Selezione di un motore passo-passo e driver per un progetto di schermatura automatizzata Arduino: 12 passaggi (con immagini)

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:02

In questo Instructable, illustrerò i passaggi che ho seguito per selezionare un motore passo-passo e un driver per un progetto prototipo di Automated Shade Screen. Gli schermi ombreggianti sono i popolari ed economici modelli a manovella Coolaroo, e volevo sostituire le manovelle con motori passo-passo e un controller centrale che potesse essere programmato per alzare e abbassare le tende in base agli orari calcolati del sorgere e del tramonto. Il progetto si è evoluto attraverso almeno cinque iterazioni in un prodotto che puoi trovare su Amazon.com o AutoShade.mx, ma il processo per selezionare il motore passo-passo e l'elettronica del driver è applicabile a molti altri progetti basati su Arduino.

La configurazione iniziale scelta per l'elettronica del prototipo era il processore Arduino Uno (Rev 3) (Adafruit #50) con schede per il display (Adafruit #399), temporizzazione dell'orologio in tempo reale (Adafruit #1141) e driver per motori dual step (Adafruit #1438). Tutte le schede comunicano con il processore tramite un'interfaccia seriale I2C. I driver software sono disponibili per tutti questi aspetti, rendendo molto più semplice lo sviluppo del controller dello schermo ombreggiante.

Passaggio 1: determinare i requisiti

Le tende dovrebbero funzionare almeno alla stessa velocità dell'azionamento manuale. Una velocità di avviamento manuale sostenuta potrebbe essere di 1 manovella al secondo. La maggior parte dei motori passo passo ha una dimensione del passo di 1,8 gradi o 200 passi per giro. Quindi la velocità minima del passo dovrebbe essere di circa 200 passi al secondo. Due volte sarebbe ancora meglio.

La coppia per alzare o abbassare l'ombra attraverso l'ingranaggio a vite senza fine Coolaroo è stata misurata su 9 schermi ombreggianti nella parte superiore e inferiore della loro corsa utilizzando un cacciavite dinamometrico calibrato (McMaster Carr # 5699A11 con un intervallo di +/- 6 in-lbs). Questa era la coppia "di fuga", e variava molto. Il minimo era di 0,25 pollici-lbs e il massimo era di 3,5 pollici-lbs. L'unità di misura metrica corretta per la coppia è N-m e 3 in-lbs è.40 N-m che ho usato come "coppia di attrito" nominale.

I fornitori di motori passo-passo specificano la coppia del motore in unità di kg-cm per qualche motivo. La coppia minima di cui sopra di 0,4 N-m è di 4,03 Kg-cm. Per un margine di coppia decente volevo un motore in grado di erogare il doppio di questo o circa 8 Kg-cm. Esaminando i motori passo-passo elencati da Circuit Specialists ho subito indicato che avevo bisogno di un motore di taglia 23. Questi sono disponibili in lunghezze di pila corte, medie e lunghe e una varietà di avvolgimenti.

Passaggio 2: costruisci un dinamometro

I motori passo-passo hanno una caratteristica coppia/velocità distinta che dipende dal modo in cui vengono azionati i loro avvolgimenti. Ci sono due ragioni per cui la coppia diminuisce con la velocità. Il primo è che negli avvolgimenti si sviluppa un EMF (tensione) posteriore che si oppone alla tensione applicata. In secondo luogo, l'induttanza dell'avvolgimento si oppone alla variazione di corrente che si verifica ad ogni passo.

Le prestazioni di un motore passo-passo possono essere previste utilizzando una simulazione dinamica e possono essere misurate utilizzando un dinamometro. Ho fatto entrambe le cose, ma non parlerò della simulazione perché i dati del test sono davvero un controllo sull'accuratezza della simulazione.

