Arduino автомат сүүдэрлэх дэлгэцийн төсөлд алхам алхмаар мотор, жолооч сонгох: 12 алхам (зурагтай)

2024 Зохиолч: John Day | [email protected]. Хамгийн сүүлд өөрчлөгдсөн: 2024-01-30 11:02

Энэхүү зааварчилгаанд би Автомат Сүүдэрт Дэлгэцийн төслийн загвар болох Step Motor and Driver -ийг сонгох алхамуудыг хийх болно. Сүүдэртэй дэлгэц бол гараар тахир хийдэг алдартай, хямд загвар бөгөөд би гар бүлүүрийг нар мандах, нар шингэх цагийг үндэслэн сүүдрийг өсгөх, буулгах зориулалттай шатлалт мотор, төв хянагчаар солихыг хүссэн юм. Энэхүү төсөл нь Amazon.com эсвэл AutoShade.mx дээрээс олж болох бүтээгдэхүүн болох хамгийн багадаа таван удаа давтагдсан боловч Arduino -д суурилсан бусад төслүүдэд шаталсан мотор болон түүний драйверын электроникийг сонгох үйл явцыг сонгосон болно.

Прототип электроникийн анхны тохиргоог Arduino Uno (Rev 3) процессор (Adafruit #50), дэлгэцийн самбар (Adafruit #399), бодит цагийн цаг (Adafruit #1141), хоёр шатлалт мотор драйвер (Adafruit #1438)). Бүх самбар нь цуваа I2C интерфэйсийг ашиглан процессортой холбогддог. Эдгээр бүх програм хангамжийн драйверууд байдаг бөгөөд энэ нь сүүдрийн дэлгэц хянагчийн хөгжүүлэлтийг илүү хялбар болгодог.

Алхам 1: Шаардлагыг тодорхойлох

Сүүдэр нь доод тал нь гар тогшихтой адил хурдан ажиллах ёстой. Тогтвортой гар эргүүлэх хурд нь секундэд 1 бүлүүр байж болно. Ихэнх шатлалт мотор нь 1.8 градус буюу нэг эргэлтэнд 200 алхамтай байдаг. Тиймээс хамгийн бага алхам нь секундэд 200 алхам байх ёстой. Үүнийг хоёр удаа хийвэл илүү дээр байх болно.

Coolaroo өт хорхойн тусламжтайгаар сүүдэрийг дээш өргөх эсвэл багасгах эргэлтийг эргэлтийн халив (McMaster Carr #5699A11 +/- 6 фунт жинтэй) ашиглан аялалынхаа дээд ба доод хэсэгт байрлах 9 сүүдэрт дэлгэц дээр хэмжсэн. Энэ бол "салсан" момент байсан бөгөөд энэ нь маш олон янз байв. Хамгийн бага нь 0.25 фунт, дээд тал нь 3.5 фунт байв. Моментийг хэмжих зохих хэмжигдэхүүний нэгж нь N-m, 3 фунт -40 фунт бол миний нэрлэсэн "үрэлтийн эргэлтийн момент" болгон ашигладаг.40 N-m байна.

Алхам хөдөлгүүрийн үйлдвэрлэгчид ямар нэг шалтгаанаар моторын эргэлтийг кг-см нэгжээр тодорхойлдог. Дээрх хамгийн бага эргэлт нь 0.4 Н-м нь 4.03 кг-см байна. Найдвартай эргэлтийн маржингийн хувьд би үүнээс хоёр дахин их буюу 8 кг жинтэй мотор авахыг хүсч байна. Цахилгаан хэлхээний мэргэжилтнүүдийн жагсаасан шаталсан моторыг харвал надад 23 хэмжээтэй хүрээтэй мотор хэрэгтэй байгааг хурдан харуулав. Эдгээр нь богино, дунд, урт стекийн урттай, янз бүрийн ороомогтой байдаг.

Алхам 2: Динамометр бий болгох

Шатны мотор нь эргүүлэх хүч ба хурдны онцлог шинж чанартай бөгөөд энэ нь ороомог хэрхэн хөдөлгөхөөс хамаарна. Момент хурд буурах хоёр шалтгаан бий. Эхнийх нь ашигласан хүчдэлийг эсэргүүцэх ороомог дээр арын EMF (хүчдэл) боловсруулсан явдал юм. Хоёрдугаарт, ороомгийн индуктив нь алхам тутамд тохиолддог гүйдлийн өөрчлөлтийг эсэргүүцдэг.

