Valg af trinmotor og driver til et Arduino Automated Shade Screen Project: 12 trin (med billeder)

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sidst ændret: 2024-01-30 08:27

I denne instruks vil jeg gennemgå de trin, jeg tog for at vælge en trinmotor og driver til et prototype Automated Shade Screen -projekt. Skærmskærmene er de populære og billige Coolaroo håndsvingede modeller, og jeg ville udskifte håndsvingene med trinmotorer og en central controller, der kunne programmeres til at hæve og sænke nuancerne baseret på beregnet solopgang og solnedgangstider. Projektet har udviklet sig gennem mindst fem iterationer til et produkt, som du kan finde på Amazon.com eller AutoShade.mx, men processen med at vælge trinmotoren og dens driverelektronik er en, der burde være gældende for mange andre Arduino -baserede projekter.

Den indledende konfiguration, der blev valgt til prototypelektronikken, var Arduino Uno (Rev 3) -processoren (Adafruit #50) med tavler til visning (Adafruit #399), realtidsurstiming (Adafruit #1141) og motorer med dobbelt trin (Adafruit #1438). Alle tavler kommunikerer med processoren ved hjælp af en seriel I2C -grænseflade. Softwaredrivere er tilgængelige til alle disse, hvilket gør udviklingen af skærmen til skærmskærmen meget enklere.

Trin 1: Bestem kravene

Nuancerne skal fungere mindst lige så hurtigt som ved håndsving. En vedvarende håndsvingningshastighed kan være 1 håndsving i sekundet. De fleste trinmotorer har en trinstørrelse på 1,8 grader eller 200 trin pr. Omdrejning. Så den mindste trinhastighed bør være omkring 200 trin i sekundet. To gange ville det være endnu bedre.

Drejningsmomentet for at hæve eller sænke skyggen gennem Coolaroo snekkegear blev målt på 9 skærme øverst og nederst på deres rejse ved hjælp af en kalibreret momentskruetrækker (McMaster Carr #5699A11 med en rækkevidde på +/- 6 in-lbs). Dette var "breakaway" -momentet, og det varierede meget. Minimumet var 0,25 in-lbs, og maksimumet var 3,5 in-lbs. Den korrekte metriske måleenhed for drejningsmoment er N-m og 3 in-lbs er.40 N-m, som jeg brugte som det nominelle "friktionsmoment".

Trinmotorsælgere angiver af en eller anden grund motormoment i enheder på kg-cm. Ovenstående minimumsmoment på 0,4 N-m er 4,03 Kg-cm. For en anstændig drejningsmomentmargin ville jeg have en motor, der var i stand til at levere to gange denne eller cirka 8 kg-cm. Når jeg kiggede på trinmotorer, der er angivet hos kredsløbsspecialister, viste det hurtigt, at jeg havde brug for en motorstørrelse 23 motor. Disse fås i korte, mellemstore og lange stabellængder og en række viklinger.

Trin 2: Byg et dynamometer

Trinmotorer har et tydeligt drejningsmoment vs hastighedskarakteristik, der afhænger af den måde, hvorpå deres viklinger drives. Der er to grunde til, at drejningsmomentet falder med hastigheden. Den første er, at der udvikles en tilbage -EMF (spænding) i viklingerne, der modsætter sig den påførte spænding. For det andet modvirker den snoede induktans den ændring i strøm, der sker med hvert trin.

Ydelsen af en trinmotor kan forudsiges ved hjælp af en dynamisk simulering, og den kan måles ved hjælp af et dynamometer. Jeg gjorde begge dele, men vil ikke diskutere simuleringen, fordi testdataene virkelig er en kontrol af nøjagtigheden af simuleringen.

Et dynamometer tillader måling af motorens momentkapacitet, mens den kører med en kontrolleret hastighed. En kalibreret magnetisk partikelbremse anvender belastningsmomentet på motoren. Det er ikke nødvendigt at måle hastigheden, da den vil være lig med motorens trinhastighed, indtil belastningsmomentet overstiger motorens kapacitet. Når dette sker, mister motoren synkronisering og laver en høj racket. Testproceduren består i at styre en konstant hastighed, langsomt øge strømmen gennem bremsen og notere dens værdi lige før motoren mister synkronisering. Dette gentages ved forskellige hastigheder og afbildes som drejningsmoment vs hastighed.

Den valgte magnetiske partikelbremse er en Placid Industries model B25P-10-1 købt på Ebay. Denne model er ikke længere opført på producentens websted, men ud fra varenummeret er den klassificeret til at levere et maksimalt drejningsmoment på 25 in-lb = 2.825 N-m, og spolen er designet til 10 VDC (max). Dette er ideelt til test af motorer i størrelse 23, der overvejes, og som er vurderet til at producere maksimale drejningsmomenter på ca. 1,6 N-m. Derudover kom denne bremse med et pilothul og monteringshuller identiske med dem, der blev brugt på NMEA 23 -motorer, så den kunne monteres ved hjælp af den samme størrelse monteringsbeslag som motoren. Motorerne har ¼ tommer aksler, og bremsen kom med en ½ tommer aksel, så der blev også anskaffet en fleksibel koblingsadapter med aksler i samme størrelse på Ebay. Det eneste, der krævedes, var at montere på to beslag på en aluminiumsbase. Fotografiet ovenfor viser teststanden. Monteringsbeslagene er let tilgængelige på Amazon og Ebay.

