Selecció d'un motor de pas i d'un controlador per a un projecte de pantalla d'ombra automatitzada Arduino: 12 passos (amb imatges)

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:13

En aquest instructiu, seguiré els passos que vaig fer per seleccionar un motor de pas i un controlador per a un prototip de projecte de pantalla de tonalitat automatitzada. Les pantalles d’ombra són els populars i econòmics models Coolaroo de maneta manual, i volia substituir les manetes per motors pas a pas i un controlador central que es pogués programar per augmentar i baixar els tons segons els temps calculats de sortida i de posta de sol. El projecte ha evolucionat mitjançant almenys cinc iteracions cap a un producte que podeu trobar a Amazon.com o AutoShade.mx, però el procés per seleccionar el motor de pas i la seva electrònica de controlador és un que hauria de ser aplicable a molts altres projectes basats en Arduino.

La configuració inicial escollida per al prototip electrònic va ser el processador Arduino Uno (Rev 3) (Adafruit # 50) amb taules per a la visualització (Adafruit # 399), sincronització del rellotge en temps real (Adafruit # 1141) i controladors de motor de doble pas (Adafruit # 1438)). Totes les plaques es comuniquen amb el processador mitjançant una interfície serial I2C. Hi ha controladors de programari disponibles per a tot això, cosa que fa que el desenvolupament del controlador de pantalla ombra sigui molt més senzill.

Pas 1: determineu els requisits

Les tonalitats haurien de funcionar com a mínim tan ràpidament com amb les manetes. Una velocitat de maniobra sostinguda pot ser d'1 maneta per segon. La majoria dels motors de pas tenen una mida de pas d’1,8 graus, o 200 passos per revolució. Per tant, la velocitat mínima del pas ha de ser d’uns 200 passos per segon. Dues vegades seria encara millor.

El parell per elevar o baixar l’ombra a través de l’engranatge sense fi Coolaroo es va mesurar en 9 pantalles d’ombra a la part superior i inferior del recorregut mitjançant un tornavís de parell calibrat (McMaster Carr # 5699A11 amb un abast de +/- 6 in-lbs). Aquest va ser el parell “trencador” i va variar molt. El mínim era de 0,25 lliures i el màxim de 3,5 lliures. La unitat de mesura mètrica adequada per al parell és N-m i 3 polzades lliures són 0,40 N-m que he utilitzat com a "parell de fricció" nominal.

Els proveïdors de motors pas a pas especifiquen el parell motor en unitats de kg-cm per alguna raó. El parell mínim anterior de 0,4 N-m és de 4,03 Kg-cm. Per obtenir un marge de parell decent, volia un motor capaç de lliurar el doble d’aquest o aproximadament 8 Kg-cm. En revisar els motors de pas que figuren als especialistes en circuits, es va indicar ràpidament que necessitava un motor de mida 23 del quadre. Estan disponibles en pila curta, mitjana i llarga i una gran varietat de bobinats.

Pas 2: creeu un dinamòmetre

Els motors de pas tenen una característica de parell vs velocitat diferent que depèn de la manera en què es condueixin els seus bobinats. Hi ha dues raons per les quals el parell disminueix amb la velocitat. La primera és que es desenvolupa una CEM (tensió) posterior en els bobinatges que s’oposa a la tensió aplicada. En segon lloc, la inductància de bobinatge s’oposa al canvi de corrent que es produeix amb cada pas.

El rendiment d'un motor de pas es pot predir mitjançant una simulació dinàmica i es pot mesurar mitjançant un dinamòmetre. Vaig fer les dues coses, però no discutiré la simulació perquè les dades de la prova són realment una comprovació de la precisió de la simulació.

Un dinamòmetre permet mesurar la capacitat de parell d’un motor mentre funciona a una velocitat controlada. Un fre de partícules magnètiques calibrat aplica el parell de càrrega al motor. No cal mesurar la velocitat, ja que serà igual a la velocitat de pas del motor fins que el parell de càrrega excedeixi la capacitat del motor. Un cop això passa, el motor perd la sincronització i crea una forta raqueta. El procediment de prova consisteix a controlar una velocitat constant, augmentar lentament el corrent a través del fre i assenyalar el seu valor just abans que el motor perdi la sincronització. Això es repeteix a diverses velocitats i es representa com a parell vs velocitat.

El fre de partícules magnètiques escollit és un model B25P-10-1 de Placid Industries comprat a Ebay. Aquest model ja no apareix al lloc web del fabricant, però, segons el número de peça, es calcula que proporciona un parell màxim de 25 in-lb = 2.825 N-m, i la bobina està dissenyada per a 10 V CC (màxim). Això és ideal per provar els motors de mida 23 que es consideren que produeixen parells màxims d'aproximadament 1,6 N-m. A més, aquest fre venia amb un forat pilot i forats de muntatge idèntics als que s’utilitzen en els motors NMEA 23, de manera que es podia muntar utilitzant el suport de muntatge de la mateixa mida que el motor. Els motors tenen eixos de ¼ polzades i el fre venia amb un eix de ½ polzada, de manera que a Ebay també es va adquirir un adaptador d’acoblament flexible amb eixos de la mateixa mida. Tot el que calia era muntar-lo a dos suports sobre una base d'alumini. La fotografia superior mostra el banc de proves. Els suports de muntatge estan disponibles a Amazon i Ebay.

