„Arduino“automatinio šešėlių ekrano projekto žingsninio variklio ir tvarkyklės pasirinkimas: 12 žingsnių (su paveikslėliais)

2024 Autorius: John Day | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2024-01-30 10:46

Šioje instrukcijoje aš atliksiu veiksmus, kurių ėmiausi pasirinkdamas „Step Motor“ir „Driver“automatinio šešėlių ekrano projekto prototipui. Šešėlių ekranai yra populiarūs ir nebrangūs „Coolaroo“rankiniai alkūniniai modeliai, o aš norėjau rankinius alkūnėlius pakeisti žingsniniais varikliais ir centriniu valdikliu, kuris galėtų būti užprogramuotas pakelti ir nuleisti atspalvius pagal apskaičiuotą saulėtekio ir saulėlydžio laiką. Projektas bent penkis kartojimus pavertė produktu, kurį galite rasti „Amazon.com“arba „AutoShade.mx“, tačiau žingsninio variklio ir jo vairuotojo elektronikos parinkimo procesas turėtų būti taikomas daugeliui kitų „Arduino“pagrįstų projektų.

Pradinė elektronikos prototipo konfigūracija buvo pasirinkta „Arduino Uno“(Rev 3) procesorius („Adafruit #50“) su plokštėmis, skirtomis rodyti („Adafruit“#399), laikrodžio realiuoju laiku nustatymu („Adafruit“#1141) ir dviejų pakopų variklių tvarkyklėmis („Adafruit #1438“)). Visos plokštės bendrauja su procesoriumi, naudodamos nuosekliąją I2C sąsają. Visa tai galima padaryti naudojant programinės įrangos tvarkykles, todėl šešėlinio ekrano valdiklio kūrimas yra daug paprastesnis.

1 žingsnis: nustatykite reikalavimus

Atspalviai turėtų veikti bent taip greitai, kaip ir sukant ranką. Nuolatinis sukimosi rankomis greitis gali būti 1 svirtis per sekundę. Daugumos žingsninių variklių žingsnių dydis yra 1,8 laipsnio arba 200 žingsnių per apsisukimą. Taigi minimalus žingsnio greitis turėtų būti apie 200 žingsnių per sekundę. Du kartus tai būtų dar geriau.

Sukimo momentas, skirtas pakelti arba nuleisti šešėlį per „Coolaroo“sliekinę pavarą, buvo išmatuotas ant 9 šešėlių ekranų jų kelionės viršuje ir apačioje, naudojant kalibruotą sukimo momento atsuktuvą („McMaster Carr #5699A11“, kurio diapazonas yra +/- 6 in-lbs). Tai buvo „atsilaisvinęs“sukimo momentas ir jis labai skyrėsi. Mažiausias buvo 0,25 in-lbs, o didžiausias-3,5 in-lbs. Tinkamas metrinis sukimo momento matavimo vienetas yra N-m, o 3 in-lbs-0,40 N-m, kurį naudojau kaip nominalų „trinties sukimo momentą“.

„Step“variklių pardavėjai dėl tam tikrų priežasčių nurodo variklio sukimo momentą kg-cm vienetais. Minimalus 0,4 N-m sukimo momentas yra 4,03 Kg-cm. Dėl tinkamos sukimo momento aš norėjau variklio, galinčio duoti dvigubai didesnį arba apie 8 kg-cm. Žvelgiant į grandinės specialistų išvardytus žingsnius variklius, greitai paaiškėjo, kad man reikia 23 dydžio rėmo variklio. Jie yra trumpo, vidutinio ir ilgo kamino ilgio ir įvairių apvijų.

2 žingsnis: sukurkite dinamometrą

Pakopiniai varikliai turi skirtingą sukimo momento ir greičio charakteristiką, kuri priklauso nuo jų apvijų sukimo būdo. Yra dvi priežastys, dėl kurių sukimo momentas mažėja greičiui. Pirmasis yra tas, kad apvijose yra sukurtas galinis EMF (įtampa), kuris priešinasi įtampai. Antra, apvijos induktyvumas priešinasi srovės pokyčiams, atsirandantiems kiekviename žingsnyje.

Žingsninio variklio veikimą galima numatyti naudojant dinaminį modeliavimą, o jį galima išmatuoti naudojant dinamometrą. Aš padariau abu, bet nekalbėsiu apie modeliavimą, nes bandymo duomenys iš tikrųjų yra modeliavimo tikslumo patikrinimas.

