Arduino Otomatik Gölgelik Perde Projesi için Step Motor ve Sürücü Seçimi: 12 Adım (Resimli)

2024 Yazar: John Day | [email protected]. Son düzenleme: 2024-01-30 13:18

Bu Eğitilebilir Kitapta, bir prototip Otomatik Gölge Ekranı projesi için bir Step Motor ve Sürücü seçmek için attığım adımları inceleyeceğim. Gölgelik ekranları popüler ve ucuz Coolaroo el kranklı modelleridir ve el kranklarını adım motorları ve hesaplanan güneş doğuş ve gün batımı sürelerine dayalı olarak gölgeleri yükseltmek ve alçaltmak için programlanabilen merkezi bir kontrolör ile değiştirmek istedim. Proje, en az beş yineleme yoluyla Amazon.com veya AutoShade.mx'de bulabileceğiniz bir ürüne dönüştü, ancak adım motoru ve sürücü elektroniği seçme süreci, diğer birçok Arduino tabanlı projeye uygulanabilir olması gereken bir süreç.

Prototip elektroniği için seçilen ilk konfigürasyon, ekran kartları (Adafruit #399), gerçek zamanlı saat zamanlaması (Adafruit #1141) ve çift adımlı motor sürücüleri (Adafruit #1438) ile Arduino Uno (Rev 3) işlemcisi (Adafruit #50) idi.). Tüm kartlar, bir seri I2C arabirimi kullanarak işlemciyle iletişim kurar. Tüm bunlar için yazılım sürücüleri mevcuttur, bu da gölge ekran denetleyicisinin geliştirilmesini çok daha basit hale getirir.

Adım 1: Gereksinimleri Belirleyin

Perdeler, en az elle çalıştırma kadar hızlı çalışmalıdır. Sürekli el marş hızı saniyede 1 marş olabilir. Çoğu step motorun adım boyutu 1.8 derece veya devir başına 200 adımdır. Yani minimum adım hızı saniyede yaklaşık 200 adım olmalıdır. İki kat daha iyi olurdu.

Coolaroo sonsuz dişli aracılığıyla gölgeyi yükseltmek veya alçaltmak için tork, kalibre edilmiş bir tork tornavidası (+/- 6 inç-libre aralığına sahip olan McMaster Carr #5699A11) kullanılarak hareketlerinin üst ve alt kısmındaki 9 gölgeli ekranda ölçülmüştür. Bu "ayrılma" torkuydu ve çok değişkendi. Minimum 0,25 inç-libre ve maksimum 3,5 inç-libre idi. Tork için uygun metrik ölçü birimi N-m'dir ve 3 inç-libre, nominal “sürtünme torku” olarak kullandığım 0,40 N-m'dir.

Step motor satıcıları, bazı nedenlerden dolayı motor torkunu kg-cm cinsinden belirtirler. 0,4 N-m'lik yukarıdaki minimum tork 4,03 Kg-cm'dir. İyi bir tork marjı için bunun iki katı veya yaklaşık 8 Kg-cm teslim edebilen bir motor istedim. Devre Uzmanlarında listelenen adım motorlarına baktığımda, hızlı bir şekilde 23 kasa boyutunda bir motora ihtiyacım olduğunu gösterdi. Bunlar kısa, orta ve uzun yığın uzunluklarında ve çeşitli sargılarda mevcuttur.

2. Adım: Bir Dinamometre Oluşturun

Step motorlar, sargılarının sürülme şekline bağlı olarak farklı bir torka karşı hız karakteristiğine sahiptir. Torkun hız ile azalmasının iki nedeni vardır. Birincisi uygulanan gerilime karşı gelen sargılarda bir geri EMF (voltaj) geliştirilmesidir. İkinci olarak, sargı endüktansı, her adımda meydana gelen akımdaki değişime karşı çıkar.

Bir step motorun performansı dinamik bir simülasyon kullanılarak tahmin edilebilir ve bir dinamometre kullanılarak ölçülebilir. Her ikisini de yaptım, ancak simülasyonu tartışmayacağım çünkü test verileri gerçekten simülasyonun doğruluğunun bir kontrolü.

