اختيار محرك خطوة ومحرك لمشروع شاشة الظل الآلي في Arduino: 12 خطوة (بالصور)

2024 مؤلف: John Day | [email protected]. آخر تعديل: 2024-01-30 07:38

في هذا Instructable ، سوف أتناول الخطوات التي اتخذتها لتحديد Step Motor و Driver لمشروع نموذج أولي لشاشة الظل الآلي. شاشات الظل هي نماذج Coolaroo اليدوية المشهورة وغير المكلفة ، وأردت استبدال السواعد اليدوية بمحركات متدرجة ووحدة تحكم مركزية يمكن برمجتها لرفع وخفض الظلال استنادًا إلى شروق الشمس المحسوب وأوقات غروب الشمس. تطور المشروع من خلال خمس تكرارات على الأقل إلى منتج يمكنك العثور عليه على Amazon.com أو AutoShade.mx ، ولكن عملية اختيار محرك الخطوة وإلكترونيات المحرك الخاصة به هي عملية يجب أن تكون قابلة للتطبيق على العديد من المشاريع الأخرى القائمة على Arduino.

كان التكوين الأولي الذي تم اختياره للنموذج الإلكتروني للإلكترونيات هو معالج Arduino Uno (Rev 3) (Adafruit # 50) مع لوحات للعرض (Adafruit # 399) ، وتوقيت ساعة الوقت الحقيقي (Adafruit # 1141) وسائقي المحركات بخطوتين (Adafruit # 1438). تتواصل جميع اللوحات مع المعالج باستخدام واجهة I2C التسلسلية. تتوفر برامج تشغيل لجميع هذه البرامج مما يجعل تطوير وحدة التحكم في شاشة الظل أبسط بكثير.

الخطوة الأولى: تحديد المتطلبات

يجب أن تعمل المظلات على الأقل بنفس سرعة التدوير اليدوي. قد تكون سرعة تدوير اليد المستمرة هي 1 كرنك في الثانية. معظم المحركات المتدرجة لها حجم خطوة يبلغ 1.8 درجة ، أو 200 خطوة لكل دورة. لذلك يجب أن تكون السرعة الدنيا للخطوة حوالي 200 خطوة في الثانية. هذا سيكون أفضل مرتين.

تم قياس عزم الدوران لرفع الظل أو خفضه من خلال الترس الدودي Coolaroo على 9 شاشات ظل في الجزء العلوي والسفلي من مسارها باستخدام مفك براغي مُعاير (McMaster Carr # 5699A11 له مدى +/- 6 بوصة رطل). كان هذا هو عزم الدوران "الانفصالي" ، وكان متنوعًا كثيرًا. كان الحد الأدنى 0.25 رطل والحد الأقصى 3.5 رطل. الوحدة المترية المناسبة لعزم الدوران هي N-m و 3 in-lbs هي.40 N-m والتي استخدمتها كـ "عزم الاحتكاك" الاسمي.

يحدد بائعو المحركات المتدرجة عزم دوران المحرك بوحدات kg-cm لسبب ما. الحد الأدنى لعزم الدوران المذكور أعلاه البالغ 0.4 نيوتن متر هو 4.03 كجم سم. للحصول على هامش عزم جيد ، أردت محركًا قادرًا على تقديم ضعف هذا أو حوالي 8 كجم-سم. بالنظر إلى المحركات المتدرجة المدرجة في Circuit Specialists ، سرعان ما أشارت إلى أنني بحاجة إلى محرك بحجم الإطار 23. هذه متوفرة بأطوال مكدسات قصيرة ومتوسطة وطويلة ومجموعة متنوعة من اللفات.

الخطوة الثانية: بناء مقياس ديناميكي

تتميز المحركات المتدرجة بخصائص مميزة لعزم الدوران مقابل السرعة التي تعتمد على الطريقة التي تُدار بها لفاتها. هناك سببان لتناقص عزم الدوران مع السرعة. الأول هو أن الجهد الكهرومغناطيسي الخلفي يتم تطويره في اللفات التي تعارض الجهد المطبق. ثانياً ، محاثة اللف تعارض التغيير في التيار الذي يحدث مع كل خطوة.

يمكن توقع أداء محرك متدرج باستخدام محاكاة ديناميكية ، ويمكن قياسه باستخدام مقياس ديناميكي. لقد فعلت كلاهما ، لكنني لن أناقش المحاكاة لأن بيانات الاختبار هي حقًا تحقق من دقة المحاكاة.

