Pagpili ng isang Hakbang Motor at Driver para sa isang Arduino Automated Shade Screen Project: 12 Hakbang (na may Mga Larawan)

2024 May -akda: John Day | [email protected]. Huling binago: 2024-01-30 13:12

Sa Instructable na ito, dadaan ako sa mga hakbang na kinuha ko upang pumili ng isang Hakbang Motor at Driver para sa isang prototype na proyekto na Automated Shade Screen. Ang mga shade screen ay ang tanyag at hindi magastos na mga modelo ng cranked na kamay ng Coolaroo, at nais kong palitan ang mga cranks ng kamay ng mga step motor at isang gitnang tagapamahala na maaaring mai-program upang itaas at babaan ang mga shade batay sa kinakalkula na pagsikat ng araw at paglubog ng araw. Ang proyekto ay umunlad sa pamamagitan ng hindi bababa sa limang mga pag-ulit sa isang produkto na maaari mong makita sa Amazon.com o AutoShade.mx, ngunit ang proseso para sa pagpili ng hakbang na motor at mga driver ng electronics nito ay isa na dapat na mailapat sa maraming iba pang mga proyekto na nakabatay sa Arduino.

Ang paunang pagsasaayos na napili para sa prototype electronics ay ang Arduino Uno (Rev 3) processor (Adafruit # 50) na may mga board for display (Adafruit # 399), tiyempo ng orasan ng real time (Adafruit # 1141) at mga dalawahang hakbang na driver ng motor (Adafruit # 1438). Ang lahat ng mga board ay nakikipag-usap sa processor gamit ang isang serial I2C interface. Magagamit ang mga driver ng software para sa lahat ng mga ito sa paggawa ng pag-unlad ng shade screen controller na mas simple.

Hakbang 1: Tukuyin ang Mga Kinakailangan

Ang mga shade ay dapat na gumana ng kahit na kasing bilis ng cranking ng kamay. Ang isang napapanatiling bilis ng pag-crank ng kamay ay maaaring 1 crank bawat segundo. Karamihan sa mga step motor ay may sukat na hakbang na 1.8 degree, o 200 na hakbang bawat rebolusyon. Kaya't ang minimum na bilis ng hakbang ay dapat na mga 200 hakbang bawat segundo. Dalawang beses na magiging mas mabuti pa.

Ang metalikang kuwintas upang itaas o babaan ang lilim sa pamamagitan ng Coolaroo worm gear ay sinusukat sa 9 shade screen sa tuktok at ilalim ng kanilang paglalakbay gamit ang isang calibrated torque screwdriver (McMaster Carr # 5699A11 pagkakaroon ng isang saklaw ng +/- 6 in-lbs). Ito ang "breakaway" na metalikang kuwintas, at iba-iba ito. Ang minimum ay 0.25 in-lbs at ang maximum ay 3.5 in-lbs. Ang wastong sukatang yunit ng sukatan para sa metalikang kuwintas ay N-m at 3 in-lbs ay.40 N-m na ginamit ko bilang nominal na "friction torque".

Ang mga step motor vendor ay tumutukoy sa motor torque sa mga yunit ng kg-cm sa ilang kadahilanan. Ang minimum na metalikang kuwintas ng 0.4 N-m ay 4.03 Kg-cm. Para sa isang disenteng margin ng metalikang kuwintas nais ko ang isang motor na may kakayahang maghatid ng dalawang beses ito o tungkol sa 8 Kg-cm. Ang pagtingin sa mga hakbang na motor na nakalista sa Mga Espesyalista sa Circuit ay mabilis na ipinahiwatig na kailangan ko ng isang sukat ng frame na 23 motor. Magagamit ang mga ito sa maikli, katamtaman at mahabang haba ng stack at iba't ibang mga paikot-ikot.

Hakbang 2: Bumuo ng isang Dynamometer

Ang mga step motor ay may natatanging katangian ng metalikang kuwintas kumpara sa bilis na nakasalalay sa paraan kung saan hinihimok ang kanilang paikot-ikot. Mayroong dalawang kadahilanan kung bakit bumabawas ang metalikang kuwintas nang may bilis. Ang una ay ang isang pabalik na EMF (boltahe) ay binuo sa mga paikot-ikot na sumasalungat sa inilapat na boltahe. Pangalawa, ang paikot-ikot na inductance ay sumasalungat sa pagbabago sa kasalukuyang nangyayari sa bawat hakbang.

