בחירת מנוע צעד ומנהג עבור פרויקט מסך צל אוטומטי של Arduino: 12 שלבים (עם תמונות)

2024 מְחַבֵּר: John Day | [email protected]. שונה לאחרונה: 2024-01-30 09:14

במדריך זה אעבור על השלבים שנקטתי בבחירת מנוע ונהג צעד עבור פרוייקט מסך צל אוטומטי של אב טיפוס. מסכי הצללים הם הדגמים הפופולריים והזולים של Coolaroo, ורציתי להחליף את הארכובות הידיים במנועי צעד ובקר מרכזי שניתן לתכנת להעלות ולהוריד את הגוונים בהתבסס על זריחת השמש ומחושבי השקיעות. הפרויקט התפתח באמצעות חמישה איטרציות לפחות למוצר שתוכל למצוא ב- Amazon.com או ב- AutoShade.mx, אך התהליך לבחירת מנוע הצעד ואלקטרוניקה לנהג שלו הוא כזה שאמור להתאים לפרויקטים רבים אחרים המבוססים על Arduino.

התצורה הראשונית שנבחרה לאב טיפוס האלקטרוניקה הייתה מעבד Arduino Uno (Rev 3) (Adafruit #50) עם לוחות לתצוגה (Adafruit #399), תזמון שעון בזמן אמת (Adafruit #1141) ונהגי מנוע כפולים (Adafruit #1438). כל הלוחות מתקשרים עם המעבד באמצעות ממשק I2C טורי. מנהלי תוכנה זמינים לכל אלה מה שהופך את הפיתוח של בקר מסך הגוון לפשוט הרבה יותר.

שלב 1: קבע את הדרישות

הגוונים צריכים לפעול לפחות באותה מהירות כמו בכף יד. מהירות האחיזה ביד מתמשכת עשויה להיות כננת אחת לשנייה. לרוב מנועי הצעדים יש צעד צעד של 1.8 מעלות, או 200 צעדים לכל סיבוב. אז מהירות הצעד המינימלית צריכה להיות בערך 200 צעדים בשנייה. פעמיים זה יהיה אפילו טוב יותר.

המומנט להעלות או להוריד את הגוון באמצעות גלגל התולעים של Coolaroo נמדד על 9 מסכי צל בחלק העליון והתחתון של נסיעתם באמצעות מברג מומנט מכויל (McMaster Carr #5699A11 בעל טווח של +/- 6 אינץ '). זה היה מומנט ה"פריצה ", והוא השתנה מאוד. המינימום היה 0.25 אינץ 'והמקסימום היה 3.5 אינץ'. יחידת המידה המטרית הנכונה למומנט היא N-m ו- 3 in-lbs היא.40 N-m בה השתמשתי כ"מומנט החיכוך "הנומינלי.

ספקי מנוע סטפ מציינים מסיבה מסוימת את מומנט המנוע ביחידות של ק"ג-ס"מ. המומנט המינימלי לעיל של 0.4 ננומטר הוא 4.03 ק"ג-ס"מ. למרווח מומנט הגון רציתי מנוע שמסוגל לספק פי שניים או בערך 8 ק"ג. עיון במנועי הצעד המפורטים במומחי המעגלים הצביע במהירות על כך שאני צריך מנוע בגודל 23. אלה זמינים באורכי ערימה קצרים, בינוניים וארוכים ובמגוון פיתולים.

שלב 2: בנה דינמומטר

למנועי צעד יש מאפיין מובהק לעומת מהירות שתלוי באופן שבו מפותלים את הפיתולים שלהם. ישנן שתי סיבות לכך שהמומנט יורד עם המהירות. הראשון הוא ש- EMF אחורי (מתח) מפותח בפיתולים המתנגד למתח המופעל. שנית, השראות המתפתלת מתנגדת לשינוי הזרם המתרחש בכל שלב.

ניתן לחזות את הביצועים של מנוע צעד באמצעות סימולציה דינאמית, וניתן למדוד אותו באמצעות דינמומטר. עשיתי את שניהם, אך לא אדון בסימולציה מכיוון שנתוני הבדיקה הם באמת בדיקה של דיוק הסימולציה.

