Arduino Avtomatik Kölgə Ekranı Layihəsi üçün Bir Adım Motor və Sürücü Seçilməsi: 12 Addım (Şəkillərlə birlikdə)

2024 Müəllif: John Day | [email protected]. Son dəyişdirildi: 2024-01-30 07:45

Bu Təlimat kitabında, Avtomatlaşdırılmış Kölgə Ekranı prototipi üçün Step Motor və Sürücü seçmək üçün atdığım addımlardan keçəcəyəm. Kölgə ekranları məşhur və ucuz Coolaroo əl kranklı modellərdir və mən hesab edirəm ki, günəşin çıxması və günəşin batma vaxtına əsaslanaraq kölgələri qaldırmaq və endirmək üçün proqramlaşdırıla bilən pilləli mühərriklər və mərkəzi nəzarətçi ilə əl kranklarını əvəz etmək istədim. Layihə, Amazon.com və ya AutoShade.mx -də tapa biləcəyiniz bir məhsula çevrilən ən az beş təkrarlama yolu ilə inkişaf etdi, lakin pilləli motorun və onun sürücü elektronikasının seçilməsi prosesi bir çox digər Arduino əsaslı layihəyə tətbiq oluna bilən bir prosesdir.

Prototip elektronikası üçün seçilmiş ilkin konfiqurasiya, ekran lövhələri (Adafruit #399), real vaxt saatı vaxtı (Adafruit #1141) və iki pilləli motor sürücüləri (Adafruit #1438) olan Arduino Uno (Rev 3) prosessoru (Adafruit #50) idi.). Bütün lövhələr ardıcıl I2C interfeysi istifadə edərək prosessorla əlaqə qurur. Bütün bunlar üçün kölgə ekran nəzarətçisinin inkişafını daha da asanlaşdıran proqram sürücüləri mövcuddur.

Addım 1: Tələbləri müəyyənləşdirin

Çalarlar ən azından əl əyilməsiylə eyni sürətdə işləməlidir. Davamlı əl sıxma sürəti saniyədə 1 krank ola bilər. Əksər pilləli mühərriklər 1,8 dərəcə addım ölçüsünə malikdir və ya hər inqilabda 200 addımdır. Beləliklə, minimum addım sürəti saniyədə təxminən 200 addım olmalıdır. İki dəfə olsa daha yaxşı olar.

Coolaroo qurd dişli vasitəsi ilə kölgəni qaldırmaq və ya endirmək üçün tork, kalibrlənmiş tork tornavida (McMaster Carr #5699A11 +/- 6-in-lbs aralığında) ilə səyahətlərinin üst və altındakı 9 kölgə ekranında ölçülmüşdür. Bu "ayrılan" tork idi və çox fərqli idi. Minimum 0,25 in-lbs və maksimum 3,5 in-lbs idi. Tork üçün uyğun ölçü vahidi N-m və 3-in-lbs, nominal "sürtünmə torku" olaraq istifadə etdiyim.40 N-m-dir.

Addım motor satıcıları nədənsə motor torkunu kq-sm ölçülərində təyin edirlər. 0.4 N-m yuxarıdakı minimum fırlanma anı 4.03 Kg-sm-dir. Yaxşı bir fırlanma anı üçün iki dəfə və ya təxminən 8 Kq-sm çatdıra bilən bir motor istədim. Dövrə Mütəxəssislərində sadalanan pilləli mühərriklərə baxanda 23 ölçülü bir mühərrikə ehtiyacım olduğunu dərhal göstərdilər. Bunlar qısa, orta və uzun yığın uzunluqlarında və müxtəlif sarımlarda mövcuddur.

Addım 2: Dinamometr qurun

Addım mühərrikləri, sarımlarının necə hərəkət etməsindən asılı olaraq fərqli bir torka və sürətə malikdir. Torkun sürətlə azalmasının iki səbəbi var. Birincisi, tətbiq olunan gərginliyə qarşı çıxan sarımlarda arxa EMF (gərginlik) inkişaf etməsidir. İkincisi, sarma endüktansı, hər addımda meydana gələn cərəyan dəyişikliyinə qarşı çıxır.

Bir pilləli motorun performansını dinamik bir simulyasiya ilə proqnozlaşdırmaq olar və bir dinamometrdən istifadə etməklə ölçmək olar. Hər ikisini etdim, amma simulyasiyanı müzakirə etməyəcəyəm, çünki test məlumatları həqiqətən simulyasiyanın düzgünlüyünü yoxlayır.

