Përzgjedhja e një motori hapës dhe një drejtuesi për një projekt me ekran me hije të automatizuar Arduino: 12 hapa (me fotografi)

2024 Autor: John Day | [email protected]. E modifikuara e fundit: 2024-01-30 12:18

Në këtë Instructable, unë do të kaloj nëpër hapat që kam ndërmarrë për të zgjedhur një Step Motor dhe Driver për një prototip të projektit Automated Shade Screen. Ekranet me hije janë modelet e njohura dhe të lira të Coolaroo të fiksuara me dorë, dhe unë doja të zëvendësoja vinçat e dorës me motorë hapës dhe një kontrollues qendror që mund të programohej për të ngritur dhe ulur hijet bazuar në llogaritjen e lindjes së diellit dhe kohës së perëndimit të diellit. Projekti ka evoluar përmes të paktën pesë përsëritjeve në një produkt që mund ta gjeni në Amazon.com ose AutoShade.mx, por procesi për përzgjedhjen e motorit hapës dhe elektronikës së tij drejtues është ai që duhet të jetë i zbatueshëm për shumë projekte të tjera të bazuara në Arduino.

Konfigurimi fillestar i zgjedhur për prototipin elektronik ishte procesori Arduino Uno (Rev 3) (Adafruit #50) me tabela për shfaqje (Adafruit #399), koha e orës në kohë reale (Adafruit #1141) dhe drejtues motorësh me dy hapa (Adafruit #1438) Të gjitha bordet komunikojnë me procesorin duke përdorur një ndërfaqe serike I2C. Drejtuesit e softuerëve janë të disponueshëm për të gjitha këto duke e bërë zhvillimin e kontrolluesit të ekranit të hijes shumë më të thjeshtë.

Hapi 1: Përcaktoni Kërkesat

Hije duhet të veprojnë të paktën aq shpejt sa me fiksimin e dorës. Një shpejtësi e qëndrueshme e rrotullimit të dorës mund të jetë 1 fiksim në sekondë. Shumica e motorëve hap kanë një madhësi hapash prej 1.8 gradë, ose 200 hapa për rrotullim. Pra, shpejtësia minimale e hapit duhet të jetë rreth 200 hapa në sekondë. Dy herë do të ishte edhe më mirë.

Çift rrotullues për të ngritur ose ulur hijen përmes ingranazhit të krimbave Coolaroo u mat në 9 ekrane me hije në krye dhe në fund të udhëtimit të tyre duke përdorur një kaçavidë çift rrotullues të kalibruar (McMaster Carr #5699A11 që ka një gamë +/- 6 in-lbs). Ky ishte çift rrotullues "shkëputës" dhe ndryshoi shumë. Minimumi ishte 0.25 in-lbs dhe maksimumi ishte 3.5 in-lbs. Njësia e duhur metrike e matjes për çift rrotullues është N-m dhe 3 in-lbs është.40 N-m të cilën e kam përdorur si "çift rrotullues fërkimi" nominal.

Shitësit e motorëve hap përcaktojnë çift rrotullues motorik në njësi kg-cm për disa arsye. Çift rrotullimi minimal i mësipërm prej 0.4 N-m është 4.03 Kg-cm. Për një diferencë të mirë çift rrotullues doja një motor të aftë për të dhënë dy herë këtë ose rreth 8 Kg-cm. Duke parë motorët me hapa të listuar në Specialistët e Qarkut shpejt treguan se kisha nevojë për një motor me madhësi kornizë 23. Këto janë të disponueshme në gjatësi të shkurtra, të mesme dhe të gjata të pirgjeve dhe një larmi mbështjelljesh.

Hapi 2: Ndërtoni një dinamometër

Motorët hap kanë një karakteristikë të veçantë të çift rrotullues kundrejt shpejtësisë që varet nga mënyra në të cilën drejtohen mbështjelljet e tyre. Ekzistojnë dy arsye pse çift rrotullimi zvogëlohet me shpejtësi. E para është se një EMF (tension) i pasmë është zhvilluar në mbështjellje që kundërshton tensionin e aplikuar. Së dyti, induktiviteti i mbështjelljes kundërshton ndryshimin e rrymës që ndodh me çdo hap.

Performanca e një motori hap mund të parashikohet duke përdorur një simulim dinamik dhe mund të matet duke përdorur një dinamometër. I bëra të dyja, por nuk do të diskutoj për simulimin sepse të dhënat e testit janë vërtet një kontroll mbi saktësinë e simulimit.

