorů velikosti 23, které jsou dimenzovány tak, aby vytvářely špičkové momenty přibližně 1,6 N-m. Tato brzda byla navíc dodávána s pilotním otvorem a montážními otvory identickými s těmi, které se používají u motorů NMEA 23, takže ji lze namontovat pomocí montážního držáku stejné velikosti jako motor. Motory mají ¼ palcové hřídele a brzda byla dodávána s ½ palcovou hřídelí, takže na Ebay byl zakoupen také flexibilní spojovací adaptér se stejnými hřídeli. Vše, co bylo zapotřebí, bylo namontovat na dva držáky na hliníkovou základnu. Výše uvedená fotografie ukazuje testovací stojan. Montážní držáky jsou snadno dostupné na Amazonu a Ebay.

Brzdný moment magnetické částicové brzdy je úměrný proudu vinutí. Ke kalibraci brzdy byl k hřídeli na opačné straně brzdy připojen jeden ze dvou šroubováků pro měření točivého momentu jako krokový motor. Dva použité šroubováky byly McMaster Carr číslo dílu 5699A11 a 5699A14. První z nich má rozsah maximálního točivého momentu 6 in-lb = 0,678 N-m a druhý má rozsah maximálního točivého momentu 25 in-lb = 2,825 N-m. Proud byl dodáván z variabilního stejnosměrného napájecího zdroje CSI5003XE (50 V/3A). Výše uvedený graf ukazuje naměřený točivý moment vs proud.

Všimněte si toho, že v rozsahu zájmu pro tyto testy může být brzdný moment těsně aproximován lineárním vztahem Točivý moment (N-m) = 1,75 x Brzdný proud (A).

Krok 3: Vyberte Candidate Step Motor Driver

Krokové motory mohou být poháněny jedním vinutím, které je plně aktivní v době, která se běžně nazývá SINGLE stepping, obě vinutí jsou plně aktivní (DOUBLE stepping) nebo obě vinutí jsou částečně aktivní (MICROSTEPPING). V této aplikaci nás zajímá maximální točivý moment, proto se používá pouze DOUBLE stepping.

Točivý moment je úměrný proudu vinutí. Krokový motor může být poháněn konstantním napětím, pokud je odpor vinutí dostatečně vysoký, aby omezil proud v ustáleném stavu na jmenovitou hodnotu pro motor. Adafruit #1438 Motorshield používá ovladače konstantního napětí (TB6612FNG), které jsou dimenzovány na 15 V DC, maximálně 1,2 A. Tento ovladač je větší deska zobrazená na první fotografii výše (bez dvou dceřiných desek vlevo).

Výkon s budičem konstantního napětí je omezený, protože proud při rychlosti je výrazně snížen jak indukčností vinutí, tak zadním EMF. Alternativním přístupem je vybrat motor s nižším odporem a indukčním vinutím a pohánět jej konstantním proudem. Konstantní proud je produkován šířkou impulsu modulací aplikovaného napětí.

Skvělým zařízením používaným k zajištění pohonu s konstantním proudem je DRV8871 od společnosti Texas Instruments. Tento malý integrovaný obvod obsahuje můstek H s vnitřním smyslem proudu. K nastavení požadovaného konstantního (nebo maximálního) proudu se používá externí odpor. Integrovaný obvod automaticky odpojí napětí, když proud překročí naprogramovanou hodnotu, a znovu jej použije, když klesne pod určitou prahovou hodnotu.

DRV8871 je dimenzován na 45 VDC, maximálně 3,6 ampéru. Obsahuje vnitřní obvod pro snímání přehřátí, který odpojí napětí, když teplota spoje dosáhne 175 stupňů C. Integrovaný obvod je k dispozici pouze v 8pólovém pouzdře HSOP, které má na spodní straně tepelnou podložku. TI prodává vývojovou desku, která obsahuje jeden IC (pro jednostupňový motor jsou zapotřebí dva), ale je to velmi drahé. Adafruit a další prodávají malou prototypovací desku (Adafruit #3190). Pro test byly dva z nich namontovány přívěsně na Adafruit Motorshield, jak je znázorněno na první fotografii výše.

Současné možnosti pohonu TB6612 i DRV8871 jsou v praxi omezeny nárůstem teploty uvnitř dílů. To bude záviset na poklesu tepla součástí a na okolní teplotě. V mých testech při pokojové teplotě dosáhly dceřiné desky DRV8871 (Adafruit #3190) svých teplotních limitů přibližně za 30 sekund při 2 ampérech a krokové motory se staly velmi nevyrovnanými (jednotlivé fázování přerušovaně, jak se obvod nadměrné teploty zapíná a vypíná). Použití DRV8871 jako dceřiných desek je každopádně kludge, takže byl navržen nový štít (AutoShade #100105), který obsahuje čtyři ovladače pro provoz dvoustupňových motorů. Tato deska byla navržena s velkým množstvím pozemní roviny na obou stranách pro tepelné jímání integrovaných obvodů. Pro Arduino používá stejné sériové rozhraní jako Adafruit Motorshield, takže pro ovladače lze použít stejný knihovní software. Druhá fotografie výše ukazuje tuto desku s obvody. Další informace o AutoShade #100105 naleznete v seznamu na Amazonu nebo na webu AutoShade.mx.

