Memilih Motor Langkah dan Driver untuk Proyek Layar Naungan Otomatis Arduino: 12 Langkah (dengan Gambar)

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Terakhir diubah: 2024-01-30 09:55

Dalam Instruksi ini, saya akan melalui langkah-langkah yang saya ambil untuk memilih Motor Langkah dan Driver untuk proyek Prototipe Layar Naungan Otomatis. Layar bayangan adalah model engkol tangan Coolaroo yang populer dan murah, dan saya ingin mengganti engkol tangan dengan motor langkah dan pengontrol pusat yang dapat diprogram untuk menaikkan dan menurunkan bayangan berdasarkan waktu matahari terbit dan terbenam yang dihitung. Proyek ini telah berkembang melalui setidaknya lima iterasi menjadi produk yang dapat Anda temukan di Amazon.com atau AutoShade.mx, tetapi proses untuk memilih motor langkah dan elektronik drivernya adalah salah satu yang harus diterapkan pada banyak proyek berbasis Arduino lainnya.

Konfigurasi awal yang dipilih untuk prototipe elektronik adalah prosesor Arduino Uno (Rev 3) (Adafruit #50) dengan papan untuk tampilan (Adafruit #399), pengaturan waktu jam waktu nyata (Adafruit #1141) dan driver motor langkah ganda (Adafruit #1438). Semua papan berkomunikasi dengan prosesor menggunakan antarmuka serial I2C. Driver perangkat lunak tersedia untuk semua ini sehingga membuat pengembangan pengontrol layar teduh menjadi lebih sederhana.

Langkah 1: Tentukan Persyaratan

Nuansa harus beroperasi setidaknya secepat dengan engkol tangan. Kecepatan engkol tangan yang berkelanjutan mungkin 1 engkol per detik. Kebanyakan motor langkah memiliki ukuran langkah 1,8 derajat, atau 200 langkah per putaran. Jadi kecepatan langkah minimum harus sekitar 200 langkah per detik. Dua kali itu akan lebih baik.

Torsi untuk menaikkan atau menurunkan naungan melalui roda gigi cacing Coolaroo diukur pada 9 layar pelindung di bagian atas dan bawah perjalanannya menggunakan obeng torsi terkalibrasi (McMaster Carr #5699A11 memiliki kisaran +/- 6 in-lbs). Ini adalah torsi "breakaway", dan sangat bervariasi. Minimum adalah 0,25 in-lbs dan maksimum adalah 3,5 in-lbs. Satuan metrik yang tepat untuk mengukur torsi adalah N-m dan 3 in-lbs adalah 0,40 N-m yang saya gunakan sebagai "torsi gesekan" nominal.

Langkah vendor motor menentukan torsi motor dalam satuan kg-cm karena beberapa alasan. Torsi minimum di atas 0,4 N-m adalah 4,03 Kg-cm. Untuk margin torsi yang layak, saya menginginkan motor yang mampu menghasilkan dua kali ini atau sekitar 8 Kg-cm. Melihat motor langkah yang terdaftar di Spesialis Sirkuit dengan cepat menunjukkan bahwa saya membutuhkan motor ukuran bingkai 23. Ini tersedia dalam panjang tumpukan pendek, menengah dan panjang dan berbagai gulungan.

Langkah 2: Bangun Dinamometer

Motor langkah memiliki karakteristik torsi vs kecepatan yang berbeda yang bergantung pada cara belitannya digerakkan. Ada dua alasan mengapa torsi berkurang dengan kecepatan. Yang pertama adalah bahwa EMF balik (tegangan) dikembangkan dalam belitan yang menentang tegangan yang diberikan. Kedua, induktansi belitan menentang perubahan arus yang terjadi pada setiap langkah.

Kinerja motor langkah dapat diprediksi dengan menggunakan simulasi dinamis, dan dapat diukur dengan menggunakan dinamometer. Saya melakukan keduanya, tetapi tidak akan membahas simulasi karena data uji benar-benar memeriksa keakuratan simulasi.