Bremsemomentet for den magnetiske partikelbremse er proportional med viklingsstrømmen. For at kalibrere bremsen blev en af to momentmåleskruetrækkere forbundet til akslen på den modsatte side af bremsen som trinmotor. De to skruetrækkere, der blev brugt, var McMaster Carr -varenumre 5699A11 og 5699A14. Førstnævnte har et maksimalt momentområde på 6 in-lb = 0,678 N-m, og sidstnævnte har et maksimalt momentområde på 25 in-lb = 2,825 N-m. Strøm blev leveret fra en variabel jævnstrømforsyning CSI5003XE (50 V/3A). Grafen ovenfor viser det målte moment mod strøm.

Bemærk, at inden for intervallet for disse test kan bremsemomentet nærmer sig det lineære forhold Torque (N-m) = 1,75 x bremsestrøm (A).

Trin 3: Vælg Candidate Step -motordrivere

Trinmotorer kan drives med en vikling, der er fuldt aktiv på et tidspunkt, der almindeligvis kaldes SINGLE stepping, begge viklinger fuldt aktive (DOUBLE step) eller begge viklinger delvist aktive (MICROSTEPPING). I denne applikation er vi interesseret i maksimalt drejningsmoment, så der bruges kun DOBBELT trin.

Moment er proportional med viklingsstrømmen. En trinmotor kan drives med en konstant spænding, hvis viklingsmodstanden er høj nok til at begrænse steady -state -strømmen til motorens nominelle værdi. Adafruit #1438 Motorshield bruger konstantspændingsdrivere (TB6612FNG), der er vurderet til 15 VDC, maksimalt 1,2 ampere. Denne driver er den større tavle vist på det første foto ovenfor (uden de to datterbrætter til venstre).

Ydeevne med en konstant spændingsdriver er begrænset, fordi strømmen ved hastighed reduceres kraftigt på grund af både viklingsinduktansen og den bageste EMF. En alternativ tilgang er at vælge en motor med en lavere modstand og induktansvikling og at køre den med en konstant strøm. Den konstante strøm frembringes ved at pulsbredden modulerer den påførte spænding.

En fantastisk enhed, der bruges til at levere konstantstrømdrevet, er DRV8871 fremstillet af Texas Instruments. Denne lille IC indeholder en H -bro med en intern strømfølelse. En ekstern modstand bruges til at indstille den ønskede konstante (eller maksimale) strøm. IC'en afbryder automatisk spændingen, når strømmen overstiger den programmerede værdi, og genaktiverer den, når den falder under en grænse.

DRV8871 er vurderet til 45 VDC, maksimum 3,6 ampere. Den indeholder et internt over-temperatur sensing kredsløb, der afbryder spændingen, når krydsetemperaturen når 175 grader C. IC'en er kun tilgængelig i en 8-pins HSOP-pakke, der har en termisk pude på undersiden. TI sælger et udviklingsbord, der indeholder en IC (to er påkrævet for en trinmotor), men det er meget dyrt. Adafruit og andre sælger et lille prototypebord (Adafruit #3190). Til test blev to af disse monteret udenbords på en Adafruit Motorshield som vist på det første foto ovenfor.

De nuværende drevmuligheder for både TB6612 og DRV8871 er i praksis begrænset af temperaturstigningen inde i delene. Dette vil afhænge af varmesænkningen af delene samt omgivelsestemperaturen. I mine rumtemperatur -tests nåede DRV8871 datterbrædderne (Adafruit #3190) deres over temperaturgrænser på cirka 30 sekunder ved 2 ampere, og trinmotorerne bliver meget uregelmæssige (enkeltfaset intermitterende, da over temperaturkredsløbet skæres ind og ud). At bruge DRV8871’erne som datterbrætter er alligevel et kludge, så der blev designet et nyt skjold (AutoShade #100105), som indeholder fire af driverne for at betjene totrinsmotorer. Dette bræt var designet med en stor mængde jordplan på begge sider til at varme IC'erne ned. Den bruger den samme serielle grænseflade til Arduino som Adafruit Motorshield, så den samme bibliotekssoftware kan bruges til driverne. Det andet foto ovenfor viser dette printkort. For mere information om AutoShade #100105, se fortegnelsen på Amazon eller AutoShade.mx -webstedet.

I min skærmskærmsprogram tager det 15 til 30 sekunder at hæve eller sænke hver skygge afhængigt af hastighedsindstillingen og skyggeafstanden. Strømmen bør derfor begrænses således, at over-temperaturgrænsen aldrig nås under drift. Tiden til at nå over-temperatur grænserne på 100105 er større end 6 minutter med en 1,6 amp strømgrænse og større end 1 minut med en 2,0 amp strømgrænse.

