Selección de un motor paso a paso y un controlador para un proyecto de pantalla de sombra automatizado Arduino: 12 pasos (con imágenes)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:42

En este Instructable, seguiré los pasos que tomé para seleccionar un motor paso a paso y un controlador para un proyecto prototipo de pantalla de sombra automatizada. Las pantallas de sombra son los populares y económicos modelos Coolaroo de manivela manual, y quería reemplazar las manivelas manuales con motores paso a paso y un controlador central que pudiera programarse para subir y bajar las persianas según los tiempos calculados de salida y puesta del sol. El proyecto ha evolucionado a través de al menos cinco iteraciones hasta convertirse en un producto que puede encontrar en Amazon.com o AutoShade.mx, pero el proceso para seleccionar el motor paso a paso y su controlador electrónico es uno que debería ser aplicable a muchos otros proyectos basados en Arduino.

La configuración inicial elegida para el prototipo de electrónica fue el procesador Arduino Uno (Rev 3) (Adafruit # 50) con placas para visualización (Adafruit # 399), temporización de reloj en tiempo real (Adafruit # 1141) y controladores de motor de doble paso (Adafruit # 1438).). Todas las placas se comunican con el procesador mediante una interfaz I2C en serie. Los controladores de software están disponibles para todos estos, lo que hace que el desarrollo del controlador de pantalla de sombra sea mucho más simple.

Paso 1: determinar los requisitos

Las cortinas deben funcionar al menos tan rápido como con la manivela. Una velocidad de manivela sostenida podría ser de 1 manivela por segundo. La mayoría de los motores paso a paso tienen un tamaño de paso de 1,8 grados o 200 pasos por revolución. Entonces, la velocidad de paso mínima debe ser de unos 200 pasos por segundo. Dos veces sería incluso mejor.

El par para subir o bajar la persiana a través del engranaje helicoidal Coolaroo se midió en 9 pantallas de sombra en la parte superior e inferior de su recorrido utilizando un destornillador dinamométrico calibrado (McMaster Carr # 5699A11 con un rango de +/- 6 in-lbs). Este fue el par de "ruptura", y varió mucho. El mínimo fue de 0.25 in-lbs y el máximo fue de 3.5 in-lbs. La unidad métrica adecuada de medida para el torque es N-my 3 in-lbs es.40 N-m que utilicé como el "torque de fricción" nominal.

Los proveedores de motores paso a paso especifican el par motor en unidades de kg-cm por alguna razón. El par mínimo anterior de 0,4 N-m es de 4,03 kg-cm. Para un margen de par decente, quería un motor capaz de entregar el doble de esto o aproximadamente 8 kg-cm. Mirar los motores paso a paso enumerados en Circuit Specialists indicó rápidamente que necesitaba un motor de tamaño 23. Están disponibles en longitudes de pila cortas, medianas y largas y en una variedad de bobinados.

Paso 2: construye un dinamómetro

Los motores paso a paso tienen una característica distinta de par frente a velocidad que depende de la forma en que se accionan sus devanados. Hay dos razones por las que el par disminuye con la velocidad. La primera es que se desarrolla un EMF (voltaje) trasero en los devanados que se opone al voltaje aplicado. En segundo lugar, la inductancia del devanado se opone al cambio de corriente que se produce con cada paso.

El rendimiento de un motor paso a paso se puede predecir mediante una simulación dinámica y se puede medir con un dinamómetro. Hice ambas cosas, pero no discutiré la simulación porque los datos de prueba son realmente una verificación de la precisión de la simulación.

Un dinamómetro permite medir la capacidad de par de un motor mientras funciona a una velocidad controlada. Un freno de partículas magnéticas calibrado aplica el par de carga al motor. No es necesario medir la velocidad, ya que será igual a la velocidad de paso del motor hasta que el par de carga exceda la capacidad del motor. Una vez que esto sucede, el motor pierde sincronización y hace un ruido fuerte. El procedimiento de prueba consiste en ordenar una velocidad constante, aumentar lentamente la corriente a través del freno y anotar su valor justo antes de que el motor pierda la sincronización. Esto se repite a varias velocidades y se representa como par frente a velocidad.

