Arduino– ს ავტომატური ჩრდილის ეკრანის პროექტის Step Motor– ისა და დრაივერის შერჩევა: 12 ნაბიჯი (სურათებით)

2024 ავტორი: John Day | [email protected]. ბოლოს შეცვლილი: 2024-01-30 10:17

ამ ინსტრუქციებში, მე გავდივარ იმ ნაბიჯებს, რომლებიც გადავიღე Step Motor და Driver– ის შესარჩევად პროტოტიპის Automated Shade Screen პროექტისთვის. ჩრდილის ეკრანები არის პოპულარული და იაფი Coolaroo ხელით მოჭერილი მოდელები და მე მინდოდა ხელის ამწეების შეცვლა საფეხურიანი ძრავით და ცენტრალური კონტროლერით, რომლის დაპროგრამება შესაძლებელი იქნებოდა მზის ამოსვლისა და მზის ჩასვლის დროის მიხედვით ჩრდილების ასამაღლებლად. პროექტი სულ მცირე ხუთი გამეორებით გადაიზარდა პროდუქტად, რომლის ნახვა შეგიძლიათ Amazon.com– ზე ან AutoShade.mx– ზე, მაგრამ საფეხურიანი ძრავისა და მისი დრაივერის ელექტრონიკის არჩევის პროცესი ისეთია, რომელიც უნდა იქნას გამოყენებული Arduino– ზე დაფუძნებულ ბევრ სხვა პროექტში.

ელექტრონიკის პროტოტიპისთვის შერჩეული საწყისი კონფიგურაცია იყო Arduino Uno (Rev 3) პროცესორი (Adafruit #50) ჩვენების დაფებით (Adafruit #399), რეალურ დროში საათის დრო (Adafruit #1141) და ორმაგი ნაბიჯის ძრავის დრაივერები (Adafruit #1438)). ყველა დაფა პროცესორთან ურთიერთობს სერიული I2C ინტერფეისის გამოყენებით. პროგრამული უზრუნველყოფის დრაივერები ხელმისაწვდომია ამ ყველაფრისთვის, რაც ჩრდილის ეკრანის კონტროლერის შემუშავებას ბევრად უფრო მარტივს ხდის.

ნაბიჯი 1: განსაზღვრეთ მოთხოვნები

ჩრდილები უნდა მუშაობდეს არანაკლებ სწრაფად, როგორც ხელის ამწევით. ხელის ამუხრუჭების გამძლე სიჩქარე შეიძლება იყოს 1 ამწე წამში. ძრავის უმრავლესობას აქვს საფეხურის ზომა 1.8 გრადუსი, ანუ 200 ნაბიჯი თითო რევოლუციაზე. ამრიგად, ნაბიჯის მინიმალური სიჩქარე უნდა იყოს დაახლოებით 200 ნაბიჯი წამში. ორჯერ უკეთესიც იქნებოდა.

Coolaroo ჭიის მექანიზმის მეშვეობით ჩრდილის ასამაღლებლად ან დასაწევად ბრუნვის მაჩვენებელი იზომება 9 ჩრდილის ეკრანზე მათი მოგზაურობის ზედა და ქვედა ნაწილში კალიბრირებული ბრუნვის ხრახნიანი გამოყენებით (McMaster Carr #5699A11 რომელსაც აქვს დიაპაზონი +/- 6 in-lbs). ეს იყო "გარღვევის" ბრუნვის მომენტი და ის ძალიან განსხვავდებოდა. მინიმალური იყო 0.25 ინ-ფუნტი და მაქსიმალური იყო 3.5 ინ-ფუნტი. ბრუნვის საზომი მეტრული ერთეული არის N-m და 3 in-lbs არის.40 N-m რომელიც გამოვიყენე როგორც ნომინალური "ხახუნის ბრუნვის მომენტი".