Dinamometer memungkinkan pengukuran kapasitas torsi motor saat berjalan pada kecepatan yang terkontrol. Rem partikel magnetik yang dikalibrasi menerapkan torsi beban ke motor. Tidak perlu mengukur kecepatan karena akan sama dengan laju langkah motor sampai torsi beban melebihi kemampuan motor. Setelah ini terjadi, motor kehilangan sinkronisasi dan membuat keributan keras. Prosedur pengujian terdiri dari memerintahkan kecepatan konstan, perlahan-lahan meningkatkan arus melalui rem, dan mencatat nilainya sebelum motor kehilangan sinkronisasi. Ini diulang pada berbagai kecepatan dan diplot sebagai torsi vs kecepatan.

Rem partikel magnetik yang dipilih adalah model Placid Industries B25P-10-1 yang dibeli di Ebay. Model ini tidak lagi terdaftar di situs web pabrikan, tetapi dari nomor komponen, model ini dinilai mampu memasok torsi puncak 25 in-lb = 2,825 N-m, dan koil dirancang untuk 10 VDC (maks). Ini sangat cocok untuk menguji motor ukuran 23 yang sedang dipertimbangkan yang dinilai untuk menghasilkan torsi puncak sekitar 1,6 N-m. Selain itu, rem ini dilengkapi dengan lubang pilot dan lubang pemasangan yang identik dengan yang digunakan pada motor NMEA 23, sehingga dapat dipasang menggunakan braket pemasangan dengan ukuran yang sama dengan motor. Motor memiliki poros inci dan rem dilengkapi dengan poros inci sehingga adaptor kopling fleksibel dengan poros ukuran yang sama juga dibeli di Ebay. Yang diperlukan hanyalah memasang dua braket ke dasar aluminium. Foto di atas menunjukkan tempat uji. Braket pemasangan sudah tersedia di Amazon dan Ebay.

Torsi pengereman rem partikel magnetik sebanding dengan arus belitan. Untuk mengkalibrasi rem, salah satu dari dua obeng pengukur torsi dihubungkan ke poros di sisi berlawanan dari rem sebagai motor langkah. Dua obeng yang digunakan adalah nomor suku cadang McMaster Carr 5699A11 dan 5699A14. Yang pertama memiliki kisaran torsi maksimum 6 in-lb = 0,678 N-m dan yang terakhir memiliki kisaran torsi maksimum 25 in-lb = 2,825 N-m. Arus disuplai dari catu daya DC variabel CSI5003XE (50 V/3A). Grafik di atas menunjukkan torsi vs arus yang diukur.

Perhatikan bahwa dalam rentang yang diinginkan untuk pengujian ini, torsi pengereman dapat didekati dengan hubungan linier Torsi (N-m) = 1,75 x Arus Rem (A).

Langkah 3: Pilih Calon Pengemudi Motor Langkah

Motor langkah dapat digerakkan dengan satu belitan aktif penuh pada satu waktu yang biasa disebut loncatan TUNGGAL, kedua belitan aktif penuh (loncatan GANDA) atau keduanya aktif sebagian (MICROSTEPPING). Dalam aplikasi ini, kami tertarik pada torsi maksimum, jadi hanya loncatan GANDA yang digunakan.

Torsi sebanding dengan arus belitan. Motor langkah dapat digerakkan dengan tegangan konstan jika tahanan belitan cukup tinggi untuk membatasi arus keadaan tunak ke nilai pengenal motor. Adafruit #1438 Motorshield menggunakan driver tegangan konstan (TB6612FNG) yang dinilai pada 15 VDC, maksimum 1,2 amp. Driver ini adalah papan yang lebih besar yang ditunjukkan pada foto pertama di atas (tanpa dua papan anak di sebelah kiri).

Performa dengan driver tegangan konstan terbatas karena arus pada kecepatan sangat berkurang karena induktansi belitan dan EMF belakang. Pendekatan alternatif adalah memilih motor dengan resistansi dan induktansi yang lebih rendah berliku dan menggerakkannya dengan arus konstan. Arus konstan dihasilkan oleh lebar pulsa yang memodulasi tegangan yang diberikan.

Perangkat hebat yang digunakan untuk menyediakan penggerak arus konstan adalah DRV8871 yang dibuat oleh Texas Instruments. IC kecil ini berisi jembatan H dengan pengertian arus internal. Sebuah resistor eksternal digunakan untuk mengatur arus konstan (atau maksimum) yang diinginkan. IC secara otomatis memutus tegangan ketika arus melebihi nilai yang diprogram dan menerapkannya kembali ketika turun di bawah ambang batas tertentu.

