Выбор шагового двигателя и драйвера для проекта автоматического затенения Arduino: 12 шагов (с изображениями)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:51

В этом руководстве я расскажу о шагах, которые я предпринял, чтобы выбрать шаговый двигатель и драйвер для прототипа проекта автоматического затенения. Шторы - это популярные и недорогие модели с ручным приводом Coolaroo, и я хотел заменить ручные кривошипы шаговыми двигателями и центральным контроллером, который можно было бы запрограммировать для подъема и опускания шторы в зависимости от расчетного времени восхода и захода солнца. Проект прошел как минимум пять итераций в продукт, который вы можете найти на Amazon.com или AutoShade.mx, но процесс выбора шагового двигателя и его электроники драйвера должен быть применим ко многим другим проектам на основе Arduino.

Первоначальной конфигурацией, выбранной для прототипа электроники, был процессор Arduino Uno (Rev 3) (Adafruit # 50) с платами для отображения (Adafruit # 399), синхронизация часов реального времени (Adafruit # 1141) и драйверы двухшаговых двигателей (Adafruit # 1438).). Все платы связываются с процессором через последовательный интерфейс I2C. Для всего этого доступны программные драйверы, что значительно упрощает разработку контроллера затемняющего экрана.

Шаг 1. Определите требования

Шторы должны срабатывать как минимум так же быстро, как при ручном проворачивании. Постоянная скорость вращения вручную может составлять 1 кривошип в секунду. Большинство шаговых двигателей имеют размер шага 1,8 градуса или 200 шагов на оборот. Таким образом, минимальная скорость шага должна составлять около 200 шагов в секунду. Вдвойне это было бы даже лучше.

Крутящий момент для подъема или опускания шторы через червячную передачу Coolaroo был измерен на 9 шторах в верхней и нижней части их хода с помощью калиброванной динамометрической отвертки (McMaster Carr № 5699A11 с диапазоном +/- 6 дюймов на фунт). Это был крутящий момент «отрыва», и он сильно варьировался. Минимальное значение составляло 0,25 дюйма на фунт, а максимальное - 3,5 дюйма на фунт. Правильная метрическая единица измерения крутящего момента - Н-м, а 3 фунта-дюйма - это 0,40 Н-м, которые я использовал в качестве номинального «момента трения».

Поставщики шаговых двигателей почему-то указывают крутящий момент двигателя в единицах кг-см. Вышеуказанный минимальный крутящий момент 0,4 Н-м составляет 4,03 кг-см. Для приличного запаса крутящего момента мне нужен двигатель, способный развивать вдвое больше, или около 8 кг-см. Просмотр шаговых двигателей, перечисленных в списке специалистов по схемам, быстро показал, что мне нужен двигатель типоразмера 23. Они доступны в коротких, средних и длинных стопках и с различными намотками.

Шаг 2. Создайте динамометр

Шаговые двигатели имеют четкую характеристику крутящего момента в зависимости от скорости, которая зависит от способа вращения их обмоток. Есть две причины, по которым крутящий момент уменьшается со скоростью. Во-первых, в обмотках возникает обратная ЭДС (напряжение), противодействующая приложенному напряжению. Во-вторых, индуктивность обмотки противодействует изменению тока, происходящему с каждым шагом.

Производительность шагового двигателя можно предсказать с помощью динамического моделирования и измерить с помощью динамометра. Я сделал и то, и другое, но не буду обсуждать моделирование, потому что тестовые данные действительно являются проверкой точности моделирования.

Динамометр позволяет измерять крутящий момент двигателя при работе с контролируемой скоростью. Откалиброванный тормоз с магнитными частицами передает крутящий момент на двигатель. Нет необходимости измерять скорость, поскольку она будет равна скорости шага двигателя до тех пор, пока крутящий момент нагрузки не превысит его возможности. Как только это происходит, мотор теряет синхронизацию и издает громкий грохот. Процедура проверки состоит из задания постоянной скорости, медленного увеличения тока через тормоз и регистрации его значения непосредственно перед тем, как двигатель потеряет синхронизацию. Это повторяется на разных скоростях и отображается как зависимость крутящего момента от скорости.

В качестве тормозов с магнитными частицами выбрана модель B25P-10-1 от Placid Industries, приобретенная на Ebay. Эта модель больше не указана на веб-сайте производителя, но, судя по номеру детали, она рассчитана на максимальный крутящий момент 25 дюйм-фунт = 2,825 Н-м, а катушка рассчитана на 10 В постоянного тока (макс.). Это идеально подходит для испытаний рассматриваемых двигателей типоразмера 23, которые рассчитаны на максимальный крутящий момент около 1,6 Нм. Кроме того, этот тормоз имел пилотное отверстие и монтажные отверстия, идентичные тем, которые используются в двигателях NMEA 23, поэтому его можно было установить с помощью монтажного кронштейна того же размера, что и у двигателя. Двигатели имеют валы дюйма, а тормоз - ½ дюйма, поэтому на Ebay был приобретен адаптер гибкой муфты с валами того же размера. Все, что требовалось, - это установить на два кронштейна к алюминиевому основанию. На фотографии выше показан испытательный стенд. Монтажные кронштейны легко доступны на Amazon и Ebay.