საფეხურის ძრავის გამყიდველები რაიმე მიზეზით ადგენენ ძრავის ბრუნვას ერთეულებში კგ-სმ-ში. ზემოთ მოყვანილი მინიმალური ბრუნვის მაჩვენებელი 0.4 N-m არის 4.03 კგ-სმ. ბრუნვის ღირსეული ზღვრისთვის მინდოდა ძრავი, რომელსაც შეეძლო გადაეცა ორჯერ ეს ან დაახლოებით 8 კგ-სმ. მიკროსქემის სპეციალისტებში ჩამოთვლილი საფეხურიანი ძრავების თვალიერებამ სწრაფად აღნიშნა, რომ მე მჭირდებოდა ჩარჩოს ზომის 23 ძრავა. ისინი ხელმისაწვდომია მოკლე, საშუალო და გრძელი დასტის სიგრძეში და სხვადასხვა გრაგნილებში.

ნაბიჯი 2: ააშენეთ დინამომეტრი

სტეპ ძრავებს აქვთ განსხვავებული ბრუნვის და სიჩქარის მახასიათებელი, რაც დამოკიდებულია მათი გრაგნილების მართვის წესზე. არსებობს ორი მიზეზი, რის გამოც ბრუნვის სიჩქარე მცირდება. პირველი ის არის, რომ გრაგნილებში შემუშავებულია უკანა EMF (ძაბვა), რომელიც ეწინააღმდეგება გამოყენებულ ძაბვას. მეორეც, გრაგნილი ინდუქტიურობა ეწინააღმდეგება დენის ცვლილებას, რომელიც ხდება ყოველ საფეხურზე.

საფეხურიანი ძრავის მოქმედება შეიძლება პროგნოზირდეს დინამიური სიმულაციის გამოყენებით და მისი გაზომვა შესაძლებელია დინამომეტრის გამოყენებით. მე ორივე გავაკეთე, მაგრამ არ განვიხილავ სიმულაციას, რადგან ტესტის მონაცემები ნამდვილად არის სიმულაციის სიზუსტის შემოწმება.

დინამომეტრი საშუალებას გაძლევთ გაზომოთ ძრავის ბრუნვის სიმძლავრე კონტროლირებადი სიჩქარით მუშაობისას. კალიბრირებული მაგნიტური ნაწილაკების მუხრუჭები ძრავას მიმართავს დატვირთვის მომენტს. არ არის საჭირო სიჩქარის გაზომვა, რადგან ის იქნება ძრავის საფეხურის სიჩქარის ტოლი, სანამ დატვირთვის ბრუნვა არ გადააჭარბებს ძრავის შესაძლებლობებს. როგორც კი ეს მოხდება, ძრავა კარგავს სინქრონიზაციას და ხმამაღლა რეკეტს აკეთებს. ტესტის პროცედურა შედგება მუდმივი სიჩქარის კონტროლისგან, ნელა გაზრდის დენის მუხრუჭის გავლით და აღნიშნავს მის მნიშვნელობას ძრავის სინქრონიზაციის დაკარგვამდე. ეს მეორდება სხვადასხვა სიჩქარით და გამოსახულია როგორც ბრუნვის სიჩქარე.

არჩეული მაგნიტური ნაწილაკების მუხრუჭი არის Placid Industries მოდელი B25P-10-1, რომელიც შეძენილია Ebay– ზე. ეს მოდელი აღარ არის ჩამოთვლილი მწარმოებლის ვებსაიტზე, მაგრამ ნაწილის ნომრიდან იგი შეფასებულია, რომ უზრუნველყოს პიკური ბრუნვის სიჩქარე 25 in-lb = 2.825 N-m, ხოლო კოჭა შექმნილია 10 VDC (max). ეს იდეალურად შეეფერება განსახილველი 23 ზომის ძრავების შესამოწმებლად, რომლებიც შეფასებულია, რომ აწარმოონ პიკური ბრუნვები დაახლოებით 1.6 N-m. გარდა ამისა, ამ მუხრუჭს გააჩნდა საპილოტე ხვრელი და სამონტაჟო ხვრელები, რომლებიც იდენტურია NMEA 23 ძრავზე, ამიტომ მისი დამონტაჟება შესაძლებელია იმავე ზომის სამონტაჟო სამაგრის გამოყენებით, როგორც ძრავა. ძრავებს აქვთ ¼ ინჩიანი ლილვები და მუხრუჭს მოყვა ½ დიუმიანი ლილვი, ამიტომ მოქნილი დაწყვილების ადაპტერი იმავე ზომის ლილვებით ასევე იქნა შეძენილი Ebay– ზე. ყველაფერი რაც საჭირო იყო იყო ორი ფრჩხილის ალუმინის ბაზაზე მიმაგრება. ზემოთ მოყვანილი ფოტო გვიჩვენებს ტესტის სტენდს. სამონტაჟო ფრჩხილები ადვილად ხელმისაწვდომია Amazon და Ebay– ზე.