DRV8871 dinilai pada 45 VDC, maksimum 3,6 amp. Ini berisi sirkuit penginderaan suhu berlebih internal yang memutuskan tegangan ketika suhu persimpangan mencapai 175 derajat C. IC hanya tersedia dalam paket HSOP 8 pin yang memiliki bantalan termal di sisi bawah. TI menjual papan pengembangan yang berisi satu IC (dua diperlukan untuk motor satu langkah), tetapi harganya sangat mahal. Adafruit dan lainnya menjual papan prototipe kecil (Adafruit #3190). Untuk pengujian, dua di antaranya dipasang di luar dari Adafruit Motorshield seperti yang ditunjukkan pada foto pertama di atas.

Kemampuan penggerak saat ini dari TB6612 dan DRV8871 pada praktiknya dibatasi oleh kenaikan suhu di dalam suku cadang. Ini akan tergantung pada heat sink dari bagian-bagian serta suhu lingkungan. Dalam pengujian suhu kamar saya, papan anak DRV8871 (Adafruit #3190) mencapai batas suhu berlebih dalam waktu sekitar 30 detik pada 2 amp, dan motor langkah menjadi sangat tidak menentu (pentahapan tunggal sebentar-sebentar saat sirkuit suhu berlebih masuk dan keluar). Menggunakan DRV8871 sebagai papan anak adalah sebuah kludge, jadi pelindung baru dirancang (AutoShade #100105) yang berisi empat driver untuk mengoperasikan motor dua langkah. Papan ini dirancang dengan sejumlah besar bidang tanah di kedua sisi untuk memanaskan IC. Ini menggunakan antarmuka serial yang sama ke Arduino sebagai Adafruit Motorshield, sehingga perangkat lunak perpustakaan yang sama dapat digunakan untuk driver. Foto kedua di atas menunjukkan papan sirkuit ini. Untuk informasi lebih lanjut tentang AutoShade #100105, lihat daftar di Amazon atau situs web AutoShade.mx.

Dalam aplikasi layar bayangan saya, dibutuhkan 15 hingga 30 detik untuk menaikkan atau menurunkan setiap bayangan tergantung pada pengaturan kecepatan dan jarak bayangan. Oleh karena itu, arus harus dibatasi sedemikian rupa sehingga batas suhu berlebih tidak pernah tercapai selama operasi. Waktu untuk mencapai batas suhu berlebih pada 100105 lebih besar dari 6 menit dengan batas arus 1,6 amp dan lebih dari 1 menit dengan batas arus 2,0 amp.

Langkah 4: Pilih Motor Langkah Kandidat

Spesialis Sirkuit memiliki dua motor langkah 23 ukuran yang menyediakan torsi 8 kg-cm yang dibutuhkan. Keduanya memiliki belitan dua fasa dengan center tap sehingga dapat dihubungkan sedemikian rupa sehingga belitan penuh atau setengah belitan digerakkan. Spesifikasi untuk motor ini tercantum dalam dua tabel di atas. Kedua motor hampir identik secara mekanis, tetapi secara elektrik motor 104 memiliki resistansi dan induktansi yang jauh lebih rendah daripada motor 207. Omong-omong, spesifikasi kelistrikannya adalah untuk eksitasi setengah koil. Ketika seluruh belitan digunakan, resistansi berlipat ganda dan induktansi meningkat dengan faktor 4.

Langkah 5: Ukur Torsi Vs Kecepatan Kandidat

Menggunakan dinamometer (dan simulasi) kurva torsi vs kecepatan untuk sejumlah konfigurasi penggerak motor/belitan/arus ditentukan. Program (sketsa) yang digunakan untuk menjalankan dinamometer untuk pengujian ini dapat diunduh dari situs web AutoShade.mx.