يسمح مقياس الديناميكي بقياس سعة عزم الدوران للمحرك أثناء التشغيل بسرعة يتم التحكم فيها. تقوم فرامل الجسيمات المغناطيسية المعايرة بتطبيق عزم الحمل على المحرك. ليست هناك حاجة لقياس السرعة لأنها ستكون مساوية لمعدل خطوة المحرك حتى يتجاوز عزم الحمل قدرة المحرك. بمجرد حدوث ذلك ، يفقد المحرك التزامن ويصنع مضربًا عاليًا. يتكون إجراء الاختبار من التحكم بسرعة ثابتة ، وزيادة التيار ببطء عبر الفرامل ، والإشارة إلى قيمتها قبل أن يفقد المحرك التزامن. يتكرر هذا بسرعات مختلفة ويتم رسمه على أنه عزم الدوران مقابل السرعة.

تم اختيار فرامل الجسيمات المغناطيسية من طراز Placid Industries B25P-10-1 الذي تم شراؤه على موقع Ebay. لم يعد هذا النموذج مدرجًا على موقع الشركة المصنعة على الويب ، ولكن من رقم الجزء ، تم تصنيفه لتوفير أقصى عزم دوران يبلغ 25 رطل = 2.825 نيوتن متر ، وتم تصميم الملف لـ 10 VDC (كحد أقصى). هذا مناسب بشكل مثالي لاختبار حجم 23 محركًا قيد الدراسة والتي تم تصنيفها لإنتاج عزم دوران قصوى يبلغ حوالي 1.6 نيوتن متر. بالإضافة إلى ذلك ، تأتي هذه المكابح بفتحة تجريبية وفتحات تثبيت مماثلة لتلك المستخدمة في محركات NMEA 23 ، لذلك يمكن تركيبها باستخدام نفس حجم دعامة التثبيت مثل المحرك. تحتوي المحركات على أعمدة بقطر بوصة والفرامل مزودة بعمود بوصة ، لذلك تم أيضًا شراء محول اقتران مرن بنفس أعمدة الحجم على موقع ئي باي. كل ما كان مطلوبًا هو التركيب على قوسين على قاعدة من الألومنيوم. توضح الصورة أعلاه منصة الاختبار. الأقواس المتصاعدة متاحة بسهولة على Amazon و Ebay.

يتناسب عزم الكبح الخاص بفرامل الجسيمات المغناطيسية مع تيار اللف. لمعايرة الفرامل ، تم توصيل أي من مفكات قياس عزم الدوران بالعمود في الجانب المقابل من الفرامل كمحرك متدرج. كان المفكان المستخدمان هما رقم الجزء 5699A11 و 5699A14 من McMaster Carr. الأول لديه أقصى مدى لعزم الدوران من 6 in-lb = 0.678 N-m والأخير لديه أقصى نطاق عزم 25 in-lb = 2.825 N-m. تم توفير التيار من مصدر طاقة تيار مستمر متغير CSI5003XE (50 فولت / 3 أمبير). يوضح الرسم البياني أعلاه عزم الدوران المقاس مقابل التيار.

لاحظ أنه في نطاق الاهتمام لهذه الاختبارات ، يمكن تقريب عزم الكبح عن كثب من خلال العلاقة الخطية Torque (N-m) = 1.75 x Brake Current (A).

الخطوة 3: حدد برامج تشغيل المحركات خطوة المرشح

قد يتم تشغيل المحركات المتدرجة بملف واحد نشط بالكامل في وقت يسمى عادة خطوة واحدة ، وكلا الملفين نشطين بالكامل (خطوة مزدوجة) أو كلا الملفين نشطين جزئيًا (MICROSTEPPING). في هذا التطبيق ، نحن مهتمون بأقصى عزم دوران ، لذلك يتم استخدام خطو مزدوج فقط.

يتناسب عزم الدوران مع تيار اللف. قد يتم تشغيل محرك متدرج بجهد ثابت إذا كانت مقاومة اللف عالية بما يكفي للحد من تيار الحالة المستقرة إلى القيمة المقدرة للمحرك. يستخدم Adafruit # 1438 Motorshield محركات جهد ثابت (TB6612FNG) مصنفة عند 15 فولت تيار مستمر ، 1.2 أمبير كحد أقصى. هذا السائق هو اللوحة الأكبر الموضحة في الصورة الأولى أعلاه (بدون لوحتين الابنتين على اليسار).

الأداء مع محرك جهد ثابت محدود لأن التيار عند السرعة ينخفض بشكل كبير بسبب كل من محاثة اللف و EMF الخلفي. تتمثل الطريقة البديلة في اختيار محرك ذو مقاومة أقل وملف حث وقيادته بتيار ثابت. يتم إنتاج التيار الثابت عن طريق عرض النبضة الذي يعدل الجهد المطبق.