Тормозной момент магнитно-порошкового тормоза пропорционален току обмотки. Для калибровки тормоза одна из двух отверток для измерения крутящего момента была подключена к валу на стороне тормоза, противоположной шаговому двигателю. Две использованные отвертки имели номера деталей McMaster Carr 5699A11 и 5699A14. Первый имеет максимальный диапазон крутящего момента 6 дюйм-фунт = 0,678 Н-м, а второй имеет максимальный диапазон крутящего момента 25 дюйм-фунт = 2,825 Н-м. Ток подавался от источника переменного тока CSI5003XE (50 В / 3 А) постоянного тока. График выше показывает измеренный крутящий момент в зависимости от тока.

Обратите внимание, что в диапазоне, представляющем интерес для этих испытаний, тормозной момент может быть точно аппроксимирован линейной зависимостью крутящий момент (Н-м) = 1,75 x ток торможения (A).

Шаг 3. Выберите подходящие драйверы шагового двигателя

Шаговые двигатели могут приводиться в действие с одной полностью активной обмоткой в то время, которое обычно называется ОДИНОЧНЫМ шаговым режимом, обе обмотки полностью активны (ДВОЙНОЙ шаг) или обе обмотки частично активны (МИКРОСТЭПИНГ). В этом приложении нас интересует максимальный крутящий момент, поэтому используется только ДВОЙНОЙ шаг.

Крутящий момент пропорционален току обмотки. Шаговый двигатель может работать с постоянным напряжением, если сопротивление обмотки достаточно велико, чтобы ограничить установившийся ток до номинального значения для двигателя. В Adafruit # 1438 Motorshield используются драйверы постоянного напряжения (TB6612FNG), рассчитанные на 15 В постоянного тока, максимум 1,2 А. Этот драйвер представляет собой большую плату, показанную на первом фото выше (без двух дочерних плат слева).

Производительность с драйвером постоянного напряжения ограничена, потому что ток на скорости значительно снижается из-за индуктивности обмотки и обратной ЭДС. Альтернативный подход - выбрать двигатель с меньшим сопротивлением и обмоткой индуктивности и управлять им постоянным током. Постоянный ток создается широтно-импульсной модуляцией приложенного напряжения.

Отличным устройством, используемым для обеспечения постоянного тока, является DRV8871 производства Texas Instruments. Эта небольшая ИС содержит Н-мост с внутренним датчиком тока. Внешний резистор используется для установки желаемого постоянного (или максимального) тока. ИС автоматически отключает напряжение, когда ток превышает запрограммированное значение, и повторно подает его, когда оно падает ниже некоторого порога.

DRV8871 рассчитан на 45 В постоянного тока, максимум 3,6 А. Он содержит внутреннюю схему определения перегрева, которая отключает напряжение, когда температура перехода достигает 175 ° C. ИС доступна только в 8-выводном корпусе HSOP, который имеет термопрокладку на нижней стороне. TI продает отладочную плату, содержащую одну микросхему (для одного шагового двигателя требуются две), но это очень дорого. Adafruit и другие продают небольшую макетную доску (Adafruit № 3190). Для тестирования два из них были установлены за бортом Adafruit Motorshield, как показано на первой фотографии выше.

Текущие возможности привода TB6612 и DRV8871 на практике ограничены повышением температуры внутри деталей. Это будет зависеть от теплоотвода деталей, а также от температуры окружающей среды. В моих тестах при комнатной температуре дочерние платы DRV8871 (Adafruit # 3190) достигли предельных значений температуры примерно за 30 секунд при 2 амперах, а шаговые двигатели стали очень неустойчивыми (однофазные с перебоями при включении и выключении цепи перегрева). В любом случае использование DRV8871 в качестве дочерних плат представляет собой путаницу, поэтому был разработан новый экран (AutoShade # 100105), который содержит четыре драйвера для работы двух шаговых двигателей. Эта плата была разработана с большим количеством заземляющих пластин с обеих сторон для теплоотвода микросхем. Он использует тот же последовательный интерфейс для Arduino, что и Adafruit Motorshield, поэтому для драйверов можно использовать то же программное обеспечение библиотеки. На втором фото выше показана эта печатная плата. Дополнительные сведения об AutoShade # 100105 см. В списке на Amazon или на веб-сайте AutoShade.mx.

В моем приложении для затемнения каждого оттенка требуется от 15 до 30 секунд, в зависимости от настройки скорости и расстояния между ними. Следовательно, ток должен быть ограничен таким образом, чтобы предел превышения температуры никогда не достигался во время работы. Время достижения предела превышения температуры на 100105 составляет более 6 минут при ограничении тока 1,6 А и более 1 минуты при ограничении тока 2,0 А.

