Velge en trinnmotor og driver for et Arduino Automated Shade Screen Project: 12 trinn (med bilder)

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sist endret: 2024-01-30 11:22

I denne instruksen vil jeg gå gjennom trinnene jeg tok for å velge en trinnmotor og driver for et prototype Automated Shade Screen -prosjekt. Skjermbildene er de populære og rimelige Coolaroo håndsvingede modellene, og jeg ønsket å bytte ut håndsvingene med trinnmotorer og en sentral kontroller som kan programmeres til å heve og senke nyanser basert på beregnet soloppgang og solnedgangstid. Prosjektet har utviklet seg gjennom minst fem iterasjoner til et produkt som du finner på Amazon.com eller AutoShade.mx, men prosessen for valg av trinnmotor og driverelektronikk er en som bør gjelde for mange andre Arduino -baserte prosjekter.

Den første konfigurasjonen som ble valgt for prototypelektronikken var Arduino Uno (Rev 3) -prosessoren (Adafruit #50) med brett for visning (Adafruit #399), sanntidsur (Adafruit #1141) og to -trinns motorførere (Adafruit #1438). Alle kort kommuniserer med prosessoren ved hjelp av et serielt I2C -grensesnitt. Programvaredrivere er tilgjengelige for alle disse, noe som gjør utviklingen av skyggeskjermkontrolleren mye enklere.

Trinn 1: Bestem kravene

Nyanser bør fungere minst like raskt som med håndsving. En vedvarende håndveivhastighet kan være 1 sveiv i sekundet. De fleste trinnmotorer har en trinnstørrelse på 1,8 grader, eller 200 trinn per omdreining. Så minimum trinnhastighet bør være omtrent 200 trinn per sekund. To ganger ville det vært enda bedre.

Dreiemomentet for å heve eller senke skyggen gjennom Coolaroo snekkegiret ble målt på 9 skyggeskjermer på toppen og bunnen av reisen ved hjelp av en kalibrert skrutrekker (McMaster Carr #5699A11 med en rekkevidde på +/- 6 in-lbs). Dette var "utbryter" -momentet, og det varierte mye. Minimumet var 0,25 in-lbs og maksimumet var 3,5 in-lbs. Den riktige metriske måleenheten for dreiemoment er N-m og 3 in-lbs er.40 N-m som jeg brukte som det nominelle "friksjonsmomentet".

Step motorleverandører angir motor dreiemoment i enheter på kg-cm av en eller annen grunn. Minste dreiemoment ovenfor på 0,4 N-m er 4,03 kg-cm. For en anstendig dreiemomentmargin ønsket jeg en motor som kunne levere to ganger denne eller omtrent 8 kg-cm. Ser over trinnmotorene som er oppført hos Circuit Specialists, indikerte raskt at jeg trengte en motor i rammestørrelse 23. Disse er tilgjengelige i korte, mellomstore og lange stabellengder og en rekke viklinger.

Trinn 2: Bygg et dynamometer

Trinnmotorer har et tydelig dreiemoment vs hastighetskarakteristikk som avhenger av måten deres viklinger drives på. Det er to grunner til at dreiemomentet synker med hastigheten. Den første er at det utvikles en tilbake EMF (spenning) i viklingene som motsetter seg den påførte spenningen. For det andre motsetter den svingete induktansen seg endringen i strøm som skjer med hvert trinn.

Ytelsen til en trinnmotor kan forutsies ved hjelp av en dynamisk simulering, og den kan måles ved hjelp av et dynamometer. Jeg gjorde begge deler, men vil ikke diskutere simuleringen fordi testdataene virkelig er en kontroll av nøyaktigheten av simuleringen.

Et dynamometer gjør det mulig å måle dreiemomentkapasiteten til en motor mens den kjører med kontrollert hastighet. En kalibrert magnetisk partikkelbrems påfører motoren belastningsmomentet. Det er ikke nødvendig å måle hastigheten siden den vil være lik trinnets hastighet på motoren til lastmomentet overstiger motorens evne. Når dette skjer, mister motoren synkronisering og lager en høy racket. Testprosedyren består i å kommandere en konstant hastighet, sakte øke strømmen gjennom bremsen, og notere verdien like før motoren mister synkronisering. Dette gjentas ved forskjellige hastigheter og plottes som dreiemoment vs hastighet.

Den valgte magnetiske partikkelbremsen er en Placid Industries modell B25P-10-1 kjøpt på Ebay. Denne modellen er ikke lenger oppført på produsentens nettsted, men fra delenummeret er den vurdert til å levere et toppmoment på 25 in-lb = 2.825 N-m, og spolen er designet for 10 VDC (maks). Dette er ideelt for testing av motorer i størrelse 23 som er vurdert for å gi toppmoment på omtrent 1,6 N-m. I tillegg kom denne bremsen med et pilothull og monteringshull som er identiske med dem som ble brukt på NMEA 23 -motorer, slik at den kunne monteres med samme monteringsbrakett som motoren. Motorene har ¼ tommers aksler og bremsen kom med en ½ tommers aksel, så en fleksibel koblingsadapter med aksler i samme størrelse ble også anskaffet på Ebay. Alt som trengs var å montere på to braketter på en aluminiumsbase. Fotografiet ovenfor viser teststativet. Monteringsbrakettene er lett tilgjengelige på Amazon og Ebay.