Алхам хөдөлгүүрийн ажиллагааг динамик симуляци ашиглан урьдчилан таамаглах боломжтой бөгөөд үүнийг динамометр ашиглан хэмжих боломжтой. Би хоёуланг нь хийсэн боловч туршилтын өгөгдөл нь симуляцийн үнэн зөв эсэхийг шалгах тул симуляцийн талаар ярихгүй.

Динамометр нь хяналттай хурдаар ажиллаж байх үед моторын эргүүлэх хүчийг хэмжих боломжийг олгодог. Тохируулсан соронзон бөөмийн тоормос нь хөдөлгүүрт ачааллын момент өгдөг. Ачааллын эргэлт нь хөдөлгүүрийн хүчин чадлаас давах хүртэл хөдөлгүүрийн алхамтай тэнцүү байх тул хурдыг хэмжих шаардлагагүй болно. Ийм зүйл болсны дараа мотор синхрончлолоо алдаж, чанга цохиур хийдэг. Туршилтын журам нь тогтмол хурдыг тушаах, тоормосны гүйдлийг аажмаар нэмэгдүүлэх, хөдөлгүүрийн синхрончлол алдагдахын өмнөхөн түүний утгыг тэмдэглэхээс бүрдэнэ. Үүнийг янз бүрийн хурдаар давтаж, эргэлтийн момент ба хурд гэж дүрсэлдэг.

Соронзон бөөмийн тоормосыг Ebay дээр худалдаж авсан Placid Industries B25P-10-1 загвараар сонгосон. Энэ загварыг үйлдвэрлэгчийн вэбсайтад оруулахаа больсон боловч хэсгийн дугаараас үзэхэд 25 in-lb = 2.825 N-m оргил эргүүлэх хүчийг өгдөг бөгөөд ороомог нь 10 VDC (хамгийн их) зориулалттай. Энэ нь ойролцоогоор 1.6 Н-м-ийн оргил эргэлтийг үйлдвэрлэх боломжтой 23 хэмжээтэй хөдөлгүүрийг туршихад хамгийн тохиромжтой юм. Нэмж дурдахад энэхүү тоормос нь NMEA 23 хөдөлгүүрт ашигласантай ижил туршилтын нүх, бэхэлгээний нүхтэй байсан тул хөдөлгүүртэй ижил хэмжээтэй бэхэлгээний хаалт ашиглан угсрах боломжтой байв. Моторууд нь ¼ инчийн босоо амтай бөгөөд тоормос нь нэг инчийн босоо амтай байдаг тул ижил хэмжээтэй босоо амтай уян холбогч адаптерийг мөн Ebay дээрээс худалдаж авсан. Хөнгөн цагааны сууринд хоёр хаалтанд бэхлэх шаардлагатай байв. Дээрх гэрэл зураг дээр туршилтын зогсоол харагдаж байна. Суурилуулах хаалтуудыг Amazon болон Ebay дээр ашиглах боломжтой.

Соронзон бөөмийн тоормосны тоормосны эргэлт нь ороомгийн гүйдэлтэй пропорциональ байна. Тоормосыг тохируулахын тулд хоёр эргүүлэх хүчийг хэмжих халивыг тоормосны эсрэг талын босоо аманд алхам хөдөлгүүр болгон холбосон. Ашигласан хоёр халив нь McMaster Carr -ийн 5699A11 ба 5699A14 дугаартай эд ангиуд байв. Эхнийх нь хамгийн их эргүүлэх моментийн 6 in-lb = 0.678 N-m, сүүлийнх нь 25 in-lb = 2.825 N-m-ийн хамгийн их эргэлтийн хүрээтэй байна. Одоогийн гүйдэл нь хувьсах тогтмол тэжээлийн CSI5003XE (50 V/3A) тэжээлээс тэжээгддэг. Дээрх график нь хэмжсэн эргэлтийн хүч ба гүйдлийг харуулав.

Эдгээр туршилтуудын сонирхлын хүрээнд тоормосны эргүүлэх моментийг Torque (N-m) = 1.75 x Brake Current (A) шугаман хамаарлаар ойролцоогоор тооцоолж болохыг анхаарна уу.