Bir dinamometre, kontrollü bir hızda çalışırken bir motorun tork kapasitesinin ölçülmesini sağlar. Kalibre edilmiş bir manyetik parçacık freni, yük torkunu motora uygular. Yük torku motorun kapasitesini geçene kadar motorun adım hızına eşit olacağından hızı ölçmeye gerek yoktur. Bu olduğunda, motor senkronizasyonu kaybeder ve gürültülü bir ses çıkarır. Test prosedürü, sabit bir hız komutu vermekten, frenden geçen akımı yavaşça arttırmaktan ve motor senkronizasyonunu kaybetmeden hemen önce değerini not etmekten oluşur. Bu, çeşitli hızlarda tekrarlanır ve tork-hız olarak çizilir.

Seçilen manyetik parçacık freni, Ebay'den satın alınan bir Placid Industries model B25P-10-1'dir. Bu model artık üreticinin web sitesinde listelenmemektedir, ancak parça numarasına göre 25 inç-libre = 2,825 N-m'lik bir tepe torku sağlayacak şekilde derecelendirilmiştir ve bobin 10 VDC (maks.) için tasarlanmıştır. Bu, yaklaşık 1,6 N-m'lik tepe torkları üretecek şekilde derecelendirilen, söz konusu 23 boyutlu motorların test edilmesi için idealdir. Ek olarak, bu fren bir pilot delik ve NMEA 23 motorlarında kullanılanlarla aynı montaj delikleriyle geldi, böylece motorla aynı boyutta montaj braketi kullanılarak monte edilebilir. Motorlar ¼ inç şaftlara sahiptir ve fren ½ inç şaft ile geldi, bu nedenle aynı boyutta şaftlara sahip esnek bir kaplin adaptörü de Ebay'den tedarik edildi. Tek gereken, bir alüminyum tabana iki brakete monte etmekti. Yukarıdaki fotoğraf test standını göstermektedir. Montaj braketleri Amazon ve Ebay'de kolayca bulunabilir.

Manyetik parçacık freninin frenleme torku, sargı akımıyla orantılıdır. Freni kalibre etmek için, iki tork ölçme tornavidasından biri, step motor olarak frenin karşı tarafındaki mile bağlanmıştır. Kullanılan iki tornavida, McMaster Carr parça numaraları 5699A11 ve 5699A14 idi. İlki 6 inç-libre = 0,678 N-m maksimum tork aralığına sahiptir ve ikincisi 25 inç-libre = 2,825 N-m maksimum tork aralığına sahiptir. Akım, değişken bir DC güç kaynağı CSI5003XE'den (50 V/3A) sağlandı. Yukarıdaki grafik ölçülen torku ve akımı gösterir.

Bu testlerin ilgi alanında, frenleme torkunun, Tork (N-m) = 1,75 x Fren Akımı (A) doğrusal ilişkisi ile yakından tahmin edilebileceğine dikkat edin.

Adım 3: Adım Motor Sürücü Adayını Seçin

Adım motorları, genellikle TEK adımlı olarak adlandırılan bir seferde bir sargı tamamen aktif, her iki sargı da tam aktif (ÇİFT adımlı) veya her iki sargı kısmen aktif (MİKROSEP) ile çalıştırılabilir. Bu uygulamada maksimum tork ile ilgileniyoruz, bu nedenle sadece ÇİFT adım kullanılır.

Tork, sargı akımıyla orantılıdır. Sargı direnci, sabit durum akımını motorun nominal değeriyle sınırlamak için yeterince yüksekse, bir step motor sabit bir voltajla çalıştırılabilir. Adafruit #1438 Motor Kalkanı, maksimum 1,2 amper olmak üzere 15 VDC olarak derecelendirilmiş sabit voltaj sürücüleri (TB6612FNG) kullanır. Bu sürücü, yukarıdaki ilk fotoğrafta gösterilen daha büyük karttır (soldaki iki ek kart olmadan).

Sabit voltaj sürücüsü ile performans sınırlıdır, çünkü hem sargı endüktansı hem de arka EMF nedeniyle hızdaki akım büyük ölçüde azalır. Alternatif bir yaklaşım, daha düşük dirençli ve endüktans sargılı bir motor seçmek ve onu sabit bir akımla sürmektir. Sabit akım, uygulanan voltajı modüle eden darbe genişliği ile üretilir.