Ang pagganap ng isang hakbang na motor ay maaaring mahulaan gamit ang isang pabagu-bagong simulation, at maaari itong sukatin gamit ang isang dynamometer. Ginawa ko ang pareho, ngunit hindi tatalakayin ang simulation dahil ang data ng pagsubok ay talagang isang tseke sa kawastuhan ng kunwa.

Pinapayagan ng isang dynamometer ang pagsukat ng kapasidad ng metalikang kuwintas ng isang motor habang tumatakbo sa isang kontroladong bilis. Ang isang naka-calibrate na magnetic particle preno ay naglalapat ng load torque sa motor. Hindi kailangang sukatin ang bilis dahil magiging katumbas ito ng hakbang na rate ng motor hanggang sa lumampas ang metalikang kuwintas ng kakayahan ng motor. Kapag nangyari ito, ang motor ay nawalan ng pag-synckize at gumawa ng isang malakas na raketa. Ang pamamaraan ng pagsubok ay binubuo ng pag-uutos ng isang pare-pareho ang bilis, dahan-dahang pagtaas ng kasalukuyang sa pamamagitan ng preno, at tandaan ang halaga nito bago mawala ang synch ng motor. Ito ay paulit-ulit sa iba't ibang mga bilis at naka-plot bilang metalikang kuwintas kumpara sa bilis.

Ang napiling magnetic particle preno ay isang modelo ng Placid Industries na B25P-10-1 na binili sa Ebay. Ang modelong ito ay hindi na nakalista sa web site ng tagagawa, ngunit mula sa bahagi ng numero, na-rate ito upang makapagbigay ng isang tuktok na metalikang kuwintas ng 25 in-lb = 2.825 N-m, at ang coil ay idinisenyo para sa 10 VDC (max). Angkop na angkop ito para sa pagsubok sa laki ng 23 mga motor na isinasaalang-alang na na-rate upang makabuo ng mga rurok na torque na halos 1.6 N-m. Bilang karagdagan, ang preno na ito ay dumating na may isang butas ng piloto at mga mounting hole na magkapareho sa mga ginamit sa NMEA 23 na mga motor, kaya maaari itong mai-mount gamit ang parehong laki ng mounting bracket tulad ng motor. Ang mga motor ay may ¼ pulgadang mga shaft at ang preno ay may ½ pulgada na baras kaya ang isang nababaluktot na adapter ng pagkabit na may magkatulad na sukat na shaft ay nakuha din sa Ebay. Ang kailangan lang ay mag-mount sa dalawang braket sa isang base ng aluminyo. Ang larawan sa itaas ay nagpapakita ng test stand. Ang mga mounting bracket ay madaling magagamit sa Amazon at Ebay.

Ang torque ng pagpepreno ng magnetic particle preno ay proporsyonal sa kasalukuyang paikot-ikot. Upang mai-calibrate ang preno, alinman sa dalawang mga metalikang kuwintas na sumusukat sa mga screwdriver ay nakakonekta sa baras sa kabaligtaran ng preno bilang step motor. Ang dalawang ginamit na distornilyador ay ang bilang ng McMaster Carr na bilang ng 5699A11 at 5699A14. Ang nauna ay may maximum na hanay ng metalikang kuwintas na 6 in-lb = 0.678 N-m at ang huli ay may maximum na hanay ng metalikang kuwintas na 25 in-lb = 2.825 N-m. Ang kasalukuyang ay ibinigay mula sa isang variable DC power supply CSI5003XE (50 V / 3A). Ipinapakita ng grap sa itaas ang sinusukat na metalikang kuwintas kumpara sa kasalukuyang.

Tandaan na sa saklaw ng interes para sa mga pagsubok na ito, ang braking torque ay maaaring malapit na maabot ng linear na relasyon ng Torque (N-m) = 1.75 x Brake Kasalukuyan (A).