Trin 4: Vælg Candidate Step Motors

Circuit Specialists har to størrelse 23-trinsmotorer, der giver det nødvendige moment på 8 kg-cm. Begge har to faseviklinger med midterhaner, så de kan tilsluttes, så enten de fulde eller halve viklinger drives. Specifikationerne for disse motorer er angivet i de to tabeller ovenfor. Begge motorer er næsten identisk mekanisk, men elektrisk har 104 -motoren en meget lavere modstand og induktans end 207 -motoren. Forresten, de elektriske specifikationer er til halv spole excitation. Når hele viklingen bruges, fordobles modstanden, og induktansen stiger med en faktor 4.

Trin 5: Mål drejningsmoment mod kandidaters hastighed

Ved hjælp af dynamometeret (og simuleringen) blev drejningsmoment vs hastighedskurver for en række motor-/vikling/nuværende drevkonfigurationer bestemt. Det program (skitse), der bruges til at køre dynamometeret til disse tests, kan downloades fra AutoShade.mx -webstedet.

Trin 6: Konstant spændingsdrev på 57BYGH207 halvspole ved nominel strøm

57BYGH207 -motoren med halv spole drevet ved 12V (konstant spændingstilstand) resulterer i 0,4 ampere og var den originale drevkonfiguration. Denne motor kan køres direkte fra Adafruit #1434 Motorshield. Ovenstående figur viser de simulerede og målte drejningsmomenthastighedsegenskaber sammen med den værste friktion. Dette design falder langt under det ønskede drejningsmoment, der kræves til drift ved 200 til 400 trin i sekundet.

Trin 7: Konstant strømdrev på 57BYGH207 halvspole ved nominel strøm

Ved at fordoble den påførte spænding, men ved at bruge chopper -drevet til at begrænse strømmen til 0,4 ampere, forbedres ydelsen betydeligt som vist ovenfor. At øge den påførte spænding yderligere ville forbedre ydelsen endnu mere. Men drift over 12 VDC er uønsket af flere årsager.

· DRV8871 er spændingsbegrænset til 45 VDC

· Vægmonterede strømforsyninger med højere spænding er ikke så almindelige og er dyrere

· Spændingsregulatorerne, der bruges til at levere 5 VDC -strømmen til de logiske kredsløb, der bruges i Arduino -designet, er begrænset til maks. 15 VDC. Så betjening af motorerne ved højere spændinger end dette ville kræve to strømforsyninger.

Trin 8: Konstant strømdrev på 57BYGH207 fuld spole ved nominel strøm

Dette blev set på med simuleringen, men ikke testet, fordi jeg ikke havde en 48 V strømforsyning. Drejningsmomentet ved lave hastigheder fordobles, når den fulde spole drives ved den nominelle strøm, men falder derefter hurtigere af med hastigheden.

Trin 9: Konstant strømdrev på 57BYGH104 fuld spole ved ½ nominel strøm

Med 12 VDC og en strøm på 1,0A resulterer den ovenfor viste moment-hastighedskarakteristik. Testresultaterne opfylder kravene til drift ved 400 trin i sekundet.

Trin 10: Konstant strømdrev på 57BYGH104 fuld spole ved 3/4 nominel strøm

Forøgelse af viklingsstrømmene til 1,6 ampere øger momentmargenen betydeligt.

Trin 11: Konstant strømdrev på 57BYGH104 fuld spole ved nominel strøm

Hvis viklingsstrømmene øges til 2A, og drejningsmomentet stiger som vist ovenfor, men ikke så meget som simuleringen ville forudsige. Så der sker noget i virkeligheden, der begrænser drejningsmomentet ved disse højere strømme.

Trin 12: Foretag det endelige valg

At udnytte hele spolen frem for det halve er bestemt bedre, men det er ikke ønskeligt med 207 -motoren på grund af den krævede højere spænding. Motoren 104 tillader drift ved lavere spænding. Denne motor er derfor valgt.

Den fulde spolemodstand på 57BYGH104 -motoren er 2,2 ohm. Driverens FETS -modstand i DRV8871 er cirka 0,6 ohm. Typisk ledningsmodstand til og fra motorerne er ca. 1 ohm. Så den effekt, der spredes i et motorkredsløb, er viklingsstrømmen i kvadrat gange 3,8 ohm. Total effekt er dobbelt så stor, da begge viklinger drives på samme tid. For ovennævnte viklingsstrømme er resultaterne vist i denne tabel.

Ved at begrænse motorstrømmene til 1,6 ampere kan vi bruge en mindre og billigere 24 watt strømforsyning. Meget lille momentmargen går tabt. Trinmotorer er heller ikke stille enheder. At køre dem med en højere strøm gør dem højere. Så af hensyn til lavere effekt og mere støjsvag drift blev den nuværende grænse valgt til 1,6 ampere.