Sabit akım sürücüsünü sağlamak için kullanılan harika bir cihaz, Texas Instruments tarafından yapılan DRV8871'dir. Bu küçük IC, dahili bir akım algısı olan bir H köprüsü içerir. İstenen sabit (veya maksimum) akımı ayarlamak için harici bir direnç kullanılır. IC, akım programlanan değeri aştığında voltajı otomatik olarak keser ve bir eşiğin altına düştüğünde yeniden uygular.

DRV8871, 45 VDC, maksimum 3,6 amper olarak derecelendirilmiştir. Bağlantı sıcaklığı 175 derece C'ye ulaştığında voltajı kesen dahili bir aşırı sıcaklık algılama devresi içerir. IC, yalnızca alt tarafında bir termal ped bulunan 8 pinli bir HSOP paketinde mevcuttur. TI, bir IC içeren bir geliştirme kartı satmaktadır (bir adım motor için iki adet gereklidir), ancak çok pahalıdır. Adafruit ve diğerleri küçük bir prototipleme tahtası satarlar (Adafruit #3190). Test için bunlardan ikisi, yukarıdaki ilk fotoğrafta gösterildiği gibi bir Adafruit Motorshield'in dışına monte edildi.

Hem TB6612 hem de DRV8871'in mevcut sürücü yetenekleri, pratikte parçaların içindeki sıcaklık artışıyla sınırlıdır. Bu, parçaların ısınmasına ve ortam sıcaklığına bağlı olacaktır. Oda sıcaklığı testlerimde, DRV8871 ek kartları (Adafruit #3190) 2 amperde yaklaşık 30 saniyede aşırı sıcaklık sınırlarına ulaştı ve step motorlar çok düzensiz hale geliyor (aşırı sıcaklık devresi açılıp kapandıkça aralıklı olarak tek fazlı). DRV8871'leri ek kart olarak kullanmak zaten bir çamur, bu nedenle iki kademeli motoru çalıştırmak için dört sürücü içeren yeni bir kalkan tasarlandı (AutoShade #100105). Bu kart, IC'leri soğutmak için her iki tarafta büyük miktarda yer düzlemi ile tasarlanmıştır. Arduino'ya Adafruit Motorshield ile aynı seri arayüzü kullanır, böylece sürücüler için aynı kütüphane yazılımı kullanılabilir. Yukarıdaki ikinci fotoğraf bu devre kartını göstermektedir. AutoShade #100105 hakkında daha fazla bilgi için Amazon'daki listeye veya AutoShade.mx web sitesine bakın.

Gölge perde uygulamamda, hız ayarına ve gölge mesafesine bağlı olarak her bir gölgeyi yükseltmek veya düşürmek 15 ila 30 saniye sürer. Bu nedenle akım, çalışma sırasında aşırı sıcaklık sınırına asla ulaşılmayacak şekilde sınırlandırılmalıdır. 100105'te aşırı sıcaklık sınırlarına ulaşma süresi, 1,6 amper akım sınırı ile 6 dakikadan ve 2,0 amper akım sınırı ile 1 dakikadan fazladır.

Adım 4: Aday Adım Motorlarını Seçin

Devre Uzmanları, gereken 8 kg-cm torku sağlayan iki adet 23 boyutlu step motora sahiptir. Her ikisinde de merkez musluklu iki faz sargısı vardır, böylece tam sargılar veya yarım sargılar sürülecek şekilde bağlanabilirler. Bu motorların teknik özellikleri yukarıdaki iki tabloda listelenmiştir. Her iki motor da mekanik olarak neredeyse aynıdır, ancak elektriksel olarak 104 motor, 207 motordan çok daha düşük bir dirence ve endüktansa sahiptir. Bu arada, elektriksel özellikler yarım bobin uyarımı içindir. Tüm sargı kullanıldığında, direnç iki katına çıkar ve endüktans 4 kat artar.

Adım 5: Adayların Tork ve Hızlarını Ölçün

Dinamometre (ve simülasyon) kullanılarak, bir dizi motor/sargı/akım sürücü konfigürasyonu için tork-hız eğrileri belirlendi. Bu testler için dinamometreyi çalıştırmak için kullanılan program (skeç) AutoShade.mx web sitesinden indirilebilir.