Шаг 4: Выберите подходящие шаговые двигатели

Специалисты по схемам имеют два шаговых двигателя типоразмера 23, которые обеспечивают требуемый крутящий момент 8 кг-см. Оба имеют двухфазные обмотки с центральными отводами, поэтому их можно соединить таким образом, чтобы приводились в движение либо полные обмотки, либо половинные обмотки. Технические характеристики этих двигателей перечислены в двух таблицах выше. Оба двигателя почти идентичны механически, но электрически двигатель 104 имеет гораздо меньшее сопротивление и индуктивность, чем двигатель 207. Кстати, электрические характеристики указаны для возбуждения полукатушки. Когда используется вся обмотка, сопротивление удваивается, а индуктивность увеличивается в 4 раза.

Шаг 5: Измерьте крутящий момент относительно скорости кандидатов

С помощью динамометра (и моделирования) были определены кривые зависимости крутящего момента от скорости для ряда конфигураций двигатель / обмотка / привод тока. Программу (эскиз), используемую для запуска динамометра для этих тестов, можно загрузить с веб-сайта AutoShade.mx.

Шаг 6: Привод постоянного напряжения полукатушки 57BYGH207 при номинальном токе

Двигатель 57BYGH207 с половинной катушкой, управляемой напряжением 12 В (режим постоянного напряжения), дает 0,4 А и был исходной конфигурацией привода. Этот двигатель может управляться напрямую от Adafruit # 1434 Motorshield. На приведенном выше рисунке показаны смоделированные и измеренные характеристики крутящего момента и скорости вместе с трением в наихудшем случае. Эта конструкция намного ниже желаемого крутящего момента, необходимого для работы со скоростью от 200 до 400 шагов в секунду.

Шаг 7: Привод постоянного тока половинной катушки 57BYGH207 при номинальном токе

Удвоение приложенного напряжения, но использование привода прерывателя для ограничения тока до 0,4 А значительно улучшает характеристики, как показано выше. Дальнейшее увеличение приложенного напряжения еще больше улучшит характеристики. Но работа выше 12 В постоянного тока нежелательна по нескольким причинам.

· DRV8871 ограничен по напряжению до 45 В постоянного тока

· Источники питания с более высоким напряжением для настенного монтажа не так распространены и стоят дороже

· Регуляторы напряжения, используемые для питания 5 В постоянного тока для логических схем, используемых в конструкции Arduino, ограничены до 15 В постоянного тока. Таким образом, для работы двигателей с более высоким напряжением потребуются два источника питания.

Шаг 8: Привод постоянного тока полной катушки 57BYGH207 при номинальном токе

Это было рассмотрено при моделировании, но не проверено, потому что у меня не было источника питания на 48 В. Крутящий момент на низких скоростях удваивается, когда вся катушка приводится в действие номинальным током, но затем падает быстрее с увеличением скорости.

Шаг 9: Привод постоянного тока полной катушки 57BYGH104 при ½ номинального тока

При 12 В постоянного тока и токе 1,0 А приведенная выше характеристика крутящего момента-скорости дает результаты. Результаты тестирования соответствуют требованиям для работы со скоростью 400 шагов в секунду.

Шаг 10: Привод постоянного тока полной катушки 57BYGH104 при 3/4 номинального тока

Увеличение токов обмоток до 1,6 ампер значительно увеличивает запас крутящего момента.

Шаг 11: Привод постоянного тока полной катушки 57BYGH104 при номинальном токе

Если токи в обмотках увеличиваются до 2 А, а крутящий момент увеличивается, как показано выше, но не так сильно, как предсказывает моделирование. Так что на самом деле происходит что-то, что ограничивает крутящий момент при этих более высоких токах.

Шаг 12: окончательный выбор

Определенно лучше использовать полную катушку, а не половину, но это нежелательно для двигателя 207 из-за того, что требуется более высокое напряжение. Двигатель 104 позволяет работать при более низком подаваемом напряжении. Поэтому выбран этот двигатель.

Полное сопротивление катушки двигателя 57BYGH104 составляет 2,2 Ом. Сопротивление полевых транзисторов драйвера в DRV8871 составляет около 0,6 Ом. Типичное сопротивление проводки к двигателям и от двигателей составляет около 1 Ом. Таким образом, мощность, рассеиваемая в одной цепи двигателя, равна квадрату тока обмотки, умноженному на 3,8 Ом. Общая мощность вдвое больше, так как обе обмотки приводятся в действие одновременно. Для токов обмоток, рассмотренных выше, результаты показаны в этой таблице.

Ограничение тока двигателя до 1,6 А позволяет нам использовать меньший и менее дорогой блок питания на 24 Вт. Теряется очень небольшой запас крутящего момента. Кроме того, шаговые двигатели не являются тихими устройствами. При более высоком токе они становятся громче. Поэтому в целях снижения мощности и более тихой работы предел тока был выбран равным 1,6 ампера.