Langkah 6: Penggerak Tegangan Konstan 57BYGH207 Setengah Kumparan pada Arus Terukur

Motor 57BYGH207 dengan setengah kumparan yang digerakkan pada 12V (mode tegangan konstan) menghasilkan 0,4 amp dan merupakan konfigurasi penggerak asli. Motor ini dapat digerakkan langsung dari Adafruit #1434 Motorshield. Gambar di atas menunjukkan karakteristik kecepatan torsi yang disimulasikan dan diukur bersama dengan gesekan kasus terburuk. Desain ini jauh di bawah torsi yang diinginkan yang diperlukan untuk operasi pada 200 hingga 400 langkah per detik.

Langkah 7: Penggerak Arus Konstan 57BYGH207 Setengah Kumparan pada Arus Terukur

Menggandakan tegangan yang diberikan tetapi menggunakan penggerak chopper untuk membatasi arus hingga 0,4 amp meningkatkan kinerja secara signifikan seperti yang ditunjukkan di atas. Meningkatkan tegangan yang diberikan lebih lanjut akan meningkatkan kinerja lebih jauh lagi. Tetapi operasi di atas 12 VDC tidak diinginkan karena beberapa alasan.

· Tegangan DRV8871 dibatasi hingga 45 VDC

· Catu daya dinding tegangan tinggi tidak begitu umum dan lebih mahal

· Regulator tegangan yang digunakan untuk mensuplai daya 5 VDC untuk rangkaian logika yang digunakan dalam desain Arduino dibatasi hingga maksimum 15 VDC. Jadi mengoperasikan motor pada tegangan lebih tinggi dari ini akan membutuhkan dua catu daya.

Langkah 8: Penggerak Arus Konstan dari 57BYGH207 Full Coil pada Arus Terukur

Ini dilihat dengan simulasi tetapi tidak diuji karena saya tidak memiliki catu daya 48 V. Torsi pada kecepatan rendah berlipat ganda ketika kumparan penuh digerakkan pada arus pengenal, tetapi kemudian turun lebih cepat dengan kecepatan.

Langkah 9: Penggerak Arus Konstan dari 57BYGH104 Full Coil pada Nilai Arus

Dengan 12 VDC dan arus 1,0A, karakteristik torsi-kecepatan ditunjukkan di atas hasil. Hasil pengujian memenuhi persyaratan untuk pengoperasian pada 400 langkah per detik.

Langkah 10: Drive Arus Konstan dari 57BYGH104 Full Coil pada 3/4 Nilai Arus

Meningkatkan arus belitan menjadi 1,6 amp meningkatkan margin torsi secara signifikan.

Langkah 11: Penggerak Arus Konstan dari 57BYGH104 Full Coil pada Arus Terukur

Jika arus belitan dinaikkan menjadi 2A, dan torsi meningkat seperti yang ditunjukkan di atas, tetapi tidak sebanyak yang diperkirakan simulasi. Jadi ada sesuatu yang terjadi dalam kenyataan yang membatasi torsi pada arus yang lebih tinggi ini.

Langkah 12: Membuat Seleksi Akhir

Memanfaatkan kumparan penuh daripada setengah jelas lebih baik tetapi tidak diinginkan dengan motor 207 karena diperlukan tegangan yang lebih tinggi. Motor 104 memungkinkan operasi pada tegangan yang diterapkan lebih rendah. Oleh karena itu motor ini dipilih.

Resistansi kumparan penuh dari motor 57BYGH104 adalah 2,2 ohm. Resistansi FETS driver di DRV8871 adalah sekitar 0,6 ohm. Resistansi kabel khas ke dan dari motor adalah sekitar 1 ohm. Jadi daya yang dihamburkan dalam satu rangkaian motor adalah kuadrat arus belitan 3,8 ohm. Daya total adalah dua kali ini karena kedua belitan digerakkan pada waktu yang sama. Untuk arus belitan yang dipertimbangkan di atas, hasilnya ditunjukkan pada Tabel ini.

Membatasi arus motor hingga 1,6 amp memungkinkan kita untuk menggunakan catu daya 24 watt yang lebih kecil dan lebih murah. Sangat sedikit margin torsi yang hilang. Juga, motor langkah bukanlah perangkat yang tenang. Mengemudi mereka pada arus yang lebih tinggi membuat mereka lebih keras. Jadi demi kepentingan daya yang lebih rendah dan operasi yang lebih tenang, batas arus dipilih menjadi 1,6 amp.