דינמומטר מאפשר מדידת כושר המומנט של המנוע בזמן ריצה במהירות מבוקרת. בלם חלקיקים מגנטיים מכויל מפעיל את מומנט העומס על המנוע. אין צורך למדוד את המהירות מכיוון שהיא תהיה שווה לקצב הצעד של המנוע עד שמומנט העומס יעלה על יכולת המנוע. ברגע שזה קורה, המנוע מאבד את הסנכרון ויוצר מחבט חזק. הליך הבדיקה מורכב מפקודה על מהירות קבועה, הגדלה איטית של הזרם דרך הבלם, וציין את ערכו רגע לפני שהמנוע מאבד את הסינכרון. זה חוזר על עצמו במהירויות שונות ומתואם כמומנט מול מהירות.

בלם החלקיקים המגנטי שנבחר הוא מדגם Placid Industries B25P-10-1 שנרכש ב- eBay. דגם זה אינו מופיע עוד באתר האינטרנט של היצרן, אך ממספר החלק הוא מדורג לספק מומנט שיא של 25 אינץ '= 2.825 ננומטר, והסליל מיועד ל- 10 VDC (מקסימום). זה מתאים באופן אידיאלי לבדיקת מנועי גודל 23 הנחשבים, המדורגים לייצר מומנט שיא של כ -1.6 ננומטר. בנוסף, בלם זה הגיע עם חור טייס וחורי הרכבה זהים לאלה המשמשים במנועי NMEA 23, כך שניתן יהיה להתקין אותו באמצעות סוגר הרכבה באותו גודל כמו המנוע. למנועים יש פירים בגודל ¼ אינץ 'והבלם הגיע עם פיר inch אינץ' כך שנרכש מתאם צימוד גמיש עם פירים באותו גודל גם ב- eBay. כל מה שנדרש היה הרכבה לשני סוגריים לבסיס אלומיניום. התצלום למעלה מציג את עמדת הבדיקה. סוגרי ההרכבה זמינים בקלות באמזון ובאיביי.

מומנט הבלימה של בלם החלקיקים המגנטי פרופורציונאלי לזרם המתפתל. כדי לכייל את הבלם, אחד משני מברגי מדידת מומנט היו מחוברים לפיר בצד הנגדי של הבלם כמנוע המדרגה. שני המברגים שהיו בשימוש היו מספרי חלק McMaster Carr 5699A11 ו- 5699A14. לטווח הראשון יש טווח מומנט מרבי של 6 in-lb = 0.678 N-m ולשני יש טווח מומנט מרבי של 25 in-lb = 2.825 N-m. הזרם סופק מספק כוח DC משתנה CSI5003XE (50 V/3A). התרשים למעלה מציג את המומנט הנמדד לעומת הזרם.

שים לב כי בטווח העניין של בדיקות אלה, ניתן לקרב את מומנט הבלימה באופן הדוק על ידי מערכת היחסים הלינארית מומנט (N-m) = 1.75 x זרם הבלמים (A).

שלב 3: בחר מנהלי התקנים ממונעים

מנועי צעד עשויים להיות מונעים כאשר סלילה אחת פעילה במלואה בכל פעם שנקראת דריכת יחיד, שני הפיתולים פעילים במלואם (דריכה כפולה) או שניהם המתפתלים פעילים חלקית (MICROSTEPPING). ביישום זה, אנו מעוניינים במומנט מרבי, כך שמשתמשים רק בדריכה כפולה.

המומנט פרופורציונלי לזרם המתפתל. מנוע צעד עשוי להיות מונע במתח קבוע אם ההתנגדות המתפתלת גבוהה מספיק כדי להגביל את זרם המצב היציב לערך המדורג של המנוע. Adafruit #1438 Motorshield משתמש במנהלי מתח קבוע (TB6612FNG) המדורגים על 15 VDC, מקסימום 1.2 אמפר. נהג זה הוא הלוח הגדול יותר המוצג בתמונה הראשונה למעלה (ללא שני לוחות הבת בצד שמאל).

הביצועים עם נהג מתח קבוע מוגבלים מכיוון שהזרם במהירות מופחת במידה ניכרת הן בשל השראות המתפתלת והן מה- EMF האחורי. גישה חלופית היא בחירת מנוע בעל התנגדות נמוכה והתפתלות השראות והנעתו בזרם קבוע. הזרם הקבוע מיוצר על ידי רוחב הדופק המווסת את המתח המופעל.