El parell de frenada del fre de partícula magnètica és proporcional al corrent de bobinatge. Per calibrar el fre, qualsevol dels dos tornavisos de mesura de parell es va connectar a l’eix del costat oposat del fre com a motor de pas. Els dos tornavisos utilitzats van ser els números de referència McMaster Carr 5699A11 i 5699A14. El primer té un rang de parell màxim de 6 in-lb = 0,678 N-m i el segon té un rang de parell màxim de 25 in-lb = 2,825 N-m. El corrent es subministra a partir d’una font d’alimentació CC continu CSI5003XE (50 V / 3A). El gràfic anterior mostra el parell mesurat contra el corrent.

Tingueu en compte que en el rang d'interès per a aquestes proves, el parell de frenada es pot aproximar estretament mitjançant la relació lineal Parell (N-m) = 1,75 x Corrent de fre (A).

Pas 3: seleccioneu Controladors de motor de pas candidats

Els motors de pas poden accionar-se amb un bobinatge totalment actiu en un moment anomenat SINGLE stepping, ambdós bobinats totalment actius (pas DOBLE) o ambdós bobinats parcialment actius (MICROSTEPPING). En aquesta aplicació, ens interessa el parell màxim, de manera que només s’utilitza el pas DOBLE.

El parell és proporcional al corrent de bobinatge. Es pot accionar un motor pas a pas amb una tensió constant si la resistència del bobinatge és prou elevada com per limitar el corrent d’estabilitat al valor nominal del motor. L’Adafruit # 1438 Motorshield utilitza controladors de tensió constant (TB6612FNG) que tenen una potència nominal de 15 VDC, 1,2 amperis màxims. Aquest conductor és el tauler més gran que es mostra a la primera foto de dalt (sense els dos taulers filla a l’esquerra).

El rendiment amb un controlador de tensió constant és limitat perquè el corrent a velocitat es redueix considerablement tant a causa de la inductància del bobinatge com de la CEM posterior. Un enfocament alternatiu és seleccionar un motor amb una resistència i un bobinatge d’inductància més baixos i conduir-lo amb un corrent constant. El corrent constant es produeix mitjançant l'amplada del pols modulant la tensió aplicada.

Un fantàstic dispositiu que s’utilitza per proporcionar la unitat de corrent constant és el DRV8871 fabricat per Texas Instruments. Aquest petit CI conté un pont H amb un sentit de corrent intern. S’utilitza una resistència externa per configurar el corrent constant (o màxim) desitjat. L'IC desconnecta automàticament la tensió quan el corrent supera el valor programat i la torna a aplicar quan baixa per sota d'algun llindar.

El DRV8871 té una potència de 45 V CC, màxim 3,6 amperes. Conté un circuit intern de detecció de sobretemperatura que desconnecta la tensió quan la temperatura de la unió arriba als 175 graus C. L'IC només està disponible en un paquet HSOP de 8 pins que té un coixinet tèrmic a la part inferior. TI ven una placa de desenvolupament que conté un CI (dos són necessaris per a un motor de pas), però és molt car. Adafruit i altres venen una petita placa de prototipatge (Adafruit # 3190). Per a la prova, dos d’aquests es van muntar fora del forat d’un Adafruit Motorshield tal com es mostra a la primera foto superior.

Les capacitats actuals de la unitat tant del TB6612 com del DRV8871 estan limitades a la pràctica per l’augment de temperatura a l’interior de les peces. Això dependrà del dissipament de calor de les peces, així com de la temperatura ambient. En les meves proves de temperatura ambient, les plaques filles DRV8871 (Adafruit # 3190) van assolir els límits de temperatura superiors en uns 30 segons a 2 amperes, i els motors de pas es tornen molt erràtics (es fa un pas de forma intermitent a mesura que el circuit de sobre temperatura s’interromp i s’apaga). Utilitzar els DRV8871 com a plaques filles és un problema de totes maneres, de manera que es va dissenyar un nou escut (AutoShade # 100105) que conté quatre dels controladors per fer funcionar motors de dos passos. Aquesta placa va ser dissenyada amb una gran quantitat de pla de terra a banda i banda per dissipar tèrmicament els circuits integrats. Utilitza la mateixa interfície sèrie amb Arduino que l’Adafruit Motorshield, de manera que es pot utilitzar el mateix programari de biblioteca per als controladors. La segona foto superior mostra aquesta placa de circuit. Per obtenir més informació sobre l'AutoShade # 100105, consulteu el llistat a Amazon o el lloc web d'AutoShade.mx.

A la meva aplicació de pantalla d’ombra, triga de 15 a 30 segons a pujar o baixar cada ombra en funció de la velocitat i la distància de l’ombra. Per tant, s’ha de limitar el corrent de manera que mai no s’arribi al límit de sobre-temperatura durant el funcionament. El temps per assolir els límits de sobre-temperatura del 100105 és superior a 6 minuts amb un límit de corrent d’1,6 amp. I superior a 1 minut amb un límit de corrent de 2,0 amp.