El freno de partículas magnéticas elegido es un modelo B25P-10-1 de Placid Industries comprado en Ebay. Este modelo ya no aparece en el sitio web del fabricante, pero a partir del número de pieza, está clasificado para suministrar un par máximo de 25 in-lb = 2.825 N-m, y la bobina está diseñada para 10 VCC (máx.). Esto es ideal para probar los motores de tamaño 23 considerados, que están clasificados para producir pares máximos de aproximadamente 1,6 N-m. Además, este freno viene con un orificio piloto y orificios de montaje idénticos a los que se usan en los motores NMEA 23, por lo que se puede montar con el mismo tamaño de soporte de montaje que el motor. Los motores tienen ejes de ¼ de pulgada y el freno viene con un eje de ½ pulgada, por lo que también se adquirió en Ebay un adaptador de acoplamiento flexible con ejes del mismo tamaño. Todo lo que se necesitaba era montar dos soportes en una base de aluminio. La fotografía de arriba muestra el banco de pruebas. Los soportes de montaje están disponibles en Amazon y Ebay.

El par de frenado del freno de partículas magnéticas es proporcional a la corriente del devanado. Para calibrar el freno, se conectó cualquiera de los dos destornilladores de medición de torque al eje en el lado opuesto del freno como el motor paso a paso. Los dos destornilladores utilizados fueron McMaster Carr números de pieza 5699A11 y 5699A14. El primero tiene un rango de torque máximo de 6 pulg-lb = 0,678 N-m y el segundo tiene un rango de torque máximo de 25 pulg-lb = 2,825 N-m. La corriente se suministró desde una fuente de alimentación de CC variable CSI5003XE (50 V / 3A). El gráfico anterior muestra el par medido frente a la corriente.

Tenga en cuenta que en el rango de interés para estas pruebas, el par de frenado se puede aproximar mucho mediante la relación lineal Par (N-m) = 1,75 x corriente de freno (A).

Paso 3: seleccione los controladores de motor paso a paso candidatos

Los motores paso a paso pueden accionarse con un devanado completamente activo a la vez, comúnmente llamado paso SIMPLE, ambos devanados completamente activos (paso DOBLE) o ambos devanados parcialmente activos (MICROSTEPPING). En esta aplicación, estamos interesados en el par máximo, por lo que solo se usa el paso DOBLE.

El par es proporcional a la corriente del devanado. Un motor paso a paso puede accionarse con un voltaje constante si la resistencia del devanado es lo suficientemente alta como para limitar la corriente de estado estable al valor nominal del motor. El Adafruit # 1438 Motorshield usa controladores de voltaje constante (TB6612FNG) que tienen una potencia nominal de 15 VCC, 1,2 amperios como máximo. Este controlador es la placa más grande que se muestra en la primera foto de arriba (sin las dos placas secundarias a la izquierda).

El rendimiento con un controlador de voltaje constante es limitado porque la corriente a velocidad se reduce en gran medida debido tanto a la inductancia del devanado como a la EMF trasera. Un enfoque alternativo es seleccionar un motor con una resistencia y un devanado de inductancia más bajos y conducirlo con una corriente constante. La corriente constante se produce modulando el ancho de pulso el voltaje aplicado.

Un gran dispositivo utilizado para proporcionar la unidad de corriente constante es el DRV8871 fabricado por Texas Instruments. Este pequeño IC contiene un puente H con un sentido de corriente interno. Se utiliza una resistencia externa para establecer la corriente constante (o máxima) deseada. El IC desconecta automáticamente el voltaje cuando la corriente excede el valor programado y lo vuelve a aplicar cuando cae por debajo de algún umbral.

El DRV8871 tiene una potencia nominal de 45 V CC, 3,6 amperios como máximo. Contiene un circuito de detección de sobrecalentamiento interno que desconecta el voltaje cuando la temperatura de la unión alcanza los 175 grados C. El IC está disponible solo en un paquete HSOP de 8 pines que tiene una almohadilla térmica en la parte inferior. TI vende una placa de desarrollo que contiene un IC (se requieren dos para un motor paso a paso), pero es muy cara. Adafruit y otros venden una pequeña placa de creación de prototipos (Adafruit # 3190). Para la prueba, dos de estos se montaron fuera de borda de un Adafruit Motorshield como se muestra en la primera foto de arriba.

Las capacidades actuales de transmisión tanto del TB6612 como del DRV8871 están limitadas en la práctica por el aumento de temperatura dentro de las piezas. Esto dependerá del disipador de calor de las piezas así como de la temperatura ambiente. En mis pruebas de temperatura ambiente, las placas secundarias DRV8871 (Adafruit # 3190) alcanzaron sus límites de temperatura excesiva en aproximadamente 30 segundos a 2 amperios, y los motores paso a paso se vuelven muy erráticos (fase única intermitentemente a medida que el circuito de temperatura excesiva entra y se apaga). Usar los DRV8871 como placas secundarias es un fastidio de todos modos, por lo que se diseñó un nuevo escudo (AutoShade # 100105) que contiene cuatro de los controladores para operar motores de dos pasos. Esta placa fue diseñada con una gran cantidad de plano de tierra en ambos lados para disipar el calor de los circuitos integrados. Utiliza la misma interfaz serial para Arduino que Adafruit Motorshield, por lo que se puede usar el mismo software de biblioteca para los controladores. La segunda foto de arriba muestra esta placa de circuito. Para obtener más información sobre AutoShade # 100105, consulte el listado en Amazon o el sitio web AutoShade.mx.