Un dinamometro consente di misurare la capacità di coppia di un motore durante il funzionamento a velocità controllata. Un freno a particelle magnetiche calibrato applica la coppia di carico al motore. Non è necessario misurare la velocità poiché sarà uguale alla velocità di passo del motore finché la coppia di carico non supera la capacità del motore. Una volta che ciò accade, il motore perde la sincronizzazione e fa un fracasso rumoroso. La procedura di test consiste nel comandare una velocità costante, aumentando lentamente la corrente attraverso il freno e rilevandone il valore appena prima che il motore perda la sincronizzazione. Questo viene ripetuto a varie velocità e tracciato come coppia in funzione della velocità.

Il freno a particelle magnetiche scelto è un modello Placid Industries B25P-10-1 acquistato su Ebay. Questo modello non è più elencato sul sito Web del produttore, ma dal numero di parte è valutato per fornire una coppia di picco di 25 in-lb = 2,825 N-m e la bobina è progettata per 10 V CC (max). Questo è l'ideale per testare i motori di taglia 23 in esame che sono classificati per produrre coppie di picco di circa 1,6 N-m. Inoltre, questo freno è dotato di un foro pilota e di fori di montaggio identici a quelli utilizzati sui motori NMEA 23, quindi può essere montato utilizzando la staffa di montaggio delle stesse dimensioni del motore. I motori hanno alberi da ¼ di pollice e il freno è dotato di un albero da ½ pollice, quindi su Ebay è stato acquistato anche un adattatore di accoppiamento flessibile con alberi della stessa dimensione. Tutto ciò che era necessario era montare su due staffe su una base in alluminio. La foto sopra mostra il banco di prova. Le staffe di montaggio sono facilmente disponibili su Amazon ed Ebay.

La coppia frenante del freno a particelle magnetiche è proporzionale alla corrente di avvolgimento. Per calibrare il freno, uno dei due cacciaviti per la misurazione della coppia è stato collegato all'albero sul lato opposto del freno come motore passo-passo. I due cacciaviti utilizzati erano i codici McMaster Carr 5699A11 e 5699A14. Il primo ha un intervallo di coppia massima di 6 in-lb = 0,678 N-m e il secondo ha un intervallo di coppia massima di 25 in-lb = 2,825 N-m. La corrente è stata fornita da un alimentatore CC variabile CSI5003XE (50 V/3 A). Il grafico sopra mostra la coppia misurata rispetto alla corrente.

Si noti che nell'intervallo di interesse per questi test, la coppia frenante può essere strettamente approssimata dalla relazione lineare Coppia (N-m) = 1,75 x Corrente freno (A).

Passaggio 3: selezionare i driver del motore passo-passo candidati

I motori passo-passo possono essere azionati con un avvolgimento completamente attivo alla volta comunemente chiamato SINGOLO passo, entrambi gli avvolgimenti completamente attivi (DOPPIO passo) o entrambi gli avvolgimenti parzialmente attivi (MICROSTEPPING). In questa applicazione, siamo interessati alla coppia massima, quindi viene utilizzato solo il DOPPIO passo.

La coppia è proporzionale alla corrente di avvolgimento. Un motore passo-passo può essere azionato con una tensione costante se la resistenza dell'avvolgimento è sufficientemente alta da limitare la corrente allo stato stazionario al valore nominale per il motore. L'Adafruit #1438 Motorshield utilizza driver a tensione costante (TB6612FNG) con una tensione nominale di 15 VDC, 1,2 amp massimo. Questo driver è la scheda più grande mostrata nella prima foto sopra (senza le due schede figlie a sinistra).

Le prestazioni con un driver a tensione costante sono limitate perché la corrente alla velocità è notevolmente ridotta a causa sia dell'induttanza dell'avvolgimento che dell'EMF posteriore. Un approccio alternativo consiste nel selezionare un motore con un avvolgimento di resistenza e induttanza inferiore e guidarlo con una corrente costante. La corrente costante è prodotta dalla modulazione dell'ampiezza dell'impulso della tensione applicata.