Алхам 3: Нэр дэвшигчийн шаталсан мотор жолооч нарыг сонгоно уу

Шат моторыг нэг ороомог бүрэн идэвхжүүлж, дангаар нь нэрлэх боломжтой, хоёуланг нь хоёуланг нь хоёуланг нь (Давхар алхамаар) эсвэл хоёуланг нь хэсэгчлэн идэвхжүүлэхийг (MICROSTEPPING) удирдаж болно. Энэхүү програмд бид хамгийн их эргүүлэх хүчийг сонирхож байгаа тул зөвхөн ХОЁР алхамыг ашигладаг.

Момент нь ороомгийн гүйдэлтэй пропорциональ байна. Хэрэв ороомгийн эсэргүүцэл нь тогтвортой байдлын гүйдлийг хөдөлгүүрийн нэрлэсэн утгаар хязгаарлахад хангалттай өндөр байвал шатлалт моторыг тогтмол хүчдэлээр жолоодож болно. Adafruit #1438 Motorshield нь тогтмол хүчдэлийн драйверуудыг ашигладаг (TB6612FNG), 15 VDC, хамгийн ихдээ 1.2 ампер. Энэ драйвер нь дээрх эхний зурагт үзүүлсэн том самбар (зүүн талд хоёр охин самбар байхгүй).

Тогтмол хүчдэлийн драйвертай ажиллах чадвар нь хязгаарлагдмал байдаг, учир нь ороомгийн индукц ба арын EMF -ийн улмаас хурдны гүйдэл ихээхэн буурдаг. Альтернатив арга бол эсэргүүцэл ба индукцийн ороомог багатай моторыг сонгож тогтмол гүйдэлд оруулах явдал юм. Тогтмол гүйдэл нь хүчдэлийг импульсийн өргөнөөр импульсийн өргөнөөр үүсгэдэг.

Тогтмол гүйдлийн хөтчийг хангах гайхалтай төхөөрөмж бол Texas Instruments -ийн DRV8871 юм. Энэхүү жижиг IC нь дотоод гүйдлийн мэдрэмжтэй H гүүрийг агуулдаг. Хүссэн тогтмол (эсвэл хамгийн их) гүйдлийг тохируулахын тулд гадны эсэргүүцэл ашигладаг. Цахилгаан гүйдэл нь програмчлагдсан утгаас хэтэрсэн үед хүчдэлийг автоматаар салгаж, зарим босго хэмжээнээс доош унах үед дахин ачаална.

DRV8871 нь 45 VDC, хамгийн ихдээ 3.6 ампер хүчдэлтэй. Энэ нь холболтын температур 175 хэмд хүрэхэд хүчдэлийг салгадаг дотоод хэт мэдрэмтгий хэлхээг агуулдаг. IC нь зөвхөн доод талдаа дулааны дэвсгэртэй 8 зүү HSOP багцад байдаг. TI нь нэг IC агуулсан хөгжлийн самбар зардаг (нэг шатлалт моторт хоёр ширхэг шаардлагатай), гэхдээ энэ нь маш үнэтэй юм. Adafruit болон бусад хүмүүс жижиг загвар зохион бүтээх самбар зардаг (Adafruit #3190). Туршилтын хувьд эдгээрийн хоёрыг дээрх эхний зураг дээр үзүүлсэн шиг Adafruit Motorshield -ийн гадуур угсарсан байв.

TB6612 ба DRV8871 хоёулангийнх нь одоогийн хөтчийн чадавхи нь эд анги доторх температурын өсөлтөөр хязгаарлагддаг. Энэ нь эд ангиудын дулаан шингээлт, орчны температураас хамаарна. Миний өрөөний температурын туршилтанд DRV8871 охин хавтан (Adafruit #3190) 2 ампер дээр 30 секундын дотор температурын дээд хязгаарт хүрсэн бөгөөд алхам хөдөлгүүр нь маш тогтворгүй болдог (хэт халалтын хэлхээг тасалж таслах үед үе шаттай үе үе). DRV8871 -ийг охин самбар болгон ашиглах нь ямар ч байсан хамаагүй, тиймээс хоёр шатлалт мотор ажиллуулахын тулд дөрвөн жолоочийг багтаасан шинэ бамбай зохион бүтээжээ (AutoShade #100105). Энэхүү самбар нь IC -ийг халаах зориулалттай хоёр талдаа их хэмжээний газрын хавтгайгаар бүтээгдсэн болно. Энэ нь Adafruit Motorshield -тэй адил Arduino -той ижил цуваа интерфэйсийг ашигладаг тул драйверуудад ижил номын сангийн програм хангамжийг ашиглаж болно. Дээрх хоёр дахь зураг дээр энэ хэлхээний самбарыг харуулав. AutoShade #100105 -ийн талаарх дэлгэрэнгүй мэдээллийг Amazon дээрх жагсаалт эсвэл AutoShade.mx вэбсайтаас үзнэ үү.