Dinamometr, idarə olunan sürətlə işləyərkən motorun tork qabiliyyətini ölçməyə imkan verir. Kalibr edilmiş maqnit hissəcik əyləci mühərrikə yük torkunu tətbiq edir. Sürəti ölçməyə ehtiyac yoxdur, çünki yük torku motorun qabiliyyətini aşana qədər motorun addım sürətinə bərabər olacaqdır. Bu baş verdikdə, motor sinxronizasiyanı itirir və yüksək səslə rəqs edir. Test proseduru sabit bir sürət əmrindən, əyləcdəki cərəyanı yavaş -yavaş artırmaqdan və motor sinxronizasiyasını itirməzdən əvvəl dəyərini qeyd etməkdən ibarətdir. Bu, müxtəlif sürətlərdə təkrarlanır və torka qarşı sürət kimi təsvir edilir.

Seçilən maqnit hissəcik əyləci, Ebay-da satın alınan Placid Industries B25P-10-1 modelidir. Bu model artıq istehsalçının veb saytında yoxdur, ancaq parça nömrəsindən 25 in-lb = 2.825 N-m maksimum tork təmin etmək üçün qiymətləndirilmişdir və bobin 10 VDC (maksimum) üçün hazırlanmışdır. Təxminən 1,6 N-m maksimum tork istehsal etmək üçün qiymətləndirilən 23 ölçülü mühərrikləri sınaqdan keçirmək üçün idealdır. Əlavə olaraq, bu əyləc, NMEA 23 mühərriklərində istifadə edilənlə eyni olan bir pilot çuxuru və montaj delikləri ilə təchiz olunmuşdur, buna görə də mühərriklə eyni ölçüdə montaj braketindən istifadə etməklə quraşdırıla bilər. Mühərriklər ¼ düymlü şaftlara malikdir və əyləc bir düymlük mil ilə təchiz olunmuşdur, buna görə də Ebay -da eyni ölçülü şaftlara malik çevik bir bağlama adapteri də alındı. Alüminium bazaya iki mötərizəyə montaj etmək lazım idi. Yuxarıdakı fotoşəkil test stendini göstərir. Montaj mötərizələri Amazon və Ebay -da asanlıqla mövcuddur.

Maqnit hissəcik əyləcinin əyləc torku, dolama cərəyanına mütənasibdir. Əyləcin kalibrlənməsi üçün, iki tork ölçmə tornavidasından biri addım motoru olaraq əyləcin əks tərəfindəki şaftla bağlanmışdır. İstifadə olunan iki tornavida McMaster Carr hissə nömrələri 5699A11 və 5699A14 idi. Birincisinin maksimum fırlanma anı 6 in-lb = 0.678 N-m, ikincisinin isə 25 in-lb = 2.825 N-m olan maksimum tork aralığına malikdir. Cari, dəyişən bir DC enerji təchizatı CSI5003XE (50 V/3A) ilə təchiz edilmişdir. Yuxarıdakı qrafik, cərəyana qarşı ölçülmüş torku göstərir.

Qeyd edək ki, bu testlər üçün maraq dairəsində əyləc torku, Tork (N-m) = 1.75 x Əyləc Cərəyanı (A) xətti əlaqəsi ilə yaxından yaxınlaşdırıla bilər.

Addım 3: Namizəd Addımlı Motor Sürücüləri seçin

Adım motorları, ümumiyyətlə TEK addım deyilən bir anda tam aktiv bir sarğı ilə idarə oluna bilər, hər iki sarğı da tam aktivdir (ÇİFT addım) və ya hər ikisi də qismən aktivdir (MİKROSTEPING). Bu tətbiqdə maksimum torkla maraqlanırıq, buna görə yalnız İKİDİ addımlama istifadə olunur.

Tork, dolama cərəyanına mütənasibdir. Sarma müqaviməti, sabit vəziyyət cərəyanını motor üçün nominal dəyərlə məhdudlaşdıracaq qədər yüksəkdirsə, bir addım motor sabit bir gərginliklə idarə oluna bilər. Adafruit #1438 Motorshield, maksimum 15 VDC, 1.2 amper olan sabit gərginlikli sürücülərdən (TB6612FNG) istifadə edir. Bu sürücü, yuxarıdakı ilk fotoşəkildə göstərilən daha böyük lövhədir (solda iki qız lövhəsi yoxdur).

Sabit bir gərginlik sürücüsü ilə performans məhduddur, çünki həm dolama endüktansı, həm də arxa EMF səbəbiylə sürətdəki cərəyan əhəmiyyətli dərəcədə azalır. Alternativ bir yanaşma, daha aşağı müqavimət və endüktans sargısı olan bir motor seçmək və sabit bir cərəyanla idarə etməkdir. Sabit cərəyan, tətbiq olunan gərginliyi modulyasiya edən nəbz genişliyi ilə istehsal olunur.