Një dinamometër lejon matjen e kapacitetit të çift rrotullues të një motori gjatë vrapimit me një shpejtësi të kontrolluar. Një frenë e grimcave magnetike të kalibruar aplikon çift rrotullues të ngarkesës në motor. Nuk ka nevojë të matni shpejtësinë pasi do të jetë e barabartë me shkallën e hapit të motorit derisa çift rrotullimi i ngarkesës të tejkalojë aftësinë e motorit. Pasi të ndodhë kjo, motori humbet sinkronizimin dhe bën një raketë me zë të lartë. Procedura e testit konsiston në komandimin e një shpejtësie konstante, duke rritur ngadalë rrymën përmes frenave dhe duke vënë në dukje vlerën e saj pak para se motori të humbasë sinkronizimin. Kjo përsëritet me shpejtësi të ndryshme dhe vizatohet si çift rrotullues kundrejt shpejtësisë.

Frena e grimcave magnetike e zgjedhur është një model Placid Industries B25P-10-1 e blerë në Ebay. Ky model nuk është më i listuar në uebfaqen e prodhuesit, por nga numri i pjesës, vlerësohet se siguron një çift rrotullues maksimal prej 25 in-lb = 2.825 N-m, dhe spiralja është projektuar për 10 VDC (max). Kjo është e përshtatshme në mënyrë ideale për të testuar motorët me madhësi 23 në shqyrtim të cilët vlerësohen se prodhojnë çift rrotullues maksimal prej rreth 1.6 N-m. Për më tepër, kjo frenë erdhi me një vrimë pilot dhe vrima montimi identike me ato të përdorura në motorët NMEA 23, kështu që mund të montohet duke përdorur kllapa montimi me të njëjtën madhësi si motori. Motorët kanë boshte ¼ inç dhe frena erdhi me një bosht ½ inç kështu që një përshtatës lidhës fleksibël me boshte të së njëjtës madhësi u ble gjithashtu në Ebay. E tëra që kërkohej ishte të ngjiteshin në dy kllapa në një bazë alumini. Fotografia e mësipërme tregon stendën e provës. Kllapat e montimit janë në dispozicion në Amazon dhe Ebay.

Çift rrotullimi i frenimit të frenave të grimcave magnetike është proporcional me rrymën e mbështjelljes. Për të kalibruar frenën, secili nga dy kaçavidat matëse të çift rrotullues u lidh me boshtin në anën e kundërt të frenës si motori hapës. Dy kaçavidat e përdorura ishin numrat e pjesëve të McMaster Carr 5699A11 dhe 5699A14. E para ka një gamë çift rrotullues maksimal prej 6 in-lb = 0.678 N-m dhe kjo e fundit ka një gamë çift rrotullues maksimal prej 25 in-lb = 2.825 N-m. Rryma furnizohej nga një rrymë e ndryshueshme DC CSI5003XE (50 V/3A). Grafiku i mësipërm tregon çift rrotullues të matur kundrejt rrymës.

Vini re se në rangun e interesit për këto teste, çift rrotullimi i frenimit mund të përafrohet ngushtë me marrëdhënien lineare Çift rrotullues (N-m) = 1.75 x Rryma e frenimit (A).

Hapi 3: Zgjidhni Kandidatët e drejtuesve të hapave motorikë

Motorët hapës mund të drejtohen me një dredha -dredha plotësisht aktive në një kohë që zakonisht quhet HAPIM I VETM, të dy dredha -dredha plotësisht aktive (hap i dyfishtë) ose të dy dredha -dredha pjesërisht aktive (MICROSTEPPING). Në këtë aplikacion, ne jemi të interesuar për çift rrotullues maksimal, kështu që përdoret vetëm hapi i dyfishtë.

Çift rrotullues është proporcional me rrymën dredha -dredha. Një motor hap mund të drejtohet me një tension konstant nëse rezistenca e mbështjelljes është mjaft e lartë për të kufizuar rrymën e gjendjes së qëndrueshme në vlerën e vlerësuar për motorin. Adafruit #1438 Motorshield përdor drejtues të tensionit konstant (TB6612FNG) që janë vlerësuar në 15 VDC, maksimum 1.2 amper. Ky drejtues është tabela më e madhe e treguar në foton e parë më sipër (pa dy dërrasat e vajzave në të majtë).

Performanca me një drejtues të tensionit konstant është e kufizuar sepse rryma me shpejtësi zvogëlohet shumë për shkak të induktancës së mbështjelljes dhe EMF të pasme. Një qasje alternative është të zgjidhni një motor me një rezistencë më të ulët dhe dredha -dredha të induktivitetit dhe ta drejtoni atë me një rrymë konstante. Rryma konstante prodhohet nga gjerësia e impulsit duke moduluar tensionin e aplikuar.