Un ottimo dispositivo utilizzato per fornire l'azionamento a corrente costante è il DRV8871 prodotto da Texas Instruments. Questo piccolo circuito integrato contiene un ponte H con un sensore di corrente interno. Un resistore esterno viene utilizzato per impostare la corrente costante (o massima) desiderata. L'IC disconnette automaticamente la tensione quando la corrente supera il valore programmato e la riapplica quando scende al di sotto di una certa soglia.

Il DRV8871 è valutato a 45 VDC, 3,6 amp massimo. Contiene un circuito di rilevamento della sovratemperatura interno che disconnette la tensione quando la temperatura di giunzione raggiunge i 175 gradi C. L'IC è disponibile solo in un contenitore HSOP a 8 pin con un pad termico sul lato inferiore. TI vende una scheda di sviluppo che contiene un circuito integrato (due sono necessari per un motore passo-passo), ma è molto costosa. Adafruit e altri vendono una piccola scheda di prototipazione (Adafruit #3190). Per prova, due di questi sono stati montati fuoribordo di un Adafruit Motorshield come mostrato nella prima foto sopra.

Le attuali capacità di azionamento sia del TB6612 che del DRV8871 sono in pratica limitate dall'aumento della temperatura all'interno delle parti. Ciò dipenderà dall'assorbimento di calore delle parti e dalla temperatura ambiente. Nei miei test a temperatura ambiente, le schede figlie DRV8871 (Adafruit #3190) hanno raggiunto i limiti di sovratemperatura in circa 30 secondi a 2 ampere e i motori passo-passo diventano molto irregolari (singola fase intermittente quando il circuito di sovratemperatura si inserisce e disinserisce). L'utilizzo dei DRV8871 come schede figlie è comunque un problema, quindi è stato progettato un nuovo scudo (AutoShade #100105) che contiene quattro dei driver per azionare due motori passo-passo. Questa scheda è stata progettata con una grande quantità di piano di massa su entrambi i lati per dissipare il calore dei circuiti integrati. Utilizza la stessa interfaccia seriale per Arduino come Adafruit Motorshield, quindi lo stesso software di libreria può essere utilizzato per i driver. La seconda foto sopra mostra questo circuito. Per ulteriori informazioni su AutoShade #100105, vedere l'elenco su Amazon o il sito Web AutoShade.mx.

Nella mia applicazione schermo ombreggiante, ci vogliono dai 15 ai 30 secondi per alzare o abbassare ogni sfumatura a seconda dell'impostazione della velocità e della distanza di ombreggiatura. La corrente dovrebbe quindi essere limitata in modo tale che il limite di sovratemperatura non venga mai raggiunto durante il funzionamento. Il tempo per raggiungere i limiti di sovratemperatura sul 100105 è maggiore di 6 minuti con un limite di corrente di 1,6 amp e maggiore di 1 minuto con un limite di corrente di 2,0 amp.

Passaggio 4: selezionare i motori passo passo candidati

Circuit Specialists ha due motori passo-passo di dimensione 23 che forniscono gli 8 kg-cm di coppia richiesti. Entrambi hanno avvolgimenti a due fasi con prese centrali in modo che possano essere collegati in modo tale che vengano pilotati gli avvolgimenti completi o i mezzi avvolgimenti. Le specifiche per questi motori sono elencate nelle due tabelle sopra. Entrambi i motori sono meccanicamente quasi identici, ma elettricamente il motore 104 ha una resistenza e un'induttanza molto inferiori rispetto al motore 207. A proposito, le specifiche elettriche sono per l'eccitazione a metà bobina. Quando viene utilizzato l'intero avvolgimento, la resistenza raddoppia e l'induttanza aumenta di un fattore 4.

Passaggio 5: misurare la coppia rispetto alla velocità dei candidati

Utilizzando il dinamometro (e la simulazione) sono state determinate le curve coppia/velocità per un numero di configurazioni motore/avvolgimento/azionamento corrente. Il programma (schizzo) utilizzato per eseguire il dinamometro per questi test può essere scaricato dal sito Web AutoShade.mx.