Dinamometras leidžia išmatuoti variklio sukimo momentą važiuojant kontroliuojamu greičiu. Kalibruotas magnetinis dalelių stabdys varikliui veikia apkrovos momentą. Nereikia matuoti greičio, nes jis bus lygus variklio žingsnio greičiui, kol apkrovos sukimo momentas viršys variklio galimybes. Kai tai atsitiks, variklis praranda sinchronizavimą ir garsiai reketuoja. Bandymo procedūra susideda iš pastovaus greičio nurodymo, lėtai didinančio stabdžio srovę ir jo vertės nustatymo prieš pat varikliui praradus sinchronizavimą. Tai kartojama įvairiu greičiu ir pavaizduota kaip sukimo momentas ir greitis.

Pasirinktas magnetinių dalelių stabdys yra „Placid Industries“modelis B25P-10-1, įsigytas „Ebay“. Šis modelis nebėra įtrauktas į gamintojo svetainę, tačiau pagal gaminio numerį jis yra skirtas tiekti maksimalų sukimo momentą 25 in-lb = 2,825 N-m, o ritė skirta 10 VDC (maks.). Tai idealiai tinka tiriant 23 dydžio variklius, kurių didžiausias sukimo momentas yra apie 1,6 N-m. Be to, šis stabdys buvo su bandomąja anga ir tvirtinimo angomis, identiškomis toms, kurios naudojamos NMEA 23 varikliuose, todėl jį galima sumontuoti naudojant tokio paties dydžio tvirtinimo laikiklį kaip variklis. Varikliai turi ¼ colio velenus, o stabdžiai buvo su ½ colio velenu, todėl lankstus sukabinimo adapteris su tokio paties dydžio velenais taip pat buvo įsigytas „Ebay“. Viskas, ko reikėjo, buvo pritvirtinti prie dviejų laikiklių prie aliuminio pagrindo. Aukščiau esančioje nuotraukoje parodytas bandymų stendas. Tvirtinimo laikikliai yra lengvai prieinami „Amazon“ir „Ebay“.

Magnetinių dalelių stabdžių stabdymo momentas yra proporcingas apvijos srovei. Norėdami kalibruoti stabdį, bet kuris iš dviejų sukimo momento atsuktuvų buvo prijungtas prie veleno priešingoje stabdžio pusėje kaip žingsninis variklis. Naudoti du atsuktuvai buvo „McMaster Carr“dalių numeriai 5699A11 ir 5699A14. Pirmojo sukimo momento diapazonas yra 6 in-lb = 0,678 N-m, o antrojo-25 in-lb = 2,825 N-m. Srovė buvo tiekiama iš kintamo nuolatinės srovės maitinimo šaltinio CSI5003XE (50 V/3A). Aukščiau esančioje diagramoje rodomas išmatuotas sukimo momentas ir srovė.

Atkreipkite dėmesį, kad šiuose bandymuose dominančiame diapazone stabdymo momentas gali būti artimas tiesiniam ryšiui Sukimo momentas (N-m) = 1,75 x stabdžių srovė (A).

3 veiksmas: pasirinkite galimus variklio tvarkykles

Pakopiniai varikliai gali būti varomi, kai viena apvija yra visiškai aktyvi vienu metu, paprastai vadinama VIENU žingsniu, abi apvijos yra visiškai aktyvios (dvigubas pakopinis) arba abi apvijos yra iš dalies aktyvios (MICROSTEPPING). Šioje programoje mus domina maksimalus sukimo momentas, todėl naudojamas tik DUPLAS žingsnis.

Sukimo momentas yra proporcingas apvijos srovei. Žingsninis variklis gali būti varomas pastovia įtampa, jei apvijos varža yra pakankamai didelė, kad pastovios būsenos srovė būtų apribota iki vardinės variklio vertės. „Adafruit #1438 Motorshield“naudoja pastovios įtampos tvarkykles (TB6612FNG), kurių nominali įtampa yra 15 VDC, ne didesnė kaip 1,2 amperų. Ši tvarkyklė yra didesnė lenta, parodyta pirmoje nuotraukoje aukščiau (be dviejų dukterinių plokščių kairėje).

Pastovios įtampos tvarkyklės veikimas yra ribotas, nes srovė greičiu yra labai sumažinta dėl apvijos induktyvumo ir galinio EMF. Alternatyvus būdas yra pasirinkti variklį su mažesne varža ir indukcine apvija ir važiuoti nuolatine srove. Pastovi srovė gaunama moduliuojant taikomą įtampą impulsų pločiui.