Bremsemomentet til den magnetiske partikkelbremsen er proporsjonalt med viklingsstrømmen. For å kalibrere bremsen var en av to momentmålingskrutrekkere koblet til akselen på motsatt side av bremsen som trinnmotor. De to skrutrekkerne som ble brukt var McMaster Carr -delenumre 5699A11 og 5699A14. Førstnevnte har et maksimalt dreiemomentområde på 6 in-lb = 0,678 N-m og sistnevnte har et maksimalt dreiemomentområde på 25 in-lb = 2,825 N-m. Strøm ble levert fra en variabel likestrømforsyning CSI5003XE (50 V/3A). Grafen over viser det målte dreiemomentet mot strømmen.

Vær oppmerksom på at i intervallet for disse testene kan bremsemomentet tilnærmes nært av det lineære forholdet Dreiemoment (N-m) = 1,75 x bremsestrøm (A).

Trinn 3: Velg Candidate Step Motor Drivers

Trinnmotorer kan drives med en vikling som er fullt aktiv om gangen, ofte kalt SINGLE stepping, begge viklingene er fullt aktive (DOBBELT trinn) eller begge svingningene er delvis aktive (MICROSTEPPING). I denne applikasjonen er vi interessert i maksimalt dreiemoment, så det brukes bare DOBBELT trinn.

Dreiemoment er proporsjonalt med viklingsstrømmen. En trinnmotor kan drives med konstant spenning hvis viklingsmotstanden er høy nok til å begrense steady state -strømmen til den nominelle verdien for motoren. Adafruit #1438 Motorshield bruker drivere med konstant spenning (TB6612FNG) som er vurdert til 15 VDC, maksimalt 1,2 ampere. Denne driveren er det større brettet vist på det første bildet ovenfor (uten de to datterbrettene til venstre).

Ytelsen med en konstant spenningsdriver er begrenset fordi strømmen ved hastighet reduseres sterkt på grunn av både viklingsinduktansen og EMF på baksiden. En alternativ tilnærming er å velge en motor med lavere motstand og induktansvikling og å kjøre den med konstant strøm. Den konstante strømmen produseres ved at pulsbredden modulerer den påførte spenningen.

En flott enhet som brukes til å gi konstant strømstasjon er DRV8871 laget av Texas Instruments. Denne lille IC inneholder en H -bro med en intern strømfølelse. En ekstern motstand brukes til å stille ønsket konstant (eller maksimal) strøm. IC -en kobler automatisk fra spenningen når strømmen overstiger den programmerte verdien og bruker den på nytt når den faller under noen terskel.

DRV8871 er vurdert til 45 VDC, maks 3,6 ampere. Den inneholder en intern over-temperatur sensing krets som kobler fra spenningen når krysset temperaturen når 175 grader C. IC er bare tilgjengelig i en 8-pins HSOP-pakke som har en termisk pute på undersiden. TI selger et utviklingsbord som inneholder en IC (to kreves for en trinnsmotor), men det er veldig dyrt. Adafruit og andre selger et lite prototypebrett (Adafruit #3190). For test ble to av disse montert påhengsmotoren til et Adafruit Motorshield som vist på det første bildet ovenfor.

De nåværende kjøreegenskapene til både TB6612 og DRV8871 er i praksis begrenset av temperaturstigningen inne i delene. Dette vil avhenge av varmesinking av delene så vel som omgivelsestemperaturen. I mine romtemperatur -tester nådde DRV8871 -datterbrettene (Adafruit #3190) sine over temperaturgrenser på omtrent 30 sekunder ved 2 ampere, og trinnmotorene blir veldig uregelmessige (enkeltfaset intermitterende etter hvert som over -temperaturkretsen brytes inn og ut). Å bruke DRV8871 som datterbord er uansett en kludge, så et nytt skjold ble designet (AutoShade #100105) som inneholder fire av driverne for å betjene totrinnsmotorer. Dette brettet ble designet med en stor mengde bakkeplan på begge sider for å varme ICene. Den bruker det samme serielle grensesnittet til Arduino som Adafruit Motorshield, så den samme bibliotekprogramvaren kan brukes for driverne. Det andre bildet ovenfor viser dette kretskortet. For mer informasjon om AutoShade #100105, se oppføringen på Amazon eller nettstedet AutoShade.mx.

I min skjermskjermapplikasjon tar det 15 til 30 sekunder å heve eller senke hver nyanse avhengig av hastighetsinnstilling og skyggeavstand. Strømmen bør derfor begrenses slik at over-temperaturgrensen aldri oppnås under drift. Tiden for å nå over-temperaturgrensene på 100105 er større enn 6 minutter med en 1,6 amp strømgrense og mer enn 1 minutt med en 2,0 amp strømgrense.

