انتخاب گام موتور و درایور برای پروژه صفحه نمایش سایه خودکار آردوینو: 12 مرحله (همراه با تصاویر)

2024 نویسنده: John Day | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2024-01-30 08:54

در این دستورالعمل ، مراحلی را طی می کنم که برای انتخاب Step Motor و Driver برای نمونه اولیه پروژه Automated Shade Screen انجام دادم. صفحه های سایه دار مدلهای محبوب و ارزان قیمت کولارو هستند و من می خواستم میل لنگ ها را با موتورهای استپ و یک کنترلر مرکزی جایگزین کنم که می تواند بر اساس افزایش و کاهش سایه بر اساس زمان محاسبه طلوع و غروب خورشید برنامه ریزی شود. این پروژه حداقل از طریق پنج تکرار به محصولی تبدیل شده است که می توانید آن را در Amazon.com یا AutoShade.mx بیابید ، اما فرآیند انتخاب موتور پله ای و تجهیزات الکترونیکی درایور آن یکی از مواردی است که باید برای بسیاری از پروژه های دیگر مبتنی بر آردوینو قابل اجرا باشد.

پیکربندی اولیه انتخاب شده برای نمونه الکترونیکی ، پردازنده Arduino Uno (Rev 3) (Adafruit #50) با تابلوهای نمایش (Adafruit #399) ، زمان بندی زمان واقعی (Adafruit #1141) و درایورهای موتور دو مرحله ای (Adafruit #1438) بود.) همه بردها با استفاده از رابط سریال I2C با پردازنده ارتباط برقرار می کنند. درایورهای نرم افزاری برای همه اینها در دسترس هستند که توسعه کنترل کننده سایه را بسیار ساده تر می کند.

مرحله 1: الزامات را تعیین کنید

سایه ها باید به همان سرعتی که در حرکت دستی وجود دارد کار کنند. سرعت چرخش مداوم دست ممکن است 1 دور در ثانیه باشد. بیشتر موتورهای پله ای دارای گام اندازه 1.8 درجه یا 200 پله در هر دور هستند. بنابراین حداقل سرعت مرحله باید حدود 200 قدم در ثانیه باشد. دوبار حتی بهتر از این

گشتاور برای بالا بردن یا کاهش سایه از طریق چرخ دنده کولارو در 9 صفحه سایه در بالا و پایین سفر آنها با استفاده از پیچ گوشتی گشتاور کالیبره (McMaster Carr #5699A11 با برد +/- 6 اینچ) اندازه گیری شد. این گشتاور "گریز" بود و بسیار متفاوت بود. حداقل 0.25 اینچ و حداکثر 3.5 اینچ پوند بود. واحد اندازه گیری مناسب برای گشتاور N-m و 3 in-lbs 0.40 N-m است که من به عنوان "گشتاور اصطکاک" نامی از آن استفاده کردم.

فروشندگان گام موتور به دلایلی گشتاور موتور را در واحد کیلوگرم بر سانتی متر تعیین می کنند. حداقل گشتاور بالا 0.4 نیوتن متر متر 4.03 کیلوگرم بر سانتی متر است. برای یک حاشیه گشتاور مناسب ، من می خواستم یک موتور قادر به تحویل دو برابر این یا حدود 8 کیلوگرم بر سانتی متر باشد. با نگاهی به موتورهای پله ای ذکر شده در Circuit Specialists ، به سرعت مشخص شد که من نیاز به یک موتور با اندازه 23 دارم. این در طول پشته کوتاه ، متوسط و بلند و انواع سیم پیچ موجود است.

مرحله 2: یک دینامومتر بسازید

موتورهای استپ دارای یک گشتاور متمایز نسبت به سرعت هستند که بستگی به نحوه حرکت سیم پیچ های آنها دارد. دو دلیل برای کاهش گشتاور با سرعت وجود دارد. اولین مورد این است که یک EMF عقب (ولتاژ) در سیم پیچ ها ایجاد می شود که با ولتاژ اعمال شده مخالف است. ثانیاً ، استقراء سیم پیچ با تغییر جریانی که در هر مرحله رخ می دهد مخالفت می کند.

عملکرد یک موتور گام را می توان با استفاده از شبیه سازی پویا پیش بینی کرد و می توان آن را با استفاده از دینامومتر اندازه گیری کرد. من هر دو را انجام دادم ، اما در مورد شبیه سازی بحث نخواهم کرد زیرا داده های آزمایش واقعاً بررسی صحت شبیه سازی است.