جهاز كبير يستخدم لتوفير محرك تيار مستمر هو DRV8871 الذي صنعته شركة Texas Instruments. يحتوي هذا IC الصغير على جسر H مع إحساس داخلي بالتيار. يتم استخدام المقاوم الخارجي لضبط التيار الثابت (أو الأقصى) المطلوب. يقوم IC تلقائيًا بفصل الجهد عندما يتجاوز التيار القيمة المبرمجة ويعيد تطبيقه عندما ينخفض إلى ما دون بعض العتبة.

تم تصنيف DRV8871 عند 45 فولت تيار مستمر ، 3.6 أمبير كحد أقصى. يحتوي على دائرة استشعار داخلية لدرجة الحرارة الزائدة تفصل الجهد عندما تصل درجة حرارة الوصلة إلى 175 درجة مئوية. يتوفر IC فقط في حزمة HSOP ذات 8 أسنان والتي تحتوي على وسادة حرارية على الجانب السفلي. تبيع TI لوحة تطوير تحتوي على IC واحد (اثنان مطلوبان لمحرك خطوة واحدة) ، لكنها باهظة الثمن. تبيع Adafruit وآخرون لوحة نماذج أولية صغيرة (Adafruit # 3190). للاختبار ، تم تركيب اثنتين منها خارج Adafruit Motorshield كما هو موضح في الصورة الأولى أعلاه.

إمكانيات القيادة الحالية لكل من TB6612 و DRV8871 محدودة عمليًا بسبب ارتفاع درجة الحرارة داخل الأجزاء. هذا سيعتمد على امتصاص الحرارة للأجزاء بالإضافة إلى درجة الحرارة المحيطة. في اختبارات درجة حرارة غرفتي ، وصلت الألواح التابعة DRV8871 (Adafruit # 3190) إلى حدود درجات الحرارة الزائدة في حوالي 30 ثانية عند 2 أمبير ، وأصبحت المحركات المتدرجة غير منتظمة للغاية (مرحلة واحدة بشكل متقطع مع قطع دائرة درجة الحرارة الزائدة للداخل والخارج). يعد استخدام DRV8871's كلوح ابنة بمثابة خلل على أي حال ، لذلك تم تصميم درع جديد (AutoShade # 100105) يحتوي على أربعة من برامج التشغيل من أجل تشغيل محركات ذات خطوتين. تم تصميم هذا اللوح بكمية كبيرة من مستوى الأرض على كلا الجانبين لتسخين الدوائر المتكاملة. يستخدم نفس الواجهة التسلسلية لـ Arduino مثل Adafruit Motorshield ، لذلك يمكن استخدام برنامج المكتبة نفسه للسائقين. تُظهر الصورة الثانية أعلاه لوحة الدائرة هذه. لمزيد من المعلومات حول AutoShade # 100105 ، راجع القائمة على Amazon أو موقع AutoShade.mx على الويب.

في تطبيق شاشة الظل الخاص بي ، يستغرق الأمر من 15 إلى 30 ثانية لرفع أو خفض كل ظل حسب إعداد السرعة ومسافة الظل. لذلك يجب أن يكون التيار محدودًا بحيث لا يتم الوصول إلى حد درجة الحرارة الزائدة أبدًا أثناء التشغيل. الوقت اللازم للوصول إلى حدود درجة الحرارة الزائدة على 100105 أكبر من 6 دقائق بحد تيار 1.6 أمبير وأكبر من دقيقة واحدة بحد تيار 2.0 أمبير.

الخطوة 4: حدد المرشح Step Motors

يمتلك متخصصو الدوائر محركين بحجم 23 خطوة يوفران 8 كجم سم من عزم الدوران المطلوب. يحتوي كلاهما على ملفين من مرحلتين مع صنابير مركزية بحيث يمكن توصيلهما بحيث يتم تشغيل اللفات الكاملة أو نصف اللفات. تم سرد مواصفات هذه المحركات في الجدولين أعلاه. كلا المحركين متطابقان ميكانيكيًا تقريبًا ، لكن محرك 104 كهربائيًا له مقاومة وتحريض أقل بكثير من محرك 207. بالمناسبة ، المواصفات الكهربائية لإثارة نصف الملف. عند استخدام الملف بالكامل ، تتضاعف المقاومة ويزداد المحاثة بمعامل 4.

الخطوة 5: قياس عزم الدوران مقابل سرعة المرشحين

باستخدام مقياس القوة (والمحاكاة) ، تم تحديد منحنيات عزم الدوران مقابل السرعة لعدد من تكوينات المحرك / الملف / المحرك الحالي. يمكن تنزيل البرنامج (الرسم التخطيطي) المستخدم لتشغيل مقياس القوة لهذه الاختبارات من موقع الويب AutoShade.mx.