Puikus prietaisas, naudojamas nuolatinei srovei užtikrinti, yra „Texas Instruments“pagamintas DRV8871. Šiame mažame IC yra H tiltas su vidine srovės prasme. Norint nustatyti norimą pastovią (arba didžiausią) srovę, naudojamas išorinis rezistorius. IC automatiškai atjungia įtampą, kai srovė viršija užprogramuotą vertę, ir vėl ją taiko, kai ji nukrenta žemiau tam tikros ribos.

DRV8871 nominali įtampa yra 45 VDC, maksimali - 3,6 amperų. Jame yra vidinė perkaitimo jutimo grandinė, kuri atjungia įtampą, kai jungties temperatūra pasiekia 175 laipsnių C. IC yra tik 8 kontaktų HSOP pakuotėje, kurios apatinėje pusėje yra šiluminė pagalvė. TI parduoda kūrimo plokštę, kurioje yra vienas IC (vieno žingsnio varikliui reikalingi du), tačiau tai labai brangu. „Adafruit“ir kiti parduoda nedidelę prototipų plokštę („Adafruit“#3190). Bandymui du iš jų buvo sumontuoti už „Adafruit Motorshield“, kaip parodyta pirmoje aukščiau esančioje nuotraukoje.

Dabartines TB6612 ir DRV8871 pavaros galimybes praktiškai riboja temperatūros pakilimas dalių viduje. Tai priklausys nuo dalių šilumos nuskendimo ir aplinkos temperatūros. Atliekant mano kambario temperatūros bandymus, DRV8871 dukterinės plokštės („Adafruit #3190“) pasiekė viršijančias temperatūros ribas maždaug per 30 sekundžių esant 2 amperų stiprumui, o pakopiniai varikliai tampa labai nepastovūs (vienas etapas su pertrūkiais, kai įjungiama ir išjungiama per aukšta temperatūra). Vis dėlto naudoti DRV8871 kaip dukterines plokštes yra nesąmonė, todėl buvo sukurtas naujas skydas („AutoShade #100105“), kuriame yra keturios tvarkyklės, kad būtų galima valdyti dviejų pakopų variklius. Ši plokštė buvo suprojektuota taip, kad iš abiejų pusių būtų daug įžeminimo plokštės, kad būtų galima nugriauti IC. „Arduino“naudoja tą pačią serijinę sąsają kaip ir „Adafruit Motorshield“, todėl tvarkyklėms galima naudoti tą pačią bibliotekos programinę įrangą. Antroje aukščiau esančioje nuotraukoje parodyta ši plokštė. Norėdami gauti daugiau informacijos apie „AutoShade #100105“, žr. „Amazon“arba „AutoShade.mx“svetainės sąrašą.

Mano šešėlių ekrano programoje užtrunka nuo 15 iki 30 sekundžių pakelti arba sumažinti kiekvieną atspalvį, priklausomai nuo greičio nustatymo ir atspalvio atstumo. Todėl srovė turėtų būti ribojama taip, kad veikimo metu niekada nebūtų pasiekta perkaitimo riba. Laikas pasiekti 100105 viršytos temperatūros ribas yra ilgesnis nei 6 minutės, kai srovės riba yra 1,6 ampero, ir ilgesnis nei 1 minutė, kai srovės riba yra 2,0 amperų.

4 veiksmas: pasirinkite „Candidate Step Motors“

„Circuit Specialists“turi du 23 dydžio pakopinius variklius, kurie užtikrina reikiamą 8 kg-cm sukimo momentą. Abu turi dviejų fazių apvijas su centriniais čiaupais, todėl jas galima sujungti taip, kad būtų sukamos visos apvijos arba pusės apvijos. Šių variklių specifikacijos išvardytos dviejose aukščiau esančiose lentelėse. Abu varikliai yra beveik identiški mechaniškai, tačiau elektra variklis 104 turi daug mažesnį pasipriešinimą ir induktyvumą nei 207 variklis. Beje, elektros specifikacijos skirtos pusiau ritės sužadinimui. Kai naudojama visa apvija, varža padvigubėja, o induktyvumas padidėja 4 kartus.

5 žingsnis: išmatuokite kandidatų sukimo momentą ir greitį

Naudojant dinamometrą (ir modeliavimą) buvo nustatytos daugelio variklio/apvijos/srovės pavaros konfigūracijų sukimo momento ir greičio kreivės. Šiems bandymams dinamometrui paleisti naudojamą programą (eskizą) galima atsisiųsti iš „AutoShade.mx“svetainės.