دینامومتر امکان اندازه گیری ظرفیت گشتاور موتور را در حین کار با سرعت کنترل شده فراهم می کند. ترمز ذرات مغناطیسی کالیبره شده گشتاور بار را به موتور وارد می کند. نیازی به اندازه گیری سرعت نیست زیرا تا زمانی که گشتاور بار از توان موتور بیشتر نشود ، با سرعت گام موتور برابر خواهد بود. هنگامی که این اتفاق می افتد ، موتور هماهنگ سازی خود را از دست می دهد و یک راکت بلند می سازد. روش آزمایش شامل فرمان دادن به سرعت ثابت ، افزایش آهسته جریان از طریق ترمز و ذکر مقدار آن درست قبل از از دست دادن همگام سازی موتور است. این امر در سرعت های مختلف تکرار می شود و به عنوان گشتاور در مقابل سرعت ترسیم می شود.

ترمز ذره مغناطیسی انتخاب شده از صنایع Placid مدل B25P-10-1 است که در Ebay خریداری شده است. این مدل دیگر در وب سایت سازنده ذکر نشده است ، اما با توجه به شماره قطعه ، دارای حداکثر گشتاور 25 اینچ = 2.825 نیوتن متر است و سیم پیچ برای 10 VDC (حداکثر) طراحی شده است. این برای آزمایش موتورهای اندازه 23 در نظر گرفته شده که دارای حداکثر گشتاورهای 1.6 نیوتن متر هستند ، مناسب است. علاوه بر این ، این ترمز دارای یک حفره خلبان و سوراخ های نصب مشابه با موتورهای NMEA 23 است ، بنابراین می توان آن را با استفاده از براکت نصب اندازه مشابه موتور نصب کرد. موتورها دارای شفت های یک اینچی هستند و ترمز دارای شفت اینچی است ، بنابراین یک آداپتور اتصال انعطاف پذیر با شفت های یکسان نیز در Ebay تهیه شده است. تنها چیزی که لازم بود این بود که روی دو براکت روی پایه آلومینیومی نصب شود. عکس بالا پایه آزمایش را نشان می دهد. براکت های نصب به راحتی در Amazon و Ebay موجود است.

گشتاور ترمز ترمز ذرات مغناطیسی متناسب با جریان سیم پیچ است. برای کالیبره کردن ترمز ، یکی از دو پیچ گوشتی اندازه گیری گشتاور به عنوان موتور پله به شفت در سمت مخالف ترمز متصل شد. دو پیچ گوشتی مورد استفاده McMaster Carr قطعات 5699A11 و 5699A14 بودند. محدوده اول حداکثر گشتاور 6 اینچ = lb = 0.678 نیوتن متر و دومی حداکثر دامنه گشتاور 25 اینچ پوند = 2.825 نیوتن متر است. جریان از منبع تغذیه DC متغیر CSI5003XE (50 ولت/3 آمپر) تامین می شد. نمودار بالا گشتاور اندازه گیری شده در برابر جریان را نشان می دهد.

توجه داشته باشید که در محدوده مورد علاقه برای این آزمایشها ، گشتاور ترمز را می توان با رابطه خطی گشتاور (N-m) = 1.75 x جریان ترمز (A) تقریباً تقریب زد.

مرحله 3: Drivers Step Motor Drivers را انتخاب کنید

موتورهای پله ای ممکن است با یک سیم پیچ کاملاً فعال در یک زمان که معمولاً SINGLE step نامیده می شود حرکت کنند ، هر دو سیم پیچ کاملاً فعال (پله دوگانه) یا هر دو سیم پیچ تا حدی فعال (MICROSTEPPING). در این برنامه ، ما به حداکثر گشتاور علاقه داریم ، بنابراین فقط از گام دوگانه استفاده می شود.

گشتاور متناسب با جریان سیم پیچ است. اگر مقاومت سیم پیچ به اندازه کافی بالا باشد که بتواند جریان حالت پایدار را به مقدار نامی موتور محدود کند ، یک موتور پله ممکن است با ولتاژ ثابت حرکت کند. Adafruit #1438 Motorshield از درایورهای ولتاژ ثابت (TB6612FNG) استفاده می کند که دارای 15 VDC ، حداکثر 1.2 آمپر هستند. این راننده تخته بزرگتری است که در اولین عکس بالا نشان داده شده است (بدون دو تخته دختر در سمت چپ).

عملکرد با یک درایور ولتاژ ثابت محدود است زیرا جریان در سرعت به دلیل سلفی سیم پیچ و EMF عقب بسیار کاهش می یابد. یک رویکرد جایگزین این است که یک موتور را با مقاومت کمتر و سیم پیچ سلفی انتخاب کرده و آن را با جریان ثابت هدایت کنید. جریان ثابت با تعدیل عرض پالس با تعدیل ولتاژ اعمال شده تولید می شود.