الخطوة 6: محرك جهد ثابت لـ 57BYGH207 نصف ملف في التصنيف الحالي

ينتج عن المحرك 57BYGH207 بنصف ملف يتم تشغيله بجهد 12 فولت (وضع الجهد الثابت) 0.4 أمبير وكان تكوين محرك الأقراص الأصلي. يمكن تشغيل هذا المحرك مباشرة من Adafruit # 1434 Motorshield. يوضح الشكل أعلاه خصائص سرعة عزم الدوران المحاكاة والمقاسة جنبًا إلى جنب مع أسوأ احتكاك للحالة. ينخفض هذا التصميم كثيرًا عن عزم الدوران المطلوب المطلوب للتشغيل بمعدل 200 إلى 400 خطوة في الثانية.

الخطوة 7: محرك تيار مستمر لـ 57BYGH207 نصف ملف في التصنيف الحالي

مضاعفة الجهد المطبق ولكن استخدام محرك المروحية للحد من التيار إلى 0.4 أمبير يحسن الأداء بشكل كبير كما هو موضح أعلاه. زيادة الجهد المطبق من شأنه أن يحسن الأداء أكثر. لكن التشغيل فوق 12 فولت تيار مستمر غير مرغوب فيه لعدة أسباب.

· DRV8871 هو جهد محدود بـ 45 فولت تيار مباشر

· إمدادات الطاقة المثبتة على الحائط ذات الجهد العالي ليست شائعة جدًا وهي أكثر تكلفة

· منظمات الجهد المستخدمة لتزويد طاقة 5 VDC للدائرة المنطقية المستخدمة في تصميم Arduino تقتصر على 15 VDC كحد أقصى. لذا فإن تشغيل المحركات بجهد أعلى من هذا يتطلب موردي طاقة.

الخطوة 8: محرك تيار مستمر لـ 57BYGH207 لفائف كاملة في التصنيف الحالي

تم النظر إلى هذا من خلال المحاكاة ولكن لم يتم اختباره لأنني لم يكن لدي مصدر طاقة 48 فولت. يتضاعف عزم الدوران عند السرعات المنخفضة عندما يتم دفع الملف الكامل بالتيار المقنن ، ولكن بعد ذلك ينخفض بسرعة أكبر مع السرعة.

الخطوة 9: محرك تيار مستمر لـ 57BYGH104 لفائف كاملة عند ½ التصنيف الحالي

مع 12 VDC وتيار 1.0A ، تظهر خصائص سرعة عزم الدوران أعلاه النتائج. نتائج الاختبار تفي بمتطلبات التشغيل بمعدل 400 خطوة في الثانية.

الخطوة 10: محرك تيار مستمر لـ 57BYGH104 لفائف كاملة عند 3/4 تيار مصنّف

زيادة تيارات اللف إلى 1.6 أمبير يزيد من هامش عزم الدوران بشكل كبير.

الخطوة 11: محرك تيار مستمر لـ 57BYGH104 لفائف كاملة في التصنيف الحالي

إذا زادت تيارات اللف إلى 2A ، وزاد عزم الدوران كما هو موضح أعلاه ، ولكن ليس بالقدر الذي تتوقعه المحاكاة. لذلك هناك شيء ما يحدث في الواقع يحد من عزم الدوران عند هذه التيارات العالية.

الخطوة 12: عمل الاختيار النهائي

يعد استخدام الملف الكامل بدلاً من النصف أفضل بالتأكيد ولكنه غير مرغوب فيه مع المحرك 207 بسبب الجهد العالي المطلوب. يسمح المحرك 104 بالتشغيل بجهد منخفض مطبق. لذلك يتم اختيار هذا المحرك.

تبلغ مقاومة الملف الكاملة لمحرك 57BYGH104 2.2 أوم. تبلغ مقاومة السائق FETS في DRV8871 حوالي 0.6 أوم. تبلغ مقاومة الأسلاك النموذجية من وإلى المحركات حوالي 1 أوم. لذا فإن القدرة المشتتة في دائرة محرك واحدة هي تربيع تيار اللف مضروبًا في 3.8 أوم. إجمالي الطاقة هو ضعف هذا لأن كلا الملفين يتم تشغيلهما في نفس الوقت. بالنسبة للتيارات المتعرجة المذكورة أعلاه ، يتم عرض النتائج في هذا الجدول.

يتيح لنا الحد من التيارات الحركية إلى 1.6 أمبير استخدام مصدر طاقة أصغر وأقل تكلفة 24 واط. يتم فقد القليل جدًا من هامش عزم الدوران. أيضًا ، المحركات المتدرجة ليست أجهزة هادئة. دفعهم بتيار أعلى يجعلهم أعلى. لذلك ، من أجل توفير طاقة أقل وتشغيل أكثر هدوءًا ، تم اختيار الحد الحالي ليكون 1.6 أمبير.