მაგნიტური ნაწილაკების მუხრუჭის დამუხრუჭების ბრუნვა პროპორციულია გრაგნილი მიმდინარეობის. მუხრუჭის დასაკალიბრებლად, ბრუნვის ორი საზომი ხრახნიდან რომელიმე იყო დაკავშირებული ლილვთან მუხრუჭის მოპირდაპირე მხარეს, როგორც საფეხურიანი ძრავა. გამოყენებული ორი ხრახნიანი იყო McMaster Carr ნაწილის ნომრები 5699A11 და 5699A14. პირველს აქვს ბრუნვის მაქსიმალური დიაპაზონი 6 in-lb = 0.678 N-m, ხოლო მეორეს აქვს მაქსიმალური ბრუნვის დიაპაზონი 25 in-lb = 2.825 N-m. დენი მიეწოდება ცვლადი DC კვების წყაროდან CSI5003XE (50 V/3A). ზემოთ მოყვანილი გრაფიკი გვიჩვენებს გაზომილ ბრუნვას დენის წინააღმდეგ.

გაითვალისწინეთ, რომ ამ ტესტების ინტერესის ფარგლებში, სამუხრუჭე ბრუნვის მჭიდროდ მიახლოება შესაძლებელია წრფივი ურთიერთობით ბრუნვის მომენტი (N-m) = 1.75 x სამუხრუჭე დენი (A).

ნაბიჯი 3: შეარჩიეთ კანდიდატი ნაბიჯი საავტომობილო დრაივერები

სტეპ ძრავები შეიძლება მოძრაობდეს ერთი გრაგნილით სრულად აქტიური იმ დროს, რომელსაც ჩვეულებრივ უწოდებენ ერთ საფეხურს, ორივე გრაგნილი სრულად აქტიურია (ორმაგი ნაბიჯი) ან ორივე გრაგნილი ნაწილობრივ აქტიურია (MICROSTEPPING). ამ აპლიკაციაში ჩვენ დაინტერესებული ვართ მაქსიმალური ბრუნვით, ამიტომ გამოიყენება მხოლოდ ორმაგი ნაბიჯი.

ბრუნვის მომენტი პროპორციულია გრაგნილი დენის. საფეხურიანი ძრავა შეიძლება მოძრაობდეს მუდმივი ძაბვით, თუ გრაგნილის წინააღმდეგობა საკმარისად მაღალია იმისათვის, რომ შეზღუდოს დენის დენი ძრავის ნომინალური მნიშვნელობით. Adafruit #1438 Motorshield იყენებს მუდმივი ძაბვის დრაივერებს (TB6612FNG), რომლებიც შეფასებულია 15 VDC, მაქსიმალური 1.2 ამპერი. ეს დრაივერი არის უფრო დიდი დაფა, რომელიც ნაჩვენებია პირველ ფოტოზე ზემოთ (მარცხნივ ორი ქალიშვილის დაფის გარეშე).

მუდმივი ძაბვის დრაივერთან მუშაობა შეზღუდულია, რადგან სიჩქარე დიდად არის შემცირებული როგორც გრაგნილი ინდუქტიურობის, ასევე უკანა EMF- ის გამო. ალტერნატიული მიდგომა არის ძრავის შერჩევა დაბალი წინააღმდეგობით და ინდუქციური გრაგნილით და მისი მართვა მუდმივი დენით. მუდმივი დენი წარმოიქმნება პულსის სიგანის გამოყენებით, ძაბვის მოდულირებით.