En mi aplicación de pantalla de sombra, se necesitan de 15 a 30 segundos para subir o bajar cada cortina según el ajuste de velocidad y la distancia de la sombra. Por lo tanto, la corriente debe limitarse de manera que nunca se alcance el límite de sobretemperatura durante el funcionamiento. El tiempo para alcanzar los límites de sobrecalentamiento en el 100105 es mayor de 6 minutos con un límite de corriente de 1.6 amperios y mayor de 1 minuto con un límite de corriente de 2.0 amperios.

Paso 4: seleccione motores paso a paso candidatos

Circuit Specialists tiene dos motores paso a paso de tamaño 23 que proporcionan los 8 kg-cm de torque requerido. Ambos tienen devanados de dos fases con tomas centrales, por lo que se pueden conectar de manera que se accionan los devanados completos o los medios devanados. Las especificaciones de estos motores se enumeran en las dos tablas anteriores. Ambos motores son casi idénticos mecánicamente, pero eléctricamente el motor 104 tiene una resistencia e inductancia mucho más bajas que el motor 207. Por cierto, las especificaciones eléctricas son para excitación de media bobina. Cuando se usa todo el devanado, la resistencia se duplica y la inductancia aumenta en un factor de 4.

Paso 5: Mida el par frente a la velocidad de los candidatos

Utilizando el dinamómetro (y la simulación) se determinaron las curvas de par frente a velocidad para una serie de configuraciones de motor / devanado / accionamiento de corriente. El programa (croquis) utilizado para ejecutar el dinamómetro para estas pruebas se puede descargar del sitio web AutoShade.mx.

Paso 6: Unidad de voltaje constante de media bobina 57BYGH207 a corriente nominal

El motor 57BYGH207 con media bobina accionada a 12 V (modo de voltaje constante) da como resultado 0,4 amperios y era la configuración original del variador. Este motor se puede conducir directamente desde Adafruit # 1434 Motorshield. La figura anterior muestra las características de velocidad de par simuladas y medidas junto con la fricción en el peor de los casos. Este diseño cae muy por debajo del par de torsión deseado requerido para el funcionamiento a 200 a 400 pasos por segundo.

Paso 7: Impulsión de corriente constante de media bobina 57BYGH207 a corriente nominal

Duplicar el voltaje aplicado pero usar el mando del chopper para limitar la corriente a 0,4 amperios mejora significativamente el rendimiento, como se muestra arriba. Aumentar aún más el voltaje aplicado mejoraría aún más el rendimiento. Pero el funcionamiento por encima de 12 VCC no es deseable por varias razones.

· El DRV8871 tiene un voltaje limitado a 45 VCC

· Las fuentes de alimentación de montaje en pared de alto voltaje no son tan comunes y son más caras

· Los reguladores de voltaje utilizados para suministrar la energía de 5 VCC para los circuitos lógicos utilizados en el diseño de Arduino están limitados a 15 VCC máx. Por lo tanto, hacer funcionar los motores a voltajes superiores a este requeriría dos fuentes de alimentación.

Paso 8: Accionamiento de corriente constante de bobina completa 57BYGH207 a corriente nominal

Esto se examinó con la simulación, pero no se probó porque no tenía una fuente de alimentación de 48 V. El par a bajas velocidades se duplica cuando la bobina completa se impulsa a la corriente nominal, pero luego disminuye más rápidamente con la velocidad.

Paso 9: Accionamiento de corriente constante de bobina completa 57BYGH104 a ½ corriente nominal

Con 12 VCC y una corriente de 1.0 A, resulta la característica de par-velocidad que se muestra arriba. Los resultados de la prueba cumplen con los requisitos de funcionamiento a 400 pasos por segundo.

Paso 10: Impulsión de corriente constante de bobina completa 57BYGH104 a 3/4 de corriente nominal

El aumento de las corrientes de los devanados a 1,6 amperios aumenta significativamente el margen de par.

Paso 11: Impulsión de corriente constante de bobina completa 57BYGH104 a corriente nominal

Si las corrