Arduino автоматтандырылған көлеңкелі экран жобасы үшін қадамдық мотор мен драйверді таңдау: 12 қадам (суреттермен)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Соңғы өзгертілген: 2024-01-30 10:24

Бұл нұсқаулықта мен автоматтандырылған көлеңке экраны жобасының прототипі үшін қадамдық қозғалтқыш пен драйверді таңдау үшін жасаған қадамдарды өтемін. Көлеңкелі экрандар - қолмен иінді кролардың танымал және қымбат емес модельдері, мен қолдың иінділерін қадамдық қозғалтқыштармен және күннің шығуы мен күннің батуы бойынша көлеңкелерді көтеру мен төмендетуге бағдарламаланатын орталық контроллермен алмастырғым келді. Жоба Amazon.com немесе AutoShade.mx сайтынан таба алатын өнімге кемінде бес қайталау арқылы дамыды, бірақ қадамдық қозғалтқышты және оның драйверінің электроникасын таңдау процесі Arduino негізіндегі көптеген басқа жобаларға қолданылуы керек.

Электрониканың прототипі үшін таңдалған бастапқы конфигурация Arduino Uno (Rev 3) процессоры (Adafruit № 50) дисплей тақталары (Adafruit №399), нақты уақыт бойынша сағаттық уақыт (Adafruit #1141) және қос сатылы қозғалтқыш драйверлері (Adafruit № 1438) болды.). Барлық тақталар I2C сериялық интерфейсін қолданып процессормен байланысады. Бағдарламалық қамтамасыз ету драйверлері көлеңкелі экрандағы контроллердің дамуын жеңілдететін барлық осылар үшін қол жетімді.

1 -қадам: талаптарды анықтаңыз

Реңктер кем дегенде қолмен итеру сияқты тез жұмыс істеуі керек. Тұрақты қолмен айналдыру жылдамдығы секундына 1 иінді болуы мүмкін. Қозғалтқыштардың көпшілігінде қадам өлшемі 1,8 градус немесе бір айналымға 200 қадам бар. Сондықтан қадамның минималды жылдамдығы секундына шамамен 200 қадам болуы керек. Бұл екі есе жақсы болар еді.

Coolaroo құрттары арқылы көлеңкені көтеру немесе түсіру моменті калибрленген бұрауышпен (McMaster Carr #5699A11 диапазоны +/- 6 дюйм болатын) саяхатының жоғарғы және төменгі жағындағы 9 көлеңкелі экранда өлшенді. Бұл «бөлінетін» момент болды және ол өте өзгерді. Ең төменгі көрсеткіш 0,25 дюйм, ал максимум 3,5 фунт болды. Момент үшін тиісті өлшем бірлігі N-m, ал 3 фунт -40 фунт.40 N-m, мен оны номиналды «үйкеліс моменті» ретінде қолдандым.

Қадамдық мотор сатушылары қандай да бір себептермен қозғалтқыш моментін кг-см бірлігінде көрсетеді. Жоғарыда келтірілген 0,4 Н-м ең төменгі момент-4,03 Кг-см. Тиісті айналу жиілігі үшін мен осы немесе шамамен 8 кг-ға екі есе жеткізе алатын қозғалтқышты алғым келді. Схема мамандарында көрсетілген қадамдық қозғалтқыштарға қарап, маған 23 қаңқалы мотор қажет екенін тез көрсетті. Олар қысқа, орташа және ұзын стек ұзындықтарында және әр түрлі орамаларда қол жетімді.

2 -қадам: Динамометр құрыңыз

Қозғалтқыштардың айналу моментіне қарсы жылдамдық сипаттамасы бар, бұл олардың орамасының қозғалу тәсіліне байланысты. Момент жылдамдықпен төмендеуінің екі себебі бар. Біріншісі, кернеуге қарсы орамаларда кері ЭҚК (кернеу) дамиды. Екіншіден, ораманың индуктивтілігі әр қадамда болатын токтың өзгеруіне қарсы тұрады.

Қадамдық қозғалтқыштың жұмысын динамикалық модельдеу арқылы болжауға болады және оны динамометр көмегімен өлшеуге болады. Мен екеуін де жасадым, бірақ модельдеуді талқыламаймын, себебі тест деректері шынымен модельдеудің дәлдігін тексереді.

Динамометр қозғалтқыштың реттелетін жылдамдықпен жүгіру кезінде оның айналу моментін өлшеуге мүмкіндік береді. Калибрленген магнитті бөлшектердің тежегіші қозғалтқышқа жүктеме моментін қолданады. Жылдамдықты өлшеудің қажеті жоқ, себебі ол қозғалтқыштың моментінен асып кеткенше қозғалтқыштың қадамдық жылдамдығына тең болады. Бұл орын алған кезде, қозғалтқыш синхрондауды жоғалтады және қатты ракетка жасайды. Сынақ процедурасы тұрақты жылдамдықты басқарудан, тежегіш арқылы токты баяу арттырудан және қозғалтқыш синхрондауды жоғалтпас бұрын оның мәнін белгілеуден тұрады. Бұл әр түрлі жылдамдықта қайталанады және айналу моменті мен жылдамдық ретінде суреттеледі.

Магнитті бөлшектердің тежегіші-Ebay-де сатып алынған Placid Industries B25P-10-1 моделі. Бұл модель өндірушінің веб-сайтында енді жоқ, бірақ бөлшек нөміріне сәйкес, ол 25 дюйм = 2,825 Н-м максималды крутящий моментті қамтамасыз етеді, ал катушка 10 VDC (максимум) үшін есептелген. Бұл шамамен 1,6 Н-м максималды айналдыру моменттерін шығаруға есептелген 23 өлшемді қозғалтқыштарды сынау үшін өте қолайлы. Сонымен қатар, бұл тежегіш NMEA 23 қозғалтқыштарындағыдай пилоттық тесікпен және бекіту тесіктерімен бірге жеткізілген, сондықтан оны қозғалтқышпен бірдей өлшемді бекіту кронштейнінің көмегімен орнатуға болады. Қозғалтқыштарда дюймдік біліктер бар, ал тежегіш ½ дюймдік білікпен жеткізілген, сондықтан Ebay -де бірдей біліктерге ие икемді муфталы адаптер сатып алынды. Алюминий негізге екі жақшаға бекіту қажет болды. Жоғарыдағы фотосуретте сынақ стенді көрсетілген. Бекіту кронштейндері Amazon мен Ebay -де оңай қол жетімді.

Магниттік бөлшектердің тежегіш моменті орам тогына пропорционал. Тежегішті калибрлеу үшін екі момент өлшеу бұрағышының біреуі қадамдық қозғалтқыш ретінде тежегіштің қарама -қарсы жағындағы білікке қосылды. Қолданылған екі бұрағыш - McMaster Carr бөлшек нөмірлері 5699A11 және 5699A14. Біріншісінің максималды айналу диапазоны 6 дюйм = 0,678 Н-м, ал екіншісінің айналу моментінің максималды мәні 25 дюйм = 2,825 Н-м. Ток айнымалы тұрақты ток көзі CSI5003XE (50 В/3А) арқылы берілді. Жоғарыдағы графикте ток пен токтың өлшенген моменті көрсетілген.

Назар аударыңыз, бұл сынақтардың қызығушылық диапазонында тежеу моментінің айналу моменті (N-m) = 1,75 x тежегіш тогы (A) сызықтық байланысы арқылы жақындауға болады.

3 -қадам: Қадамдық мотор драйверлерін таңдаңыз

Қадамдық қозғалтқыштар бір ОРНАЛЫҚ деп аталатын уақытта толық бір белсенді ораммен басқарылуы мүмкін, екеуі де толық белсенді (ҚОСҚА қадам) немесе екеуі де жартылай белсенді (MICROSTEPPING). Бұл қосымшада біз максималды моментке қызығушылық танытамыз, сондықтан тек екі еселенген қадам қолданылады.

Момент ораманың токына пропорционалды. Қозғалтқыштың номиналды мәніне тұрақты күйдегі токты шектеу үшін ораманың кедергісі жеткілікті жоғары болса, сатылы қозғалтқышты тұрақты кернеумен басқаруға болады. Adafruit № 1438 Motorshield тұрақты кернеу драйверлерін (TB6612FNG) пайдаланады, олар 15 VDC, максимум 1,2 ампер. Бұл драйвер - жоғарыдағы бірінші фотода көрсетілген үлкен тақта (сол жақта екі қыз тақтасы жоқ).

Тұрақты кернеу драйверінің өнімділігі шектеулі, себебі орамалы индуктивтілік пен артқы ЭҚК әсерінен жылдамдықтағы ток айтарлықтай төмендейді. Балама тәсіл - кедергісі мен индуктивтілігі төмен қозғалтқышты таңдау және оны тұрақты токпен жүргізу. Тұрақты ток импульстің ені арқылы кернеуді модуляциялайды.

Тұрақты ток жетегін қамтамасыз ету үшін қолданылатын тамаша құрал - Texas Instruments жасаған DRV8871. Бұл шағын IC -де ішкі ток сезімі бар H көпірі бар. Қажетті тұрақты (немесе максималды) токты орнату үшін сыртқы резистор қолданылады. Айнымалы ток бағдарламаланған мәннен асқан кезде кернеуді автоматты түрде ажыратады және ол кейбір шекті мәннен төмен түскенде оны қайта қолданады.

DRV8871 45 VDC, максимум 3,6 ампермен бағаланады. Құрамында температура 175 градусқа жеткенде кернеуді ажырататын ішкі жоғары температура сенсорлық тізбегі бар. IC тек төменгі жағында термалды жастықшасы бар 8 істікшелі HSOP пакетінде бар. TI бір IC бар даму тақтасын сатады (бір сатылы қозғалтқыш үшін екеуі қажет), бірақ ол өте қымбат. Adafruit және басқалар шағын прототип тақтасын сатады (Adafruit № 3190). Сынақ үшін олардың екеуі жоғарыдағы бірінші фотода көрсетілгендей Adafruit Motorshield бортына орнатылды.

TB6612 мен DRV8871 -дің ағымдағы жетектік мүмкіндіктері іс жүзінде бөлшектер ішіндегі температураның көтерілуімен шектеледі. Бұл бөліктердің жылуына және қоршаған ортаның температурасына байланысты болады. Менің бөлмедегі температуралық сынақтарда DRV8871 қызу тақталары (Adafruit № 3190) 2 амперде 30 секунд ішінде температураның шекті деңгейіне жетті, ал сатылы қозғалтқыштар өте тұрақсыз болады (температураның жоғарылауы тізбегінің үзілуі мен үзілуіне байланысты бір фазалы кезеңділік). DRV8871 -ді қосымша тақталар ретінде пайдалану - бәрібір, сондықтан екі қадамды қозғалтқышты басқару үшін төрт драйвері бар жаңа қалқан жасалды (AutoShade #100105). Бұл тақта IC -ді жылытуға арналған екі жағынан жер үсті ұшағының үлкен мөлшерімен жасалған. Ол Ardaino үшін Adafruit Motorshield сияқты сериялық интерфейсті қолданады, сондықтан драйверлер үшін сол кітапханалық бағдарламалық жасақтаманы қолдануға болады. Жоғарыдағы екінші фотода осы тақта көрсетілген. AutoShade #100105 туралы қосымша ақпарат алу үшін Amazon немесе AutoShade.mx веб -сайтындағы тізімді қараңыз.

Менің көлеңкелі экран қосымшасында жылдамдықты және көлеңке қашықтығына байланысты әр көлеңкені көтеру немесе төмендету үшін 15-30 секунд қажет. Сондықтан ток жұмыс кезінде жоғары температура шегіне жетпейтіндей шектелуі керек. 100105 бойынша жоғары температура шегіне жету уақыты 1,6 амперлік ток шегімен 6 минуттан асады және 2,0 амперлік ток шегімен 1 минуттан асады.

4 -қадам: Step Motors кандидаттарын таңдаңыз

Схема мамандарында 8 кг-см қажетті крутящийді қамтамасыз ететін екі өлшемді 23 қадамдық қозғалтқыш бар. Екеуінде де орталық шүмектері бар екі фазалы орамалар бар, сондықтан оларды толық немесе жартылай орамалар жететін етіп қосуға болады. Бұл қозғалтқыштардың техникалық сипаттамалары жоғарыдағы екі кестеде келтірілген. Екі қозғалтқыш бірдей механикалық, бірақ электрлік қозғалтқыштың 207 қозғалтқышына қарағанда кедергісі мен индуктивтілігі әлдеқайда төмен. Айтпақшы, электрлік сипаттамалар катушканың жарты қозуына арналған. Бүкіл ораманы қолданған кезде қарсылық екі есе артады және индуктивтілік 4 есе артады.

5 -қадам: Үміткерлердің айналу жылдамдығын өлшеңіз

Динамометрді (және модельдеуді) қолдана отырып, қозғалтқыш/орам/ток жетегінің конфигурациясы үшін крутящий және жылдамдық қисықтары анықталды. Бұл сынақтарға арналған динамометрді іске қосу үшін қолданылатын бағдарламаны (эскизді) AutoShade.mx веб -сайтынан жүктеуге болады.

6 -қадам: Номиналды ток кезінде 57BYGH207 жарты катушкасының тұрақты кернеу жетегі

Жартылай катушкасы 12В (тұрақты кернеу режимі) арқылы басқарылатын 57BYGH207 қозғалтқышы 0,4 амперге жетеді және дискінің бастапқы конфигурациясы болды. Бұл қозғалтқышты Adafruit № 1434 Motorshield -дан тікелей жүргізуге болады. Жоғарыда келтірілген суретте модельдеу мен өлшенетін крутящий жылдамдық сипаттамалары және ең нашар үйкеліс көрсетілген. Бұл дизайн секундына 200 -ден 400 қадамға дейін жұмыс істеу үшін қажетті қажетті моменттен әлдеқайда төмен.

7 -қадам: Номиналды ток кезінде 57BYGH207 жарты катушкасының тұрақты ток жетегі

Қолданылатын кернеуді екі есе көбейту, бірақ токты 0,4 ампермен шектеу үшін ұсақтағышты пайдалану жоғарыда көрсетілгендей өнімділікті едәуір жақсартады. Қолданылатын кернеуді одан әрі жоғарылату өнімділікті одан да жақсартады. Бірақ 12 ВД жоғары жұмыс бірнеше себептерге байланысты қажет емес.

· DRV8871 кернеуі 45 VDC шектелген

· Қабырғаға орнатылатын жоғары кернеулі қуат көздері онша кең таралмаған және қымбатырақ

· Arduino конструкциясында қолданылатын логикалық схемаға арналған 5 VDC қуатын беру үшін қолданылатын кернеу реттегіштері 15 VDC max. Қозғалтқыштарды кернеуден жоғары жұмыс істеу үшін екі қуат көзі қажет болады.

8 -қадам: Номиналды токтағы 57BYGH207 толық катушкасының тұрақты ток жетегі

Бұл модельдеу арқылы қаралды, бірақ 48 В қуат көзі болмағандықтан тексерілмеді. Толық катушка номиналды токпен қозғалғанда төмен жылдамдықтағы момент екі есе артады, бірақ содан кейін жылдамдықпен тезірек түседі.

9 -қадам: Номиналды ток кезінде 57BYGH104 толық катушкасының тұрақты ток жетегі

12 ВД және ток 1.0А болғанда, жоғарыда көрсетілген момент жылдамдығының сипаттамасы нәтиже береді. Сынақ нәтижелері секундына 400 қадаммен жұмыс істеу талаптарына сәйкес келеді.

10 -қадам: 57BYGH104 толық катушкасының тұрақты ток жетегі 3/4 номиналды ток

Орамдық токтарды 1,6 амперге дейін ұлғайту момент маржасын едәуір арттырады.

11 -қадам: Номиналды ток кезінде 57BYGH104 толық катушкасының тұрақты ток жетегі

Егер ораманың токтары 2А дейін жоғарыласа және айналдыру моменті жоғарыда көрсетілгендей жоғарыласа, бірақ модельдеу болжағандай емес. Сонымен, шын мәнінде бұл жоғары токтардағы моментті шектейтін нәрсе болып жатыр.

12 -қадам: Қорытынды таңдау

Толық катушканы пайдалану жартысынан гөрі жақсы, бірақ кернеудің жоғары болуына байланысты 207 қозғалтқышында қажет емес. 104 қозғалтқыш төменгі кернеуде жұмыс істеуге мүмкіндік береді. Сондықтан бұл қозғалтқыш таңдалады.

57BYGH104 қозғалтқышының толық катушка кедергісі 2,2 Ом. DRV8871 FETS драйверінің кедергісі шамамен 0,6 Ом құрайды. Қозғалтқыштар мен сымдардың типтік кедергісі шамамен 1 Ом құрайды. Осылайша, бір қозғалтқыш тізбегіне бөлінетін қуат 3,8 Ом болатын квадраттық орама ток. Жалпы қуат екі есе көп, өйткені екі орам бір мезгілде қозғалады. Жоғарыда қарастырылған орамдық токтар үшін нәтижелер осы кестеде көрсетілген.

Қозғалтқыш токтарын 1,6 ампермен шектеу бізге 24 ватт аз және арзанырақ қуат көзін пайдалануға мүмкіндік береді. Момент шегі өте аз жоғалады. Сонымен қатар, қадамдық қозғалтқыштар тыныш құрылғылар емес. Оларды жоғары токпен қозғау олардың дыбысын күшейтеді. Осылайша, қуатты төмендету және тыныш жұмыс істеу мүддесі үшін ағымдағы шекті 1,6 ампер деп таңдады.