დიდი მოწყობილობა, რომელიც გამოიყენება მუდმივი დრაივის უზრუნველსაყოფად, არის DRV8871, დამზადებული Texas Instruments– ის მიერ. ეს პატარა IC შეიცავს H ხიდს შიდა მიმდინარე მნიშვნელობით. გარე რეზისტორი გამოიყენება სასურველი მუდმივი (ან მაქსიმალური) დენის დასადგენად. IC ავტომატურად გათიშავს ძაბვას, როდესაც დენი გადააჭარბებს დაპროგრამებულ მნიშვნელობას და ხელახლა იყენებს მას, როდესაც ის რაიმე ზღურბლზე ქვემოთ ეცემა.

DRV8871 არის 45 VDC, მაქსიმალური 3.6 ამპერი. იგი შეიცავს შიდა ტემპერატურის მგრძნობიარე წრეს, რომელიც წყვეტს ძაბვას, როდესაც შეერთების ტემპერატურა 175 გრადუსს მიაღწევს. IC ხელმისაწვდომია მხოლოდ 8 პინიანი HSOP პაკეტში, რომელსაც აქვს თერმული ბალიში ქვედა მხარეს. TI ყიდის განვითარების დაფას, რომელიც შეიცავს ერთ IC- ს (ორი საჭიროა ერთი საფეხურის ძრავისთვის), მაგრამ ეს ძალიან ძვირია. ადაფრუტი და სხვები ყიდიან მცირე ზომის პროტოტიპის დაფას (ადაფრუტი #3190). შესამოწმებლად, ორი მათგანი დამონტაჟდა Adafruit Motorshield– ის გარედან, როგორც ეს ნაჩვენებია პირველ ფოტოზე ზემოთ.

როგორც TB6612, ასევე DRV8871– ის დრაივის ამჟამინდელი შესაძლებლობები პრაქტიკულად შეზღუდულია ნაწილების შიგნით ტემპერატურის ზრდით. ეს დამოკიდებული იქნება ნაწილების სითბოს ჩაძირვაზე და გარემოს ტემპერატურაზე. ჩემი ოთახის ტემპერატურის ტესტებში, DRV8871 ქალიშვილმა დაფებმა (ადაფრუტი #3190) მიაღწიეს თავიანთ ტემპერატურულ ზღვარს დაახლოებით 30 წამში 2 ამპერიდან, ხოლო საფეხურიანი ძრავები ხდება ძალიან არასტაბილური (ერთი ფაზა წყვეტილად, როდესაც ზედმეტი ტემპერატურის წრე იჭრება და გამოდის). DRV8871– ის ქალი დაფების სახით გამოყენება მაინც არის, ამიტომ შეიქმნა ახალი ფარი (AutoShade #100105), რომელიც შეიცავს ოთხ დრაივერს ორსაფეხურიანი ძრავის მუშაობისთვის. ეს დაფა შეიქმნა დიდი რაოდენობით მიწის სიბრტყეზე ორივე მხრიდან, რათა გაეძინა ICs. იგი იყენებს Arduino– ს იგივე სერიულ ინტერფეისს, როგორც Adafruit Motorshield, ამიტომ ერთი და იგივე ბიბლიოთეკის პროგრამული უზრუნველყოფა შეიძლება გამოყენებულ იქნას მძღოლებისთვის. მეორე ფოტო ზემოთ აჩვენებს ამ მიკროსქემის დაფას. დამატებითი ინფორმაციისთვის AutoShade #100105, იხილეთ ჩამონათვალი Amazon- ზე ან AutoShade.mx ვებსაიტზე.

ჩემი ჩრდილის ეკრანის პროგრამაში, 15 -დან 30 წამამდე სჭირდება თითოეული ჩრდილის აწევა ან დაწევა, სიჩქარის პარამეტრისა და ჩრდილის მანძილის მიხედვით. ამრიგად, დენი უნდა იყოს შეზღუდული ისე, რომ ზედმეტი ტემპერატურის ლიმიტი არასოდეს მიღწეული იქნას ექსპლუატაციის დროს. 100105-ზე ზედმეტი ტემპერატურის ლიმიტების მიღწევის დრო 6 წუთზე მეტია 1.6 ამპერიანი დენის ლიმიტით და 1 წუთზე მეტია 2.0 ამპერიანი დენის ლიმიტით.