מכשיר נהדר המשמש לאספקת הכונן הנוכחי הקבוע הוא DRV8871 מתוצרת Texas Instruments. IC קטן זה מכיל גשר H בעל חוש זרם פנימי. נגד חיצוני משמש לקביעת הזרם הקבוע (או המרבי) הרצוי. ה- IC מנתק אוטומטית את המתח כאשר הזרם חורג מהערך המתוכנת ומפעיל אותו מחדש כשהוא יורד מתחת לסף כלשהו.

DRV8871 מדורג ב- 45 VDC, מקסימום 3.6 אמפר. הוא מכיל מעגל חישה פנימי של טמפרטורת יתר המנתק את המתח כאשר טמפרטורת הצומת מגיעה ל -175 מעלות. TI מוכרת לוח פיתוח המכיל IC אחד (שניים נדרשים עבור מנוע צעד אחד), אך הוא יקר מאוד. Adafruit ואחרים מוכרים לוח אב טיפוס קטן (Adafruit #3190). לצורך הבדיקה, שניים מהם הותקנו מחוץ למכונית Adafruit Motorshield כפי שמוצג בתמונה הראשונה למעלה.

יכולות ההנעה הנוכחיות הן של TB6612 והן של DRV8871 מוגבלות בפועל בעליית הטמפרטורה בתוך החלקים. זה יהיה תלוי בחום החום של החלקים כמו גם בטמפרטורת הסביבה. במבחני טמפרטורת החדר שלי, לוחות הבת DRV8871 (Adafruit #3190) הגיעו למגבלות הטמפרטורה שלהם תוך כ -30 שניות בשני אמפר, ומנועי הצעד הופכים מאוד לא יציבים (שלב אחד לסירוגין כאשר מעגל הטמפרטורה החורג נכנס ונכנס). השימוש במכשירי DRV8871 כלוחות הבת הוא ממילא בלעז, ולכן תוכנן מגן חדש (AutoShade #100105) המכיל ארבעה מהנהגים על מנת להפעיל שני מנועים שלבים. לוח זה תוכנן עם כמות גדולה של מטוס קרקע משני הצדדים כדי להטביע את מכשירי ה- IC. הוא משתמש באותו ממשק סידורי ל- Arduino כמו Adafruit Motorshield, כך שניתן להשתמש באותה תוכנת ספרייה עבור מנהלי ההתקן. התמונה השנייה למעלה מציגה לוח מעגלים זה. למידע נוסף על AutoShade #100105, עיין ברישום באמזון או באתר AutoShade.mx.

ביישום מסך הגוון שלי, לוקח 15 עד 30 שניות להעלות או להוריד כל גוון בהתאם להגדרת המהירות ומרחק הגוון. לכן יש להגביל את הזרם כך שמעולם לא יגיע הגבול לטמפרטורת יתר במהלך הפעולה. הזמן להגיע למגבלות טמפרטורת יתר ב- 100105 גדול מ- 6 דקות עם מגבלת זרם של 1.6 אמפר ויותר מדקה עם מגבלת זרם של 2.0 אמפר.

שלב 4: בחר Candidate Step Motors

למומחי המעגלים שני מנועים בגודל 23 צעדים המספקים את מומנט ה -8 ק ג הנדרש. לשניהם יש פיתולים דו פאזיים עם ברזים מרכזיים, כך שניתן לחבר אותם כך שההסבכות המלאות או חצי הפיתולים מונעים. המפרט של מנועים אלה מופיע בשתי הטבלאות לעיל. שני המנועים כמעט זהים מבחינה מכנית, אך מבחינה חשמלית יש למנוע 104 התנגדות והשראות נמוכים בהרבה מהמנוע 207. אגב, המפרט החשמלי מיועד לחצי סליל. כאשר משתמשים בפיתול כולו ההתנגדות מכפילה והשראות עולה בפקטור 4.

שלב 5: מדידת מומנט לעומת מהירות המועמדים

באמצעות הדינמומטר (והסימולציה) נקבע עקומות המומנט לעומת המהירות למספר תצורות מנוע/סלילה/כונן הנוכחי. ניתן להוריד את התוכנית (סקיצה) המשמשת להפעלת הדינמומטר לבדיקות אלה מאתר AutoShade.mx.