Një pajisje e shkëlqyeshme e përdorur për të siguruar lëvizjen e vazhdueshme aktuale është DRV8871 e bërë nga Texas Instruments. Ky IC i vogël përmban një urë H me një sens të brendshëm të rrymës. Një rezistencë e jashtme përdoret për të vendosur rrymën e dëshiruar konstante (ose maksimale). IC shkëput automatikisht tensionin kur rryma tejkalon vlerën e programuar dhe e riaplikon atë kur bie nën një prag.

DRV8871 është vlerësuar në 45 VDC, 3.6 amps maksimal. Ai përmban një qark të brendshëm të ndjeshmërisë mbi temperaturën që shkëput tensionin kur temperatura e kryqëzimit arrin 175 gradë C. IC është në dispozicion vetëm në një paketë HSOP me 8 kunja e cila ka një jastëk termik në anën e poshtme. TI shet një bord zhvillimi që përmban një IC (dy kërkohen për një motor me një hap), por është shumë i shtrenjtë. Adafruit dhe të tjerët shesin një tabelë të vogël prototipi (Adafruit #3190). Për provë, dy prej tyre u montuan jashtë një Adafruit Motorshield siç tregohet në foton e parë më sipër.

Aftësitë aktuale të drejtimit të TB6612 dhe DRV8871 janë në praktikë të kufizuara nga rritja e temperaturës brenda pjesëve. Kjo do të varet nga fundosja e nxehtësisë e pjesëve si dhe temperatura e ambientit. Në testet e temperaturës së dhomës sime, tabelat e bijave DRV8871 (Adafruit #3190) arritën kufijtë e tyre të temperaturës në rreth 30 sekonda në 2 amper, dhe motorët me hapa bëhen shumë të çrregullt (me faza të vetme me ndërprerje pasi qarku i temperaturës së lartë ndërpritet dhe dalë). Përdorimi i DRV8871 si tabela bije është gjithsesi një kludge, kështu që u krijua një mburojë e re (AutoShade #100105) e cila përmban katër nga drejtuesit për të operuar motorë me dy hapa. Ky bord është projektuar me një sasi të madhe të rrafshit tokësor në të dy anët për të ngrohur ngrohësit e IC -ve. Ai përdor të njëjtën ndërfaqe serike me Arduino si Adafruit Motorshield, kështu që i njëjti softuer bibliotekar mund të përdoret për drejtuesit. Fotografia e dytë më lart tregon këtë tabelë qarkore. Për më shumë informacion mbi AutoShade #100105, shihni listën në Amazon ose faqen e internetit të AutoShade.mx.

Në aplikacionin tim të ekranit me hije, duhen 15 deri në 30 sekonda për të ngritur ose ulur secilën hije në varësi të cilësimit të shpejtësisë dhe distancës së hijes. Prandaj, rryma duhet të jetë e kufizuar në mënyrë që kufiri i mbi-temperaturës të mos arrihet kurrë gjatë funksionimit. Koha për të arritur kufijtë e mbi-temperaturës në 100105 është më e madhe se 6 minuta me një kufi aktual 1.6 amp dhe më i madh se 1 minutë me një kufi aktual 2.0 amp.

Hapi 4: Zgjidhni Kandidatin Step Motors

Specialistët e Qarkut kanë dy motorë me 23 hapa me madhësi 23 që sigurojnë çift rrotullues të kërkuar prej 8 kg-cm. Të dy kanë dredha -dredha dyfazore me çezmat qendrore, kështu që ato mund të lidhen në mënyrë të tillë që të shtyhen ose dredha -dredha të plota ose gjysmë dredha -dredha. Specifikimet për këta motorë janë renditur në dy tabelat e mësipërme. Të dy motorët janë pothuajse identikë mekanikisht, por elektrikisht motori 104 ka një rezistencë dhe induktancë shumë më të ulët se motori 207. Nga rruga, specifikimet elektrike janë për ngacmimin e gjysmës së spirales. Kur përdoret e gjithë dredha -dredha, rezistenca dyfishohet dhe induktiviteti rritet me një faktor 4.

Hapi 5: Matni çift rrotullues kundrejt shpejtësisë së kandidatëve

Duke përdorur dinamometrin (dhe simulimin) kurbat e çift rrotullues kundrejt shpejtësisë për një numër konfigurimesh të motorit/dredha -dredha/rrymës u përcaktuan. Programi (skica) i përdorur për drejtimin e dinamometrit për këto teste mund të shkarkohet nga faqja e internetit AutoShade.mx.