DRV8871 ساخته شده توسط Texas Instruments یک وسیله عالی برای تامین درایو جریان ثابت است. این IC کوچک دارای یک پل H با حس جریان داخلی است. از یک مقاومت خارجی برای تنظیم جریان (یا حداکثر) مورد نظر استفاده می شود. IC وقتی ولتاژ را بیشتر از مقدار برنامه ریزی شده قطع می کند و هنگامی که از زیر آستانه پایین می آید دوباره آن را اعمال می کند.

DRV8871 دارای 45 VDC ، حداکثر 3.6 آمپر است. این شامل یک مدار سنجش داخلی بیش از حد است که ولتاژ را هنگامی که دمای محل اتصال به 175 درجه سانتیگراد می رسد قطع می کند. IC تنها در یک بسته 8 پین HSOP که دارای یک پد حرارتی در پایین است ، موجود است. TI یک تخته توسعه را که حاوی یک IC است (دو مورد برای موتور یک مرحله ای مورد نیاز است) می فروشد ، اما بسیار گران است. Adafruit و دیگران یک تخته نمونه اولیه کوچک می فروشند (Adafruit #3190). برای آزمایش ، دو مورد از آنها خارج از یک Adafruit Motorshield نصب شده بود ، همانطور که در عکس اول بالا نشان داده شده است.

قابلیت های درایو کنونی هر دو TB6612 و DRV8871 عملاً با افزایش دما در داخل قطعات محدود شده است. این بستگی به غرق شدن قطعات و همچنین دمای محیط دارد. در آزمایش های دمای اتاق من ، تخته های دخترانه DRV8871 (Adafruit #3190) در حدود 30 ثانیه با سرعت 2 آمپر به بیش از حد مجاز خود رسیدند و موتورهای استپ بسیار نامنظم می شوند (تک مرحله ای به صورت متناوب و قطع و وصل مدار بیش از حد دما). استفاده از DRV8871 به عنوان دخترانه به هر حال یک کلود است ، بنابراین یک سپر جدید طراحی شد (AutoShade #100105) که شامل چهار مورد از رانندگان به منظور کارکردن موتورهای دو مرحله ای است. این تخته با مقدار زیادی صفحه زمین در هر دو طرف برای گرم کردن سینک های IC طراحی شده است. از همان رابط سریال Arduino با Adafruit Motorshield استفاده می کند ، بنابراین می توان از نرم افزار کتابخانه مشابه برای درایورها استفاده کرد. عکس دوم بالا این برد مدار را نشان می دهد. برای اطلاعات بیشتر در مورد AutoShade #100105 ، به لیست موجود در آمازون یا وب سایت AutoShade.mx مراجعه کنید.

در برنامه سایه پرده من ، 15 تا 30 ثانیه طول می کشد تا هر سایه بسته به تنظیم سرعت و فاصله سایه بالا یا پایین برود. بنابراین جریان باید به گونه ای محدود شود که هرگز در حین کار به حد بیش از حد دما نرسد. زمان رسیدن به محدوده های بیش از حد دما در 100105 بیشتر از 6 دقیقه با محدودیت جریان 1.6 آمپر و بیشتر از 1 دقیقه با محدودیت جریان 2.0 آمپر است.

مرحله 4: انتخاب Candidate Step Motors

متخصصان مدار دارای دو موتور 23 پله سایز 23 هستند که گشتاور مورد نیاز 8 کیلوگرم بر سانتی متر را تأمین می کنند. هر دو سیم پیچ دو فاز با شیرهای مرکزی دارند ، بنابراین می توان آنها را به گونه ای وصل کرد که سیم پیچ کامل یا نیم سیم پیچ رانده شوند. مشخصات این موتورها در دو جدول بالا ذکر شده است. هر دو موتور از نظر مکانیکی تقریباً یکسان هستند ، اما از نظر الکتریکی موتور 104 دارای مقاومت و اندوکتانس بسیار کمتری نسبت به موتور 207 است. به هر حال ، مشخصات الکتریکی برای تحریک نیم سیم پیچ است. هنگامی که از سیم پیچ کامل استفاده می شود ، مقاومت دو برابر می شود و استقراء تا 4 برابر افزایش می یابد.

مرحله 5: گشتاور را در مقابل سرعت نامزدها اندازه گیری کنید

با استفاده از دینامومتر (و شبیه سازی) منحنی گشتاور در برابر سرعت برای تعدادی از پیکربندی های موتور/سیم پیچ/درایو جریان مشخص شد. برنامه (طرح) مورد استفاده برای اجرای دینامومتر برای این آزمایش ها را می توانید از وب سایت AutoShade.mx بارگیری کنید.