Hakbang 3: Piliin ang Mga Kandidato ng Mga Driver ng Motor

Ang mga hakbang na motors ay maaaring hinimok ng isang paikot-ikot na ganap na aktibo sa isang oras na karaniwang tinatawag na SINGLE stepping, parehong paikot-ikot na ganap na aktibo (DOUBLE stepping) o pareho ng paikot-ikot na bahagyang aktibo (MICROSTEPPING). Sa application na ito, interesado kami sa maximum na metalikang kuwintas, kaya DOUBLE stepping lang ang ginamit.

Ang torque ay proporsyonal sa kasalukuyang paikot-ikot. Ang isang hakbang na motor ay maaaring hinimok na may pare-pareho na boltahe kung ang paikot-ikot na paglaban ay sapat na mataas upang malimitahan ang matatag na kasalukuyang estado sa na-rate na halaga para sa motor. Ang Adafruit # 1438 Motorshield ay gumagamit ng pare-pareho na mga driver ng boltahe (TB6612FNG) na na-rate sa 15 VDC, 1.2 amps maximum. Ang driver na ito ay ang mas malaking board na ipinakita sa unang larawan sa itaas (wala ang dalawang board ng anak na babae sa kaliwa).

Ang pagganap na may isang pare-pareho na driver ng boltahe ay limitado dahil ang kasalukuyang nasa bilis ay nabawasan dahil sa parehong paikot-ikot na inductance at sa likod na EMF. Ang isang alternatibong diskarte ay upang pumili ng isang motor na may mas mababang paglaban at paikot-ikot na inductance at upang himukin ito ng isang pare-pareho ang kasalukuyang. Ang patuloy na kasalukuyang ay ginawa ng lapad ng pulso na modulate ng inilapat na boltahe.

Ang isang mahusay na aparato na ginamit upang magbigay ng pare-pareho ang kasalukuyang drive ay ang DRV8871 na ginawa ng Texas Instruments. Naglalaman ang maliit na IC ng isang H na tulay na may panloob na kasalukuyang kahulugan. Ginagamit ang isang panlabas na risistor upang maitakda ang nais na pare-pareho (o maximum) na kasalukuyang. Awtomatikong ididiskonekta ng IC ang boltahe kapag ang kasalukuyang lumampas sa na-program na halaga at muling magagamit ito kapag bumaba ito sa ibaba ng ilang threshold.

Ang DRV8871 ay na-rate sa 45 VDC, 3.6 amps maximum. Naglalaman ito ng isang panloob na over-temperatura na circuit ng sensing na nagdidiskonekta ng boltahe kapag ang temperatura ng kantong umabot sa 175 degree C. Magagamit lamang ang IC sa isang 8 pin na HSOP na pakete na may isang thermal pad sa ibabang bahagi. Nagbebenta ang TI ng isang development board na naglalaman ng isang IC (kailangan ang dalawa para sa isang hakbang na motor), ngunit napakamahal. Ang Adafruit at iba pa ay nagbebenta ng isang maliit na prototyping board (Adafruit # 3190). Para sa pagsubok, dalawa sa mga ito ay naka-mount sa labas ng isang Adafruit Motorshield tulad ng ipinakita sa unang larawan sa itaas.

Ang kasalukuyang mga kakayahan sa pagmamaneho ng parehong TB6612 at DRV8871 ay nasa kasanayan na limitado ng pagtaas ng temperatura sa loob ng mga bahagi. Ito ay depende sa paglubog ng init ng mga bahagi pati na rin sa temperatura ng paligid. Sa mga pagsusulit sa temperatura ng aking silid, naabot ng mga board ng anak na babae ng DRV8871 (Adafruit # 3190) ang higit sa mga limitasyon sa temperatura sa loob ng 30 segundo sa 2 amps, at ang mga hakbang na motor ay naging napaka-erratic (solong pag-phase nang paulit-ulit habang ang over circuit ng temperatura ay pumutol at lumabas). Ang paggamit ng DRV8871's bilang mga motherboard ay isang kludge pa rin, kaya ang isang bagong kalasag ay dinisenyo (AutoShade # 100105) na naglalaman ng apat sa mga driver upang mapatakbo ang dalawang hakbang na motor. Ang board na ito ay dinisenyo na may isang malaking halaga ng ground plane sa magkabilang panig upang mapalubog ang mga IC. Gumagamit ito ng parehong serial interface sa Arduino bilang Adafruit Motorshield, kaya maaaring magamit ang parehong software ng library para sa mga driver. Ipinapakita ng pangalawang larawan sa itaas ang circuit board na ito. Para sa karagdagang impormasyon sa AutoShade # 100105, tingnan ang listahan sa Amazon o website ng AutoShade.mx.