Trinn 4: Velg Candidate Step Motors

Circuit Specialists har to størrelse 23 trinnsmotorer som gir 8 kg-cm dreiemoment som kreves. Begge har tofasede viklinger med senterkraner, slik at de kan kobles til slik at enten hele eller halvviklingene drives. Spesifikasjonene for disse motorene er oppført i de to tabellene ovenfor. Begge motorene er nesten identisk mekanisk, men elektrisk har 104 -motoren en mye lavere motstand og induktans enn 207 -motoren. Forresten, de elektriske spesifikasjonene er for halv spole eksitasjon. Når hele viklingen brukes, dobles motstanden og induktansen øker med en faktor 4.

Trinn 5: Mål dreiemoment mot kandidaters hastighet

Ved bruk av dynamometeret (og simuleringen) ble momentet mot hastighetskurver for en rekke motor/svingete/nåværende drivkonfigurasjoner bestemt. Programmet (skissen) som brukes for å kjøre dynamometeret for disse testene kan lastes ned fra nettstedet AutoShade.mx.

Trinn 6: Konstant spenningsdrift på 57BYGH207 halvspole ved merkestrøm

57BYGH207 -motoren med halv spole drevet ved 12V (konstant spenningsmodus) gir 0,4 ampere og var den opprinnelige drivkonfigurasjonen. Denne motoren kan kjøres direkte fra Adafruit #1434 Motorshield. Figuren ovenfor viser de simulerte og målte dreiemomenthastighetskarakteristikkene sammen med den verste friksjonen. Denne konstruksjonen faller langt under ønsket dreiemoment som kreves for drift ved 200 til 400 trinn per sekund.

Trinn 7: Konstant strømdrift på 57BYGH207 halvspole ved merkestrøm

Ved å doble den påførte spenningen, men bruke chopper -stasjonen for å begrense strømmen til 0,4 ampere, forbedres ytelsen betydelig som vist ovenfor. Å øke den påførte spenningen ytterligere ville forbedre ytelsen enda mer. Men drift over 12 VDC er uønsket av flere grunner.

· DRV8871 er spenning begrenset til 45 VDC

· Veggmonterte strømforsyninger med høyere spenning er ikke så vanlige og er dyrere

· Spenningsregulatorene som brukes til å levere 5 VDC -strømmen til logikkretsene som brukes i Arduino -designen er begrenset til maks. 15 VDC. Så å bruke motorene ved høyere spenninger enn dette vil kreve to strømforsyninger.

Trinn 8: Konstant strømdrift på 57BYGH207 full spole ved merkestrøm

Dette ble sett på med simuleringen, men ikke testet fordi jeg ikke hadde en 48 V strømforsyning. Dreiemomentet ved lave hastigheter dobles når hele spolen drives med merkestrømmen, men faller deretter raskere av med hastigheten.

Trinn 9: Konstant strømdrift på 57BYGH104 full spole ved ½ nominell strøm

Med 12 VDC og en strøm på 1,0A, gir dreiemomenthastighetskarakteristikken som er vist ovenfor. Testresultatene oppfyller kravene til drift med 400 trinn per sekund.

Trinn 10: Konstant strømdrift på 57BYGH104 full spole ved 3/4 nominell strøm

Å øke viklingsstrømmene til 1,6 ampere øker dreiemomentmarginen betydelig.

Trinn 11: Konstant strømdrift på 57BYGH104 full spole ved merkestrøm

Hvis viklingsstrømmene økes til 2A, og dreiemomentet øker som vist ovenfor, men ikke så mye som simuleringen ville forutsi. Så det skjer noe i virkeligheten som begrenser dreiemomentet ved disse høyere strømningene.

Trinn 12: Gjør det endelige valget

Å bruke hele spolen i stedet for halvparten er definitivt bedre, men det er ikke ønskelig med 207 -motoren på grunn av den høyere spenningen som kreves. Motoren 104 tillater drift ved lavere påført spenning. Denne motoren er derfor valgt.

Hele spolemotstanden til 57BYGH104 -motoren er 2,2 ohm. Motstanden til driveren FETS i DRV8871 er omtrent 0,6 ohm. Typisk ledningsmotstand til og fra motorene er omtrent 1 ohm. Så kraften som spres i en motorkrets er viklingsstrømmen i kvadrat ganger 3,8 ohm. Total effekt er to ganger dette siden begge viklingene drives samtidig. For viklingsstrømmene som er vurdert ovenfor, er resultatene vist i denne tabellen.

Ved å begrense motorstrømmene til 1,6 ampere kan vi bruke en mindre og rimeligere 24 watt strømforsyning. Svært liten dreiemoment går tapt. Trinnmotorer er heller ikke stille enheter. Å kjøre dem med en høyere strøm gjør dem høyere. Så av hensyn til lavere effekt og roligere drift ble den nåværende grensen valgt til å være 1,6 ampere.