Pas 4: seleccioneu motors passos candidats

Circuit Specialists té dos motors de 23 passos de mida que proporcionen els 8 kg-cm de parell necessari. Tots dos tenen bobinats de dues fases amb aixetes centrals, de manera que es poden connectar de manera que es puguin accionar tant els bobinatges complets com els mig bobinats. Les especificacions d'aquests motors es detallen a les dues taules anteriors. Tots dos motors són gairebé idèntics mecànicament, però elèctricament el motor 104 té una resistència i una inductància molt més baixes que el motor 207. Per cert, les especificacions elèctriques són per a l’excitació a mitja bobina. Quan s’utilitza tot el bobinatge, la resistència es duplica i la inductància augmenta en un factor de 4.

Pas 5: mesureu el parell motor contra la velocitat dels candidats

Mitjançant el dinamòmetre (i la simulació) es van determinar les corbes de parell vs velocitat per a diverses configuracions del motor / bobinatge / corrent. El programa (esbós) utilitzat per executar el dinamòmetre per a aquestes proves es pot descarregar des del lloc web AutoShade.mx.

Pas 6: accionament de tensió constant de 57BYGH207 mitja bobina al corrent nominal

El motor 57BYGH207 amb mitja bobina accionat a 12V (mode de tensió constant) té com a resultat 0,4 amperes i era la configuració original del disc. Aquest motor es pot accionar directament des del motor Adafruit # 1434. La figura anterior mostra les característiques de velocitat de parell simulades i mesurades juntament amb el pitjor cas de fricció. Aquest disseny cau molt per sota del parell desitjat necessari per al funcionament de 200 a 400 esglaons per segon.

Pas 7: Unitat de corrent constant de 57BYGH207 mitja bobina al corrent nominal

Si es duplica la tensió aplicada, però si s’utilitza la unitat chopper per limitar el corrent a 0,4 amperes, es millora significativament el rendiment, tal com es mostra a dalt. Augmentar encara més la tensió aplicada milloraria encara més el rendiment. Però l'operació superior a 12 VDC no és desitjable per diversos motius.

· El DRV8871 té una tensió limitada a 45 VDC

· Les fonts d’alimentació de paret de major voltatge no són tan habituals i són més cares

· Els reguladors de voltatge que s’utilitzen per subministrar l’alimentació de 5 V CC per al circuit lògic utilitzat en el disseny d’Arduino estan limitats a 15 V CC com a màxim. Per tant, per funcionar els motors a tensions superiors a aquesta caldrien dues fonts d’alimentació.

Pas 8: accionament de corrent constant de bobina completa 57BYGH207 al corrent nominal

Això es va mirar amb la simulació, però no es va provar perquè no tenia una font d'alimentació de 48 V. El parell a velocitats baixes es duplica quan la bobina completa s’acciona al corrent nominal, però després cau més ràpidament amb la velocitat.

Pas 9: Unitat de corrent constant de bobina completa 57BYGH104 a ½ corrent nominal

Amb 12 V CC i un corrent d’1,0 A, resulta la característica de parell-velocitat mostrada anteriorment. Els resultats de les proves compleixen els requisits per al funcionament a 400 passos per segon.

Pas 10: accionament de corrent constant de bobina completa 57BYGH104 a corrent nominal de 3/4

Augmentar els corrents de bobinatge a 1,6 amperes augmenta significativament el marge de parell.

Pas 11: Unitat de corrent constant de bobina completa 57BYGH104 al corrent nominal

Si s’augmenten els corrents de bobinatge fins a 2A i el parell augmenta tal com es mostra anteriorment, però no tant com prediria la simulació. Així doncs, a la realitat passa una cosa que limita el parell a aquests corrents superiors.

Pas 12: fer la selecció final

Utilitzar la bobina completa en lloc de la meitat és definitivament millor, però no és desitjable amb el motor 207 a causa del voltatge més alt que es requereix. El motor 104 permet operar a una tensió aplicada inferior. Per tant, aquest motor està seleccionat.

La resistència total de la bobina del motor 57BYGH104 és de 2,2 ohms. La resistència del controlador FETS al DRV8871 és d’uns 0,6 ohms. La resistència de cablejat típica des dels motors cap a i des dels motors és d'aproximadament 1 ohm. Per tant, la potència dissipada en un circuit del motor és el corrent de bobina al quadrat de 3,8 ohms. La potència total és el doble d’aquesta, ja que ambdós bobinatges s’accionen al mateix temps. Per als corrents sinuosos considerats anteriorment, els resultats es mostren en aquesta taula.

Limitar els corrents del motor a 1,6 amperes ens permet utilitzar una font d’energia de 24 watts més petita i menys costosa. Es perd molt poc marge de parell. A més, els motors pas no són dispositius silenciosos. Conduir-los a un corrent més alt els fa més forts. De manera que, en interès de menor potència i un funcionament més silenciós, es va escollir el límit actual de 1,6 amperes.