Sa aking application ng shade screen, tumatagal ng 15 hanggang 30 segundo upang itaas o babaan ang bawat lilim depende sa setting ng bilis at sa distansya ng lilim. Samakatuwid ang kasalukuyang ay dapat na limitado tulad na ang labis na temperatura na limitasyon ay hindi naabot sa panahon ng operasyon. Ang oras upang maabot ang labis na temperatura na limitasyon sa 100105 ay mas malaki sa 6 minuto na may 1.6 amp kasalukuyang limitasyon at mas malaki sa 1 minuto na may 2.0 amp kasalukuyang limitasyon.

Hakbang 4: Piliin ang Mga Motors ng Hakbang ng Kandidato

Ang mga Dalubhasa sa Circuit ay may dalawang sukat na 23 hakbang na mga motor na nagbibigay ng kinakailangang 8 kg-cm ng metalikang kuwintas. Parehong may dalawang yugto paikot-ikot na may mga gitna taps kaya maaari silang konektado tulad na alinman sa buong paikot-ikot o kalahating paikot-ikot na hinihimok. Ang mga pagtutukoy para sa mga motor na ito ay nakalista sa dalawang talahanayan sa itaas. Ang parehong mga motor ay halos magkapareho sa mekanikal, ngunit sa kuryente ang 104 na motor ay may isang mas mababang paglaban at inductance kaysa sa 207 motor. Sa pamamagitan ng ang paraan, ang mga electrical pagtutukoy ay para sa kalahating coil paggulo. Kapag ginamit ang buong paikot-ikot, ang paglaban ay dumoble at ang inductance ay nagdaragdag ng isang factor na 4.

Hakbang 5: Sukatin ang Bilis ng Torque Vs ng Mga Kandidato

Gamit ang dynamometer (at ang simulation) ang torque vs speed curves para sa isang bilang ng mga motor / paikot-ikot / kasalukuyang mga pag-configure ng drive ay natutukoy. Ang program (sketch) na ginamit para sa pagpapatakbo ng dynamometer para sa mga pagsubok na ito ay maaaring ma-download mula sa website ng AutoShade.mx.

Hakbang 6: Patuloy na Boltahe na Pagmamaneho ng 57BYGH207 Half Coil sa Rated Kasalukuyang

Ang motor na 57BYGH207 na may kalahating likaw na hinimok sa 12V (pare-pareho ang boltahe mode) ay nagreresulta sa 0.4 amps at ang orihinal na pagsasaayos ng drive. Ang motor na ito ay maaaring direktang hinimok mula sa Adafruit # 1434 Motorshield. Ipinapakita ng nasa itaas na pigura ang mga simulate at sinusukat na mga katangian ng bilis ng metalikang kuwintas kasama ang pinakamasamang alitan sa kaso. Ang disenyo na ito ay mas mababa sa ibaba ng nais na metalikang kuwintas na kinakailangan para sa pagpapatakbo ng 200 hanggang 400 na mga hakbang bawat segundo.

Hakbang 7: Patuloy na Kasalukuyang Pagmamaneho ng 57BYGH207 Half Coil sa Rated Kasalukuyang

Ang pagdodoble ng inilapat na boltahe ngunit ang paggamit ng chopper drive upang limitahan ang kasalukuyang sa 0.4 amps ay nagpapabuti sa pagganap nang malaki tulad ng ipinakita sa itaas. Ang pagdaragdag ng inilapat na boltahe sa karagdagang ay mapabuti ang pagganap ng higit pa. Ngunit ang operasyon sa itaas ng 12 VDC ay hindi kanais-nais para sa maraming mga kadahilanan.