V mé aplikaci stínování obrazovky trvá 15 až 30 sekund, než se každý odstín zvýší nebo sníží v závislosti na nastavení rychlosti a vzdálenosti stínu. Proud by proto měl být omezen tak, aby během provozu nebyl nikdy dosažen limit přehřátí. Čas dosažení limitů přehřátí na 100105 je delší než 6 minut s proudovým limitem 1,6 A a delší než 1 minutu s proudovým limitem 2,0 A.

Krok 4: Vyberte kandidátské krokové motory

Circuit Specialists má dva krokové motory velikosti 23, které poskytují požadovaný točivý moment 8 kg-cm. Oba mají dvoufázová vinutí se středovými odbočkami, takže je lze připojit tak, že jsou poháněna buď plná nebo poloviční vinutí. Specifikace těchto motorů jsou uvedeny ve dvou tabulkách výše. Oba motory jsou mechanicky téměř totožné, ale elektricky má motor 104 mnohem nižší odpor a indukčnost než motor 207. Mimochodem, elektrické specifikace jsou pro buzení poloviční cívky. Když je použito celé vinutí, odpor se zdvojnásobí a indukčnost se zvýší faktorem 4.

Krok 5: Změřte točivý moment vs. rychlost kandidátů

Pomocí dynamometru (a simulace) byly stanoveny křivky točivý moment vs. rychlost pro řadu konfigurací motoru/vinutí/aktuálního pohonu. Program (skica) použitý pro spuštění dynamometru pro tyto testy lze stáhnout z webu AutoShade.mx.

Krok 6: Měnič s konstantním napětím poloviční cívky 57BYGH207 při jmenovitém proudu

Motor 57BYGH207 s poloviční cívkou poháněný 12V (režim konstantního napětí) má za následek 0,4 ampéru a byl původní konfigurací pohonu. Tento motor lze pohánět přímo z Adafruit #1434 Motorshield. Výše uvedený obrázek ukazuje simulované a změřené charakteristiky otáček točivého momentu spolu s nejhorším případem tření. Tato konstrukce spadá hluboko pod požadovaný točivý moment požadovaný pro provoz při 200 až 400 krocích za sekundu.

Krok 7: Pohon konstantního proudu poloviční cívky 57BYGH207 při jmenovitém proudu

Zdvojnásobení aplikovaného napětí, ale použití frekvenčního měniče k omezení proudu na 0,4 A výrazně zlepšuje výkon, jak je uvedeno výše. Další zvýšení aplikovaného napětí by ještě zlepšilo výkon. Provoz nad 12 V DC je však nežádoucí z několika důvodů.

· DRV8871 je napětí omezeno na 45 V DC

· Zdroje na stěnu s vyšším napětím nejsou tak běžné a jsou dražší

· Regulátory napětí používané k napájení 5 V DC pro logické obvody používané v konstrukci Arduino jsou omezeny na max. 15 V DC. Provozování motorů s vyšším napětím by vyžadovalo dva napájecí zdroje.

Krok 8: Pohon konstantního proudu 57BYGH207 s plnou cívkou při jmenovitém proudu

To bylo zkoumáno pomocí simulace, ale nebylo testováno, protože jsem neměl napájení 48 V. Točivý moment při nízkých otáčkách se zdvojnásobí, když je plná cívka poháněna jmenovitým proudem, ale pak s rychlostí klesá rychleji.

Krok 9: Pohon s konstantním proudem 57BYGH104 s plnou cívkou při ½ jmenovitém proudu

S 12 V DC a proudem 1,0 A vyplývá výše uvedená charakteristika točivého momentu. Výsledky testů splňují požadavky na provoz při 400 krocích za sekundu.

Krok 10: Měnič konstantního proudu 57BYGH104 s plnou cívkou při 3/4 jmenovitého proudu

Zvýšení vinutých proudů na 1,6 A výrazně zvyšuje rozpětí točivého momentu.

Krok 11: Měnič s konstantním proudem 57BYGH104 s plnou cívkou při jmenovitém proudu

Pokud se proudy vinutí zvýší na 2A a točivý moment se zvýší, jak je uvedeno výše, ale ne tolik, jak by simulace předpovídala. Ve skutečnosti se tedy děje něco, co omezuje točivý moment při těchto vyšších proudech.

Krok 12: Provedení konečného výběru

Využití plné cívky spíše než poloviny je rozhodně lepší, ale není žádoucí u motoru 207 kvůli vyššímu požadovanému napětí. Motor 104 umožňuje provoz při nižším aplikovaném napětí. Tento motor je tedy vybrán.

Plný odpor cívky motoru 57BYGH104 je 2,2 ohmů. Odpor ovladače FETS v DRV8871 je asi 0,6 ohmu. Typický odpor zapojení do a z motorů je asi 1 ohm. Výkon rozptýlený v jednom obvodu motoru je tedy proud vinutí na druhou krát 3,8 ohmu. Celkový výkon je dvojnásobný, protože obě vinutí jsou poháněna současně. Výsledky pro vinuté proudy uvažované výše jsou výsledky uvedeny v této tabulce.

Omezení proudů motoru na 1,6 A nám umožňuje použít menší a levnější 24 wattový napájecí zdroj. Ztrácí se velmi malé rozpětí točivého momentu. Krokové motory také nejsou tichá zařízení. Pokud je budete řídit vyšším proudem, budou hlasitější. V zájmu nižšího výkonu a tiššího provozu byl tedy aktuální limit zvolen na 1,6 ampéru.