Миний сүүдэртэй дэлгэцийн програмд хурдны тохиргоо, сүүдэрлэх зай зэргээс шалтгаалан сүүдэр тус бүрийг дээшлүүлэх эсвэл багасгахад 15-30 секунд зарцуулдаг. Тиймээс гүйдлийн хязгаарыг ажиллуулах явцад хэт температурын хязгаарт хэзээ ч хүрэхгүй байх ёстой. 100105-ийн хэт халалтын хязгаарт хүрэх хугацаа нь 1.6 ампер гүйдлийн хязгаартай 6 минутаас их, 2.0 ампер гүйдлийн хязгаартай бол 1 минутаас их байна.

Алхам 4: Нэр дэвшигч Step Motors -ийг сонгоно уу

Хэлхээний мэргэжилтнүүд шаардлагатай 8 кг-ийн эргүүлэх хүчийг хангадаг 23 хэмжээтэй хоёр шатлалт мотортой. Аль аль нь төвийн цорго бүхий хоёр фазын ороомогтой тул тэдгээрийг бүрэн ороомог эсвэл хагас ороомогтой холбож холбох боломжтой. Эдгээр хөдөлгүүрийн техникийн үзүүлэлтүүдийг дээрх хоёр хүснэгтэд жагсаасан болно. Хоёр хөдөлгүүр хоёулаа механик байдлаар бараг ижил боловч цахилгаан хөдөлгүүрийн хувьд 104 хөдөлгүүр нь эсэргүүцэл ба индуктив чанар нь 207 мотороос хамаагүй бага байдаг. Дашрамд хэлэхэд цахилгаан үзүүлэлтүүд нь ороомгийн хагас өдөөлтөд зориулагдсан болно. Ороомогыг бүхэлд нь ашиглах үед эсэргүүцэл нь хоёр дахин нэмэгдэж, индуктив чанар 4 дахин нэмэгдэнэ.

Алхам 5: Нэр дэвшигчдийн эргэлт ба хурдыг хэмжинэ

Динамометр (ба симуляци) ашиглан мотор/ороомог/гүйдлийн хөтчийн олон тооны тохиргооны эргэлт ба хурдны муруйг тодорхойлов. Эдгээр туршилтын динамометрийг ажиллуулахад ашигладаг програмыг (ноорог) AutoShade.mx вэбсайтаас татаж авах боломжтой.

Алхам 6: Нэрлэсэн гүйдэл дэх 57BYGH207 хагас ороомгийн тогтмол хүчдэлийн хөтөч

12В хүчдэлтэй (тогтмол хүчдэлийн горим) хагас ороомогтой 57BYGH207 мотор нь 0.4 ампер үр дүнтэй бөгөөд хөтчийн анхны тохиргоо байсан. Энэхүү моторыг Adafruit #1434 Motorshield -ээс шууд жолоодох боломжтой. Дээрх зураг нь хамгийн муу үрэлтийн хамт загварчилсан ба хэмжсэн эргэлтийн хурдны шинж чанарыг харуулав. Энэхүү загвар нь секундэд 200-400 алхам хийхэд шаардлагатай эргүүлэх моментоос хамаагүй доогуур байна.

Алхам 7: 57BYGH207 хагас ороомгийн тогтмол гүйдлийн нэрлэсэн гүйдэл

Ашигласан хүчдэлийг хоёр дахин нэмэгдүүлж, харин цавчих хөтчийг ашиглан гүйдлийг 0.4 ампер хүртэл хязгаарлах нь дээр үзүүлсэн шиг гүйцэтгэлийг эрс сайжруулдаг. Хэрэглэсэн хүчдэлийг цаашид нэмэгдүүлэх нь гүйцэтгэлийг улам сайжруулах болно. Гэхдээ 12 VDC -ээс дээш ажиллах нь хэд хэдэн шалтгааны улмаас хүсээгүй юм.