Passaggio 6: azionamento a tensione costante della mezza bobina 57BYGH207 alla corrente nominale

Il motore 57BYGH207 con mezza bobina pilotata a 12V (modalità a tensione costante) produce 0,4 amp ed era la configurazione originale del drive. Questo motore può essere azionato direttamente dall'Adafruit #1434 Motorshield. La figura sopra mostra le caratteristiche della velocità di coppia simulata e misurata insieme all'attrito nel caso peggiore. Questo design è molto al di sotto della coppia desiderata richiesta per il funzionamento da 200 a 400 passi al secondo.

Passaggio 7: azionamento a corrente costante della mezza bobina 57BYGH207 alla corrente nominale

Raddoppiando la tensione applicata ma utilizzando l'azionamento del chopper per limitare la corrente a 0,4 amp, le prestazioni migliorano significativamente come mostrato sopra. Aumentare ulteriormente la tensione applicata migliorerebbe ulteriormente le prestazioni. Ma il funzionamento sopra i 12 V CC è indesiderabile per diversi motivi.

· Il DRV8871 ha una tensione limitata a 45 VDC

· Gli alimentatori per montaggio a parete ad alta tensione non sono così comuni e sono più costosi

· I regolatori di tensione utilizzati per fornire l'alimentazione a 5 V CC per i circuiti logici utilizzati nel progetto Arduino sono limitati a 15 V CC max. Quindi il funzionamento dei motori a tensioni superiori a questo richiederebbe due alimentatori.

Passaggio 8: azionamento a corrente costante della bobina completa 57BYGH207 alla corrente nominale

Questo è stato esaminato con la simulazione ma non testato perché non avevo un'alimentazione a 48 V. La coppia alle basse velocità raddoppia quando l'intera bobina viene pilotata alla corrente nominale, ma poi diminuisce più rapidamente con la velocità.

Fase 9: Azionamento a corrente costante di 57BYGH104 Full Coil a ½ Corrente Nominale

Con 12 VDC e una corrente di 1,0 A, si ottiene la caratteristica coppia-velocità mostrata sopra. I risultati del test soddisfano i requisiti per il funzionamento a 400 passi al secondo.

Passaggio 10: azionamento a corrente costante della bobina completa 57BYGH104 a 3/4 di corrente nominale

L'aumento delle correnti di avvolgimento a 1,6 amp aumenta notevolmente il margine di coppia.

Passaggio 11: azionamento a corrente costante della bobina completa 57BYGH104 alla corrente nominale

Se le correnti di avvolgimento vengono aumentate a 2A e la coppia aumenta come mostrato sopra, ma non tanto quanto prevedrebbe la simulazione. Quindi in realtà sta accadendo qualcosa che limita la coppia a queste correnti più elevate.

Passaggio 12: fare la selezione finale

L'utilizzo dell'intera bobina anziché della metà è decisamente migliore, ma non è auspicabile con il motore 207 a causa della maggiore tensione richiesta. Il motore 104 consente il funzionamento a una tensione applicata più bassa. Questo motore è quindi selezionato.

La resistenza completa della bobina del motore 57BYGH104 è di 2,2 ohm. La resistenza del driver FETS nel DRV8871 è di circa 0,6 ohm. La resistenza tipica del cablaggio da e verso i motori è di circa 1 ohm. Quindi la potenza dissipata in un circuito del motore è la corrente di avvolgimento al quadrato per 3,8 ohm. La potenza totale è doppia poiché entrambi gli avvolgimenti sono azionati contemporaneamente. Per le correnti di avvolgimento considerate sopra, i risultati sono riportati in questa tabella.

Limitare le correnti del motore a 1,6 amp ci consente di utilizzare un alimentatore da 24 watt più piccolo e meno costoso. Si perde pochissimo margine di coppia. Inoltre, i motori passo-passo non sono dispositivi silenziosi. Guidarli a una corrente più elevata li rende più rumorosi. Quindi, nell'interesse di una potenza inferiore e di un funzionamento più silenzioso, il limite di corrente è stato scelto di 1,6 ampere.