ნაბიჯი 4: შეარჩიეთ კანდიდატი Step Motors

მიკროსქემის სპეციალისტებს აქვთ ორი ზომის 23 საფეხურიანი ძრავა, რომლებიც უზრუნველყოფენ საჭირო 8 კგ-სმ ბრუნვის მომენტს. ორივეს აქვს ორი ფაზის გრაგნილი ცენტრალური ონკანებით, ასე რომ ისინი შეიძლება იყოს დაკავშირებული ისე, რომ ან სრული გრაგნილი ან ნახევარი გრაგნილი ამოძრავებს. ამ ძრავების მახასიათებლები ჩამოთვლილია ზემოთ მოცემულ ორ ცხრილში. ორივე ძრავა თითქმის იდენტურია მექანიკურად, მაგრამ ელექტრონულად 104 ძრავას აქვს გაცილებით დაბალი წინააღმდეგობა და ინდუქტიურობა ვიდრე 207 ძრავას. სხვათა შორის, ელექტრული მახასიათებლები არის ნახევარი კოჭის აღგზნებისთვის. როდესაც გამოიყენება მთელი გრაგნილი, წინააღმდეგობა ორმაგდება და ინდუქციურობა იზრდება 4 -ჯერ.

ნაბიჯი 5: გაზომეთ ბრუნვის მომენტი კანდიდატების სიჩქარის წინააღმდეგ

დინამომეტრის (და სიმულაციის) გამოყენებით დადგინდა ბრუნვისა და სიჩქარის მოსახვევები ძრავის/გრაგნილი/დრაივის რიგი კონფიგურაციებისთვის. პროგრამა (ესკიზი), რომელიც გამოიყენება ამ ტესტების დინამომეტრის გასაშვებად, შეგიძლიათ გადმოწეროთ AutoShade.mx ვებგვერდიდან.

ნაბიჯი 6: მუდმივი ძაბვის დრაივი 57BYGH207 ნახევარი გრაგნილი ნომინალური დენის დროს

57BYGH207 ძრავა ნახევარი კოჭით 12V- ზე (მუდმივი ძაბვის რეჟიმი) იწვევს 0.4 ამპერს და იყო დრაივის ორიგინალური კონფიგურაცია. ამ ძრავის მართვა შესაძლებელია პირდაპირ Adafruit #1434 Motorshield– დან. ზემოთ მოყვანილი ფიგურა გვიჩვენებს იმიტირებული და გაზომილი ბრუნვის სიჩქარის მახასიათებლებს უარეს შემთხვევაში ხახუნთან ერთად. ეს დიზაინი ბევრად ჩამოუვარდება სასურველ ბრუნვას, რომელიც საჭიროა ოპერაციისათვის წამში 200 -დან 400 საფეხურამდე.

ნაბიჯი 7: მუდმივი დრაივი 57BYGH207 ნახევარი გრაგნილი ნომინალური დენით

გამოყენებული ძაბვის გაორმაგება, მაგრამ ჩოპერის დრაივის გამოყენებით დენის შეზღუდვა 0.4 ამპრამდე მნიშვნელოვნად აუმჯობესებს მუშაობას, როგორც ზემოთ ნაჩვენებია. გამოყენებული ძაბვის შემდგომი გაზრდა კიდევ უფრო გააუმჯობესებს მუშაობას. მაგრამ 12 VDC– ზე ზემოთ მოქმედება არასასურველია რამდენიმე მიზეზის გამო.

· DRV8871 არის ძაბვა შეზღუდული 45 VDC

· მაღალი ძაბვის კედელზე დამონტაჟებული დენის წყაროები არც თუ ისე გავრცელებული და უფრო ძვირია

· ძაბვის რეგულატორები, რომლებიც გამოიყენება Arduino დიზაინში გამოყენებული ლოგიკური სქემის 5 VDC სიმძლავრისთვის, შემოიფარგლება 15 VDC მაქს. ამრიგად, ძრავაზე უფრო მაღალი ძაბვით მუშაობას დასჭირდება ორი კვების წყარო.

ნაბიჯი 8: მუდმივი დრაივი 57BYGH207 სრული კოჭით ნომინალური დენით

ეს გამოიყურებოდა სიმულაციით, მაგრამ არ გამოსცადეს, რადგან მე არ მქონდა 48 ვ კვების წყარო. ბრუნვის სიჩქარე დაბალ სიჩქარეზე ორმაგდება, როდესაც სრული კოჭა მოძრაობს ნომინალური დენის დროს, მაგრამ შემდეგ უფრო სწრაფად იშლება სიჩქარით.

ნაბიჯი 9: მუდმივი დრაივი 57BYGH104 სრული კოჭით ½ რეიტინგულ დენზე

12 VDC და 1.0A დენით, ბრუნვის სიჩქარის მახასიათებელი ნაჩვენებია ზემოთ. ტესტის შედეგები აკმაყოფილებს ოპერაციის მოთხოვნებს წამში 400 საფეხურით.

ნაბიჯი 10: მუდმივი დრაივი 57BYGH104 სრული კოჭით 3/4 რეიტინგულ დენზე

გრაგნილი დინების გაზრდა 1.6 ამპერამდე მნიშვნელოვნად ზრდის ბრუნვის ზღვარს.

ნაბიჯი 11: მუდმივი დრაივი 57BYGH104 სრული კოჭით ნომინალური დენით

თუ გრაგნილი დენები გაიზარდა 2A– მდე და ბრუნვის მომენტი იზრდება, როგორც ზემოთ ნაჩვენებია, მაგრამ არა იმდენად, რამდენადაც სიმულაცია იწინასწარმეტყველებდა. ასე რომ, რაღაც ხდება სინამდვილეში, რაც ზღუდავს ბრუნვის მომენტს ამ მაღალ დენებზე.

ნაბიჯი 12: საბოლოო შერჩევის გაკეთება

სრული გრაგნილის გამოყენება ნახევრის ნაცვლად ნამდვილად უკეთესია, მაგრამ 207 ძრავით არ არის სასურველი მაღალი ძაბვის გამო. 104 ძრავა საშუალებას იძლევა იმუშაოს უფრო დაბალ ძაბვაზე. ამიტომ ეს ძრავა არჩეულია.

57BYGH104 ძრავის სრული ხვევის წინააღმდეგობა არის 2.2 Ohms. მძღოლი FETS– ის წინააღმდეგობა DRV8871– ში არის დაახლოებით 0.6 Ohms. ტიპიური გაყვანილობის წინააღმდეგობა ძრავებთან და მისგან არის დაახლოებით 1 ომი. ასე რომ, ერთ საავტომობილო წრეში გაფანტული სიმძლავრე არის გრაგნილი მიმდინარე კვადრატში ჯერ 3.8 ოჰმ. მთლიანი სიმძლავრე ორჯერ მეტია, რადგან ორივე გრაგნილი მოძრაობს ერთდროულად. გრაგნილი დინებისათვის ზემოთ განხილული, შედეგები ნაჩვენებია ამ ცხრილში.

საავტომობილო დენების შეზღუდვა 1.6 ამპერამდე საშუალებას გვაძლევს გამოვიყენოთ უფრო მცირე და ნაკლებად ძვირი 24 ვატიანი კვების წყარო. ძალიან მცირე ბრუნვის ზღვარი დაკარგულია. ასევე, საფეხურების ძრავები არ არის მშვიდი მოწყობილობები. მათ უფრო მაღალ დენზე მოძრაობა ხმამაღლა ხდის მათ. ასე რომ, დაბალი სიმძლავრის და მშვიდი მუშაობის ინტერესებიდან გამომდინარე, მიმდინარე ლიმიტი შეირჩა 1.6 ამპერი.