שלב 6: כונן מתח קבוע של חצי סליל 57BYGH207 בזרם מדורג

מנוע 57BYGH207 עם חצי סליל מונע ב- 12V (מצב מתח קבוע) מביא 0.4 אמפר והיה תצורת הכונן המקורית. מנוע זה יכול להיות מונע ישירות מ- Adafruit #1434 Motorshield. האיור לעיל מציג את מאפייני מהירות המומנט המדומים ונמדדים יחד עם החיכוך במקרה הגרוע ביותר. עיצוב זה נופל הרבה מתחת למומנט הרצוי הנדרש להפעלה ב -200 עד 400 צעדים בשנייה.

שלב 7: כונן זרם קבוע של 57BYGH207 סליל חצי בזרם מדורג

הכפלת המתח המופעל אך שימוש בכונן המסוק להגבלת הזרם ל- 0.4 אמפר משפר את הביצועים באופן משמעותי כפי שמוצג למעלה. הגדלת המתח המיושם עוד יותר תשפר את הביצועים עוד יותר. אך פעולה מעל 12 VDC אינה רצויה מכמה סיבות.

· DRV8871 מתח מוגבל ל- 45 VDC

· ספקי כוח בקיר בעלי מתח גבוה אינם נפוצים כל כך והם יקרים יותר

· וויסות המתח המשמשים לאספקת 5 VDC למעגל הלוגי המשמש בעיצוב Arduino מוגבלים ל- 15 VDC לכל היותר. אז הפעלת המנועים במתח גבוה מזה תדרוש שני ספקי כוח.

שלב 8: כונן זרם קבוע של 57BYGH207 סליל מלא בזרם מדורג

זה נבדק עם הסימולציה אך לא נבדק מכיוון שלא היה לי ספק כוח של 48 וולט. המומנט במהירויות נמוכות מכפיל את עצמו כאשר הסליל המלא מונע בזרם המדורג, אך לאחר מכן יורד מהר יותר במהירות.

שלב 9: כונן זרם קבוע של סליל מלא 57BYGH104 בזרם מדורג ½

עם 12 VDC וזרם של 1.0A, המאפיין של מהירות מומנט המוצג מעלה תוצאות. תוצאות הבדיקה עומדות בדרישות ההפעלה ב -400 צעדים בשנייה.

שלב 10: כונן זרם קבוע של 57BYGH104 סליל מלא בזרם מדורג 3/4

הגדלת זרמי הפיתול ל -1.6 אמפר מגדילה את שולי המומנט באופן משמעותי.

שלב 11: כונן זרם קבוע של 57BYGH104 סליל מלא בזרם מדורג

אם הזרמים המתפתלים יגדלו ל- 2A, והמומנט יגדל כפי שמוצג לעיל, אך לא כפי שהסימולציה תחזה. אז משהו קורה במציאות שמגביל את המומנט בזרמים גבוהים יותר.

שלב 12: ביצוע הבחירה הסופית

ניצול הסליל המלא ולא החצי בהחלט עדיף אך אינו רצוי עם המנוע 207 בגלל המתח הגבוה יותר הנדרש. מנוע 104 מאפשר הפעלה במתח מופעל נמוך יותר. לכן מנוע זה נבחר.

ההתנגדות המלאה לסליל של מנוע 57BYGH104 היא 2.2 אוהם. ההתנגדות של הנהג FETS ב- DRV8871 היא כ -0.6 אוהם. עמידות חיווט אופיינית מהמנועים וממנה היא בערך 1 אוהם. אז הכוח המתפזר במעגל מנוע אחד הוא הזרם המתפתל בריבוע פעמים 3.8 אוהם. הספק הכולל כפול מזה מכיוון ששני הפיתולים מונעים במקביל. עבור הזרמים המתפתלים הנחשבים לעיל, התוצאות מוצגות בטבלה זו.

הגבלת זרמי המנוע ל -1.6 אמפר מאפשרת לנו להשתמש באספקת 24 וואט קטנה יותר וזולה יותר. שולי מומנט מעטים מאוד הולכים לאיבוד. כמו כן, מנועי צעד אינם מכשירים שקטים. נהיגה בזרם גבוה יותר הופכת אותם לקולניים יותר. אז מטעמים של הספק נמוך יותר ותפעול שקט יותר, הגבול הנוכחי נבחר להיות 1.6 אמפר.