مرحله 6: ولتاژ ثابت 57BYGH207 نیم سیم پیچ در جریان نامی

موتور 57BYGH207 با نیم سیم پیچ در 12 ولت (حالت ولتاژ ثابت) منجر به 0.4 آمپر می شود و پیکربندی درایو اصلی بود. این موتور را می توان مستقیم از Adafruit #1434 Motorshield هدایت کرد. شکل بالا مشخصات شبیه سازی شده و اندازه گیری شده سرعت گشتاور به همراه بدترین اصطکاک را نشان می دهد. این طرح بسیار کمتر از گشتاور مورد نیاز برای کار با سرعت 200 تا 400 مرحله در ثانیه است.

مرحله 7: درایو جریان ثابت 57BYGH207 Half Coil در جریان نامی

دو برابر شدن ولتاژ اعمال شده اما استفاده از درایو هلی کوپتر برای محدود کردن جریان به 0.4 آمپر عملکرد را به طور قابل توجهی بهبود می بخشد همانطور که در بالا نشان داده شده است. افزایش بیشتر ولتاژ اعمال شده عملکرد را حتی بیشتر بهبود می بخشد. اما عملکرد بالای 12 VDC به دلایل مختلف نامطلوب است.

· DRV8871 ولتاژ محدود به 45 VDC است

· منبع تغذیه با ولتاژ بالاتر روی دیوار چندان رایج نیست و گرانتر است

· تنظیم کننده های ولتاژ مورد استفاده برای تأمین توان 5 VDC برای مدارهای منطقی مورد استفاده در طراحی آردوینو حداکثر تا 15 VDC محدود شده است. بنابراین عملکرد موتورها در ولتاژهای بالاتر از این به دو منبع تغذیه نیاز دارد.

مرحله 8: درایو جریان ثابت 57BYGH207 کامل سیم پیچ در جریان نامی

با شبیه سازی مورد بررسی قرار گرفت اما آزمایش نشد زیرا منبع تغذیه 48 ولت نداشتم. گشتاور در سرعتهای پایین هنگامی که سیم پیچ کامل در جریان نامی حرکت می کند دو برابر می شود ، اما سپس با سرعت سریعتر سقوط می کند.

مرحله 9: درایو جریان ثابت 57BYGH104 کامل کویل در جریان نامی

با 12 VDC و جریان 1.0A ، مشخصه سرعت گشتاور در بالا نشان داده شده است. نتایج آزمایش الزامات عملکرد را با 400 مرحله در ثانیه برآورده می کند.

مرحله 10: درایو جریان ثابت 57BYGH104 کامل کویل در 3/4 جریان نامی

افزایش جریان های سیم پیچ به 1.6 آمپر حاشیه گشتاور را به میزان قابل توجهی افزایش می دهد.

مرحله 11: درایو جریان ثابت 57BYGH104 کامل سیم پیچ در جریان نامی

اگر جریانهای سیم پیچ به 2A افزایش یابد و گشتاور همانطور که در بالا نشان داده شده است افزایش یابد ، اما نه آنقدر که شبیه سازی پیش بینی می کند. بنابراین چیزی در واقعیت اتفاق می افتد که گشتاور را در این جریانهای بالاتر محدود می کند.

مرحله 12: ایجاد انتخاب نهایی

استفاده از سیم پیچ کامل به جای نصف قطعاً بهتر است اما به دلیل ولتاژ بیشتر مورد نیاز موتور 207 مطلوب نیست. موتور 104 اجازه می دهد تا در ولتاژ اعمال شده کمتر کار کند. بنابراین این موتور انتخاب شده است.

مقاومت کامل سیم پیچ موتور 57BYGH104 2.2 اهم است. مقاومت FETS درایور در DRV8871 حدود 0.6 اهم است. مقاومت سیم کشی معمولی به و از موتورها حدود 1 اهم است. بنابراین توان اتلاف شده در یک مدار موتور ، جریان سیم پیچ در مربع 3.8 اهم است. قدرت کلی دو برابر این است زیرا هر دو سیم پیچ به طور همزمان حرکت می کنند. برای جریان های سیم پیچ در نظر گرفته شده در بالا ، نتایج در این جدول نشان داده شده است.

محدود کردن جریان موتور به 1.6 آمپر به ما امکان می دهد از منبع تغذیه کوچکتر و ارزان تر 24 وات استفاده کنیم. حاشیه گشتاور بسیار کمی از بین می رود. همچنین ، استپ موتورها دستگاه های بی صدا نیستند. هدایت آنها با جریان بالاتر باعث بلندتر شدن آنها می شود. بنابراین به دلیل قدرت کمتر و عملکرد کم صدا ، حد فعلی 1.6 آمپر انتخاب شد.