Daimi cərəyanı təmin etmək üçün istifadə olunan əla bir cihaz Texas Instruments tərəfindən hazırlanan DRV8871 -dir. Bu kiçik IC daxili cərəyan hissi olan H körpüsünü ehtiva edir. İstənilən sabit (və ya maksimum) cərəyanı təyin etmək üçün xarici bir rezistor istifadə olunur. IC, cərəyan proqramlaşdırılmış dəyəri aşdıqda avtomatik olaraq gərginliyi ayırır və bəzi həddən aşağı düşəndə yenidən tətbiq edir.

DRV8871, 45 VDC, maksimum 3.6 amper olaraq qiymətləndirilir. Qovşağın temperaturu 175 dərəcəyə çatdıqda gərginliyi kəsən daxili həddindən artıq temperatur algılama dövrəsi var. IC yalnız alt tərəfində termal yastığı olan 8 pinli HSOP paketində mövcuddur. TI, bir IC (bir pilləli motor üçün ikisi lazımdır) olan inkişaf etdirmə lövhəsi satır, lakin çox bahalıdır. Adafruit və digərləri kiçik bir prototip lövhəsi satır (Adafruit #3190). Test üçün, bunlardan ikisi, yuxarıdakı ilk fotoşəkildə göstərildiyi kimi Adafruit Motorshield -in xarici gəmisinə quraşdırılmışdır.

Həm TB6612, həm də DRV8871 -in sürücülük qabiliyyəti praktik olaraq hissələrdəki temperaturun artması ilə məhdudlaşır. Bu, hissələrin istiliyindən və ətraf mühitin temperaturundan asılı olacaq. Otaq temperatur testlərimdə, DRV8871 qızıl lövhələri (Adafruit #3190) 2 amperdə təxminən 30 saniyədə həddindən artıq temperatur həddinə çatdı və pilləli mühərriklər çox nizamsız olur (həddindən artıq temperatur devresi kəsildikdə və kəsildikdə bir fazalı). DRV8871 -in qız lövhələri kimi istifadə edilməsi hər halda bir tələdir, buna görə iki pilləli mühərriki idarə etmək üçün dörd sürücünü ehtiva edən yeni bir qalxan (AutoShade #100105) hazırlanmışdır. Bu lövhə, IC -ləri qızdırmaq üçün hər iki tərəfdə çox miqdarda torpaq təyyarəsi ilə dizayn edilmişdir. Adafruit Motorshield ilə Arduino üçün eyni serial interfeysini istifadə edir, buna görə də sürücülər üçün eyni kitabxana proqramı istifadə edilə bilər. Yuxarıdakı ikinci fotoşəkildə bu lövhəni göstərir. AutoShade #100105 haqqında daha çox məlumat üçün Amazondakı siyahıya və ya AutoShade.mx veb saytına baxın.

Kölgə ekranı tətbiqimdə, hər bir kölgəni sürət ayarı və kölgə məsafəsindən asılı olaraq qaldırmaq və ya aşağı salmaq 15-30 saniyə çəkir. Bu səbəbdən cərəyan həddindən artıq temperatur həddinə heç bir iş zamanı çatmayacaq qədər məhdudlaşdırılmalıdır. 100105-də həddindən artıq temperatur həddinə çatma vaxtı 1.6 amperlik cərəyan limiti ilə 6 dəqiqədən, 2.0 amperlik cərəyan limiti ilə 1 dəqiqədən çoxdur.

Addım 4: Namizəd Step Motors seçin

Dövrə Mütəxəssisləri, tələb olunan 8 kq-sm fırlanma anını təmin edən iki ölçülü 23 pilləli mühərrikə malikdir. Hər ikisinin də mərkəzi kranları olan iki fazalı sarımları var, buna görə ya tam sarımların, ya da yarı sarımların çəkiləcəyi şəkildə bağlana bilərlər. Bu mühərriklərin texniki xüsusiyyətləri yuxarıdakı iki cədvəldə verilmişdir. Hər iki mühərrik mexaniki olaraq eynidir, lakin elektrik mühərriki 104 mühərrikinin müqaviməti və endüktansı 207 mühərrikindən xeyli aşağıdır. Yeri gəlmişkən, elektrik xüsusiyyətləri yarım bobin həyəcanı üçündür. Bütün sarım istifadə edildikdə müqavimət iki qat artır və endüktans 4 dəfə artır.

Addım 5: Namizədlərin Tork Vs Sürətini Ölçün

Dinamometrdən (və simulyasiyadan) istifadə edərək, bir sıra motor/dolama/cərəyan sürücüsü konfiqurasiyaları üçün tork və sürət əyriləri müəyyən edilmişdir. Bu testlər üçün dinamometrin işləməsi üçün istifadə olunan proqramı (eskiz) AutoShade.mx saytından yükləyə bilərsiniz.