Hapi 6: Nxitja e Tensionit Konstant të 57BYGH207 Gjysmë Spirale në Rrymën e Vlerësuar

Motori 57BYGH207 me gjysmë spirale të drejtuar në 12V (modaliteti i tensionit konstant) rezulton në 0.4 amps dhe ishte konfigurimi origjinal i makinës. Ky motor mund të drejtohet direkt nga Adafruit #1434 Motorshield. Figura e mësipërme tregon karakteristikat e simuluara dhe të matura të shpejtësisë së çift rrotullues së bashku me fërkimin më të keq. Ky dizajn bie shumë nën çift rrotulluesin e dëshiruar të kërkuar për operim me 200 deri në 400 hapa në sekondë.

Hapi 7: Nxjerrja e vazhdueshme aktuale e 57BYGH207 Gjysmë bobine me Rrymë të Vlerësuar

Dyfishimi i tensionit të aplikuar, por përdorimi i makinës së helikopterit për të kufizuar rrymën në 0.4 amps përmirëson ndjeshëm performancën siç tregohet më sipër. Rritja e tensionit të aplikuar më tej do të përmirësonte performancën edhe më shumë. Por funksionimi mbi 12 VDC është i padëshirueshëm për disa arsye.

· DRV8871 është tension i kufizuar në 45 VDC

· Furnizimet me energji të tensionit më të lartë në mur nuk janë aq të zakonshme dhe janë më të shtrenjta

· Rregullatorët e tensionit të përdorur për të furnizuar fuqinë 5 VDC për qarkun logjik të përdorur në modelin Arduino janë të kufizuar në 15 VDC max. Pra, funksionimi i motorëve në tensione më të larta se kjo do të kërkonte dy furnizime me energji elektrike.

Hapi 8: Nxjerrja e vazhdueshme aktuale e 57BYGH207 Spiralja e plotë në Rrymën e Vlerësuar

Kjo u shikua me simulim, por nuk u testua sepse nuk kisha një furnizim me energji 48 V. Çift rrotullues në shpejtësi të ulëta dyfishohet kur spiralja e plotë drejtohet në rrymën nominale, por pastaj bie më shpejt me shpejtësi.

Hapi 9: Nxjerrja e vazhdueshme aktuale e 57BYGH104 Spirale e plotë në Current Rryma e vlerësuar

Me 12 VDC dhe një rrymë prej 1.0A, karakteristika e shpejtësisë së çift rrotullues e treguar më sipër rezulton. Rezultatet e testit plotësojnë kërkesat për operim me 400 hapa në sekondë.

Hapi 10: Nxjerrja e vazhdueshme aktuale e 57BYGH104 Spiralja e plotë në 3/4 Rryma e Vlerësuar

Rritja e rrymave të dredha -dredha në 1.6 amps rrit marzhin e çift rrotullues në mënyrë të konsiderueshme.

Hapi 11: Nxjerrja e vazhdueshme aktuale e 57BYGH104 Spirale e plotë në Rrymën e Vlerësuar

Nëse rrymat dredha -dredha rriten në 2A, dhe çift rrotullimi rritet siç tregohet më sipër, por jo aq sa do të parashikonte simulimi. Pra, diçka po ndodh në realitet që po kufizon çift rrotullues në këto rryma më të larta.

Hapi 12: Bërja e Përzgjedhjes Finale

Përdorimi i spirales së plotë sesa gjysma është padyshim më i mirë, por nuk është i dëshirueshëm me motorin 207 për shkak të tensionit më të lartë të kërkuar. Motori 104 lejon funksionimin në tension më të ulët të aplikuar. Ky motor është zgjedhur kështu.

Rezistenca e plotë e spirales së motorit 57BYGH104 është 2.2 ohm. Rezistenca e shoferit FETS në DRV8871 është rreth 0.6 Ohm. Rezistenca tipike e telave nga dhe nga motorët është rreth 1 ohm. Pra, fuqia e shpërndarë në një qark motorik është rryma e dredha -dredha në katror herë 3.8 Ohm. Fuqia totale është dyfishi i kësaj pasi të dy mbështjelljet drejtohen në të njëjtën kohë. Për rrymat dredha -dredha të konsideruara më lart, rezultatet janë treguar në këtë Tabelë.

Kufizimi i rrymave të motorit në 1.6 amper na lejon të përdorim një furnizim më të vogël dhe më pak të shtrenjtë të energjisë 24 vat. Diferenca shumë e vogël e çift rrotullues humbet. Gjithashtu, motorët me hapa nuk janë pajisje të qeta. Drejtimi i tyre në një rrymë më të lartë i bën ata më të fortë. Pra, në interes të fuqisë më të ulët dhe funksionimit më të qetë, kufiri aktual u zgjodh të ishte 1.6 amper.