· Ang DRV8871 ay boltahe na limitado sa 45 VDC

· Ang mga mas mataas na boltahe na mount mount power supply ay hindi gaanong karaniwan at mas mahal

· Ang mga regulator ng boltahe na ginamit upang matustusan ang 5 VDC na lakas para sa circuitry ng lohika na ginamit sa disenyo ng Arduino ay limitado sa 15 VDC max. Kaya't ang pagpapatakbo ng mga motor sa voltages na mas mataas kaysa sa ito ay mangangailangan ng dalawang power supply.

Hakbang 8: Patuloy na Kasalukuyang Pagmamaneho ng 57BYGH207 Buong Coil sa Na-rate na Kasalukuyang

Ito ay tiningnan ng simulation ngunit hindi nasubukan dahil wala akong 48 V power supply. Ang metalikang kuwintas sa mababang bilis ay dumoble kapag ang buong likaw ay hinihimok sa na-rate na kasalukuyang, ngunit pagkatapos ay mas mabilis na bumagsak sa bilis.

Hakbang 9: Patuloy na Kasalukuyang Pagmamaneho ng 57BYGH104 Buong Coil sa ½ Na-rate na Kasalukuyang

Sa 12 VDC at kasalukuyang ng 1.0A, ang katangiang bilis ng metalikang kuwintas na ipinakita sa itaas ay mga resulta. Ang mga resulta sa pagsubok ay natutugunan ang mga kinakailangan para sa pagpapatakbo sa 400 mga hakbang bawat segundo.

Hakbang 10: Patuloy na Kasalukuyang Pagmamaneho ng 57BYGH104 Buong Coil sa 3/4 Rated Kasalukuyang

Ang pagdaragdag ng mga paikot-ikot na alon sa 1.6 amps ay nagdaragdag nang malaki sa margin ng metalikang kuwintas.

Hakbang 11: Patuloy na Kasalukuyang Pagmamaneho ng 57BYGH104 Buong Coil sa Na-rate na Kasalukuyang

Kung ang mga paikot-ikot na alon ay nadagdagan sa 2A, at ang torque ay tumataas tulad ng ipinakita sa itaas, ngunit hindi kasing dami ng hinuhulaan ng simulation. Kaya't may isang bagay na nangyayari sa katotohanan na nililimitahan ang metalikang kuwintas sa mas mataas na mga alon na ito.

Hakbang 12: Paggawa ng Pangwakas na Seleksyon

Ang paggamit ng buong coil kaysa sa kalahati ay tiyak na mas mahusay ngunit hindi kanais-nais sa 207 motor dahil sa mas mataas na boltahe na kinakailangan. Pinapayagan ng 104 motor ang pagpapatakbo sa mas mababang boltahe na inilapat. Napili ang motor na ito samakatuwid.

Ang buong paglaban ng coil ng motor na 57BYGH104 ay 2.2 ohms. Ang paglaban ng driver ng FETS sa DRV8871 ay tungkol sa 0.6 ohms. Karaniwang pagtutol ng mga kable sa at mula sa mga motor ay tungkol sa 1 ohm. Kaya't ang lakas na nawala sa isang motor circuit ay ang paikot-ikot na kasalukuyang parisukat na beses 3.8 ohms. Ang kabuuang lakas ay dalawang beses ito dahil ang parehong paikot-ikot ay hinihimok nang sabay. Para sa mga paikot-ikot na alon na isinasaalang-alang sa itaas, ang mga resulta ay ipinapakita sa Talahanayan na ito.

Ang paglilimita sa mga alon ng motor sa 1.6 amps ay nagbibigay-daan sa amin na gumamit ng isang mas maliit at mas mura ng 24 watt power supply. Napakaliit na margin ng metalikang kuwintas ay nawala. Gayundin, ang mga step motor ay hindi tahimik na aparato. Ang pagmamaneho sa kanila sa mas mataas na kasalukuyang nagpapalakas sa kanila. Kaya sa mga interes ng mas mababang lakas at mas tahimik na pagpapatakbo, ang kasalukuyang limitasyon ay pinili upang maging 1.6 amps.