6 žingsnis: 57BYGH207 pusės ritės pastovios įtampos pavara esant nominaliai srovei

Variklis 57BYGH207 su puse ritės, varomas esant 12 V įtampai (pastovios įtampos režimas), sukuria 0,4 ampero galią ir buvo originali pavaros konfigūracija. Šį variklį galima valdyti tiesiai iš „Adafruit #1434 Motorshield“. Aukščiau pateiktame paveikslėlyje parodytos imituotos ir išmatuotos sukimo momento greičio charakteristikos kartu su blogiausiu atveju trintimi. Ši konstrukcija yra gerokai mažesnė už norimą sukimo momentą, reikalingą darbui esant 200–400 žingsnių per sekundę.

7 žingsnis: 57BYGH207 pusės ritės pastovios srovės pavara esant nominaliai srovei

Padvigubinus įtampą, bet naudojant smulkintuvo pavarą, siekiant apriboti srovę iki 0,4 amperų, žymiai pagerėja našumas, kaip parodyta aukščiau. Toliau padidinus įtampą, našumas dar labiau pagerėtų. Tačiau veikimas virš 12 V nuolatinės srovės yra nepageidautinas dėl kelių priežasčių.

· DRV8871 įtampa ribojama iki 45 VDC

· Aukštesnės įtampos sieniniai maitinimo šaltiniai nėra tokie įprasti ir brangesni

· Įtampos reguliatoriai, naudojami tiekti 5 V nuolatinės srovės maitinimą „Arduino“konstrukcijoje naudojamai loginei grandinei, yra ne daugiau kaip 15 V nuolatinės srovės. Taigi norint valdyti variklius esant aukštesnei įtampai, reikėtų dviejų maitinimo šaltinių.

8 žingsnis: 57BYGH207 visos ritės pastovios srovės pavara esant nominaliai srovei

Į tai buvo žiūrima naudojant simuliaciją, bet neišbandyta, nes neturėjau 48 V maitinimo šaltinio. Sukimo momentas esant mažam greičiui padvigubėja, kai visa ritė važiuojama esant vardinei srovei, tačiau vėliau greičiui sumažėja greičiau.

9 žingsnis: 57BYGH104 visos ritės pastovios srovės pavara esant ½ vardinei srovei

Naudojant 12 V nuolatinę srovę ir 1,0 A srovę, gaunamos aukščiau pateiktos sukimo momento greičio charakteristikos. Bandymo rezultatai atitinka 400 žingsnių per sekundę veikimo reikalavimus.

10 žingsnis: 57BYGH104 visos ritės pastovios srovės pavara esant 3/4 vardinei srovei

Padidinus apvijų sroves iki 1,6 amperų, sukimo momento riba žymiai padidėja.

11 veiksmas: 57BYGH104 visos ritės pastovios srovės pavara esant nominaliai srovei

Jei apvijų srovės padidinamos iki 2A, o sukimo momentas padidėja, kaip parodyta aukščiau, bet ne tiek, kiek prognozuotų modeliavimas. Taigi realybėje vyksta kažkas, kas riboja sukimo momentą šiose didesnėse srovėse.

12 žingsnis: Galutinis pasirinkimas

Naudoti visą ritę, o ne pusę yra tikrai geriau, tačiau tai nėra pageidautina naudojant 207 variklį, nes reikalinga didesnė įtampa. Variklis 104 leidžia veikti esant žemesnei įtampai. Todėl pasirinktas šis variklis.

Visas variklio 57BYGH104 ritės atsparumas yra 2,2 omai. Vairuotojo FETS varža DRV8871 yra apie 0,6 omo. Įprastas laidų atsparumas varikliams ir iš jų yra apie 1 omas. Taigi vienoje variklio grandinėje išsisklaidžiusi galia yra apvijos srovė kvadratu 3,8 omo. Bendra galia yra dvigubai didesnė, nes abi apvijos varomos tuo pačiu metu. Pirmiau aptartų apvijų srovių rezultatai pateikti šioje lentelėje.

Variklio srovių apribojimas iki 1,6 amperų leidžia naudoti mažesnį ir pigesnį 24 vatų maitinimo šaltinį. Prarandama labai maža sukimo momento riba. Be to, žingsniniai varikliai nėra tylūs įtaisai. Važiuojant juos didesne srove, jie tampa garsesni. Taigi, siekiant mažesnės galios ir tylesnio veikimo, dabartinė riba buvo pasirinkta 1,6 amperų.