Addım 6: Nominal Cərəyanda 57BYGH207 Yarım Bobinin Sabit Gərginlik Sürücüsü

Yarım bobinli 12V (sabit gərginlik rejimi) ilə idarə olunan 57BYGH207 mühərriki, 0.4 amper ilə nəticələnir və orijinal sürücü konfiqurasiyası idi. Bu motor birbaşa Adafruit #1434 Motorshield -dən idarə oluna bilər. Yuxarıdakı rəqəm, ən pis halda sürtünmə ilə birlikdə simulyasiya edilmiş və ölçülmüş tork sürət xüsusiyyətlərini göstərir. Bu dizayn, saniyədə 200 ilə 400 addım arasında işləmək üçün lazım olan torkun xeyli aşağı düşür.

Addım 7: Nominal Cərəyanda 57BYGH207 Yarım Bobinin Sabit Cərəyanı

Tətbiq olunan gərginliyi ikiqat artırmaq, lakin cərəyanı 0,4 amper ilə məhdudlaşdırmaq üçün doğrayıcı sürücünün istifadəsi yuxarıda göstərildiyi kimi performansı əhəmiyyətli dərəcədə yaxşılaşdırır. Tətbiq olunan gərginliyi daha da artırmaq performansı daha da artıracaq. Ancaq 12 VDC -dən yuxarı olan əməliyyat bir neçə səbəbə görə arzuolunmazdır.

· DRV8871 gərginliyi 45 VDC ilə məhdudlaşmışdır

· Yüksək gərginlikli divara montaj enerji təchizatı o qədər də yaygın deyil və daha bahalıdır

· Arduino dizaynında istifadə olunan məntiq sxemləri üçün 5 VDC gücünü təmin etmək üçün istifadə olunan gərginlik tənzimləyiciləri maksimum 15 VDC ilə məhdudlaşır. Beləliklə, motorları bundan daha yüksək gərginlikdə işlətmək üçün iki enerji təchizatı lazımdır.

Addım 8: Nominal Cərəyanda 57BYGH207 Tam Bobinin Sabit Akım Sürücü

Bu simulyasiya ilə baxıldı, amma 48 V gücə malik olmadığım üçün sınaqdan keçirilmədi. Tam bobin nominal cərəyanla idarə edildikdə aşağı sürətlərdəki tork iki qat artır, lakin sonra sürətlə daha sürətlə düşür.

Addım 9: Nominal Cərəyanda 57BYGH104 Tam Bobinin Sabit Akım Sürücü

12 VDC və 1.0A cərəyanı ilə yuxarıda göstərilən tork sürətinin xarakteristikası nəticə verir. Test nəticələri saniyədə 400 addımda işləmə tələblərinə cavab verir.

Addım 10: 3/4 Nominal Cərəyanda 57BYGH104 Tam Bobinin Sabit Cərəyanı

Sarma cərəyanlarının 1,6 amperə yüksəldilməsi tork marjını əhəmiyyətli dərəcədə artırır.

Addım 11: Nominal Cərəyanda 57BYGH104 Tam Bobinin Sabit Akım Sürücü

Dolama cərəyanları 2A -a yüksəldilərsə və fırlanma anı yuxarıda göstərildiyi kimi artırsa, lakin simulyasiyanın təxmin etdiyi qədər deyil. Beləliklə, reallıqda bu yüksək cərəyanlardakı torku məhdudlaşdıran bir şey baş verir.

Addım 12: Son seçimin edilməsi

Yarım deyil, tam bobindən istifadə etmək daha yaxşıdır, lakin tələb olunan yüksək gərginliyə görə 207 motoru ilə arzuolunmazdır. 104 mühərriki daha aşağı gərginlikdə işləməyə imkan verir. Bu səbəbdən bu motor seçilir.

57BYGH104 mühərrikinin tam bobin müqaviməti 2,2 ohmdur. DRV8871 sürücüsünün FETS müqaviməti təxminən 0.6 ohmdur. Mühərriklərə və mühərriklərə tipik kabel müqaviməti təxminən 1 ohm -dir. Beləliklə, bir mühərrik dövrəsində yayılan güc, sarım cərəyanının kvadrat dəfə 3,8 ohm -dir. Hər iki sarım eyni vaxtda idarə edildiyindən, ümumi güc iki dəfə çoxdur. Yuxarıda nəzərdən keçirilən dolama cərəyanlar üçün nəticələr bu Cədvəldə göstərilmişdir.

Motor cərəyanlarının 1,6 amperlə məhdudlaşdırılması, daha kiçik və daha ucuz 24 vattlıq enerji təchizatı istifadə etməyə imkan verir. Çox az tork marjı itirilir. Ayrıca, addım motorları səssiz cihazlar deyil. Onları daha yüksək cərəyanda sürmək onları daha yüksək səslə çıxarır. Belə ki, daha aşağı güc və daha sakit əməliyyat maraqları naminə cari limit 1,6 amper olaraq seçildi.