· DRV8871 нь 45 VDC хүчдэлээр хязгаарлагддаг

· Хананд бэхэлгээний өндөр хүчдэлийн хангамж нь тийм ч түгээмэл биш бөгөөд илүү үнэтэй байдаг

· Arduino загварт ашиглагддаг логик хэлхээний 5 VDC тэжээлийг нийлүүлэх хүчдэлийн зохицуулагч нь 15 VDC max -аар хязгаарлагддаг. Тиймээс моторыг үүнээс өндөр хүчдэлээр ажиллуулахад хоёр тэжээлийн хангамж шаардлагатай болно.

Алхам 8: 57BYGH207 бүрэн ороомгийн тогтмол гүйдлийн нэрлэсэн гүйдэл

Үүнийг симуляциар авч үзсэн боловч 48 вольтын цахилгаан хангамжгүй байсан тул туршиж үзээгүй. Бүрэн ороомог нэрлэсэн гүйдэлээр хөдөлгөхөд бага хурдтай эргүүлэх хүч хоёр дахин нэмэгддэг боловч хурд нь илүү хурдан буурдаг.

Алхам 9: 57BYGH104 бүрэн ороомгийн тогтмол гүйдлийн хөтөч

12 VDC ба 1.0А гүйдэлтэй бол дээрх моментийн хурдны шинж чанарыг харуулав. Туршилтын үр дүн нь секундэд 400 алхамаар ажиллах шаардлагыг хангаж өгдөг.

Алхам 10: 57BYGH104 бүрэн ороомгийн тогтмол гүйдлийн хөтөч 3/4 нэрлэсэн гүйдэл

Ороомог гүйдлийг 1.6 ампер хүртэл нэмэгдүүлэх нь эргүүлэх хүчийг эрс нэмэгдүүлдэг.

Алхам 11: 57BYGH104 бүрэн ороомгийн тогтмол гүйдлийн нэрлэсэн гүйдэл

Хэрэв ороомгийн гүйдлийг 2А хүртэл нэмэгдүүлж, эргүүлэх хүчийг дээр үзүүлсэн шиг нэмэгдүүлэх боловч симуляцийн таамаглаж байснаас их биш юм. Тиймээс бодит амьдрал дээр эдгээр өндөр гүйдлийн эргэлтийг хязгаарлаж байгаа зүйл болж байна.

Алхам 12: Эцсийн сонголтыг хийх

Хагас биш бүтэн ороомог ашиглах нь илүү дээр боловч илүү өндөр хүчдэл шаардагддаг тул 207 хөдөлгүүрт ашиглах нь тийм ч тохиромжтой биш юм. 104 мотор нь бага хүчдэлд ажиллах боломжийг олгодог. Тиймээс энэ моторыг сонгосон болно.

57BYGH104 хөдөлгүүрийн бүрэн ороомог эсэргүүцэл нь 2.2 ом юм. DRV8871 дээрх FETS драйверын эсэргүүцэл ойролцоогоор 0.6 ом байна. Мотор руу орох ба гарах ердийн утас эсэргүүцэл нь ойролцоогоор 1 ом байна. Тиймээс нэг моторын хэлхээнд зарцуулсан хүч нь ороомгийн гүйдлийн 3.8 Ом -ийн квадрат юм. Хоёр ороомог нэгэн зэрэг хөдөлдөг тул нийт хүч нь үүнээс хоёр дахин их юм. Дээр дурдсан ороомгийн гүйдлийн хувьд үр дүнг энэ хүснэгтэд үзүүлэв.

Моторын гүйдлийг 1.6 ампер хүртэл хязгаарлах нь 24 ваттаас бага хэмжээтэй, бага үнэтэй цахилгаан хангамжийг ашиглах боломжийг бидэнд олгодог. Маш бага эргэлтийн момент алдагдсан. Түүнчлэн, алхам хөдөлгүүр нь чимээгүй төхөөрөмж биш юм. Тэднийг илүү өндөр гүйдэлд жолоодох нь тэднийг чанга болгодог. Тиймээс хүч чадал багатай, чимээгүй ажиллахын тулд одоогийн хязгаарыг 1.6 ампер болгож сонгосон.