Adım 6: Nominal Akımda 57BYGH207 Yarım Bobinin Sabit Voltajlı Sürücüsü

12V'de (sabit voltaj modu) sürülen yarım bobinli 57BYGH207 motor, 0,4 amper ile sonuçlanır ve orijinal sürücü konfigürasyonuydu. Bu motor doğrudan Adafruit #1434 Motorshield'den çalıştırılabilir. Yukarıdaki şekil, en kötü durum sürtünmesi ile birlikte simüle edilmiş ve ölçülen tork hızı özelliklerini göstermektedir. Bu tasarım, saniyede 200 ila 400 adımda çalışma için gereken istenen torkun çok altına düşer.

Adım 7: 57BYGH207 Yarım Bobinin Nominal Akımda Sabit Akım Sürücüsü

Uygulanan voltajı iki katına çıkarmak, ancak akımı 0,4 amper ile sınırlamak için kıyıcı sürücüsünü kullanmak, yukarıda gösterildiği gibi performansı önemli ölçüde artırır. Uygulanan voltajın daha da arttırılması performansı daha da artıracaktır. Ancak 12 VDC'nin üzerinde çalışma birkaç nedenden dolayı istenmemektedir.

· DRV8871, 45 VDC ile sınırlı voltajdır

· Daha yüksek voltajlı duvara monte güç kaynakları çok yaygın değildir ve daha pahalıdır

· Arduino tasarımında kullanılan mantık devresi için 5 VDC güç sağlamak için kullanılan voltaj regülatörleri maksimum 15 VDC ile sınırlıdır. Bu nedenle motorları bundan daha yüksek voltajlarda çalıştırmak iki güç kaynağı gerektirir.

Adım 8: Nominal Akımda 57BYGH207 Tam Bobinin Sabit Akım Sürücüsü

Buna simülasyonla bakıldı ancak test edilmedi çünkü 48 V'luk bir güç kaynağım yoktu. Düşük hızlardaki tork, tam bobin nominal akımda sürüldüğünde iki katına çıkar, ancak daha sonra hızla daha hızlı düşer.

Adım 9: ½ Anma Akımında 57BYGH104 Tam Bobinin Sabit Akım Sürücüsü

12 VDC ve 1.0A akım ile, yukarıda gösterilen tork-hız karakteristiği ortaya çıkar. Test sonuçları, saniyede 400 adımda çalıştırma gereksinimlerini karşılar.

Adım 10: 3/4 Anma Akımında 57BYGH104 Tam Bobinin Sabit Akım Sürücüsü

Sargı akımlarının 1,6 amp'e yükseltilmesi tork marjını önemli ölçüde artırır.

Adım 11: Nominal Akımda 57BYGH104 Tam Bobinin Sabit Akım Sürücüsü

Sargı akımları 2A'ya yükseltilirse ve tork yukarıda gösterildiği gibi artar, ancak simülasyonun öngöreceği kadar değil. Yani gerçekte bu yüksek akımlarda torku sınırlayan bir şeyler oluyor.

Adım 12: Son Seçimi Yapma

Yarım bobin yerine tam bobin kullanmak kesinlikle daha iyidir, ancak gerekli olan daha yüksek voltaj nedeniyle 207 motorda istenmez. 104 motor, daha düşük uygulanan voltajda çalışmaya izin verir. Bu nedenle bu motor seçilmiştir.

57BYGH104 motorun tam bobin direnci 2,2 ohm'dur. DRV8871'deki sürücü FETS'inin direnci yaklaşık 0,6 ohm'dur. Motorlara giden ve giden tipik kablolama direnci yaklaşık 1 ohm'dur. Yani bir motor devresinde harcanan güç, sarım akımının karesi 3.8 ohm'dur. Her iki sargı da aynı anda sürüldüğü için toplam güç bunun iki katıdır. Yukarıda ele alınan sargı akımları için sonuçlar bu Tabloda gösterilmektedir.

Motor akımlarını 1,6 amper ile sınırlamak, daha küçük ve daha ucuz 24 watt'lık bir güç kaynağı kullanmamızı sağlar. Çok az tork marjı kaybedilir. Ayrıca step motorlar sessiz cihazlar değildir. Onları daha yüksek bir akımda sürmek onları daha yüksek sesle yapar. Bu nedenle, daha düşük güç ve daha sessiz çalışma için akım limiti 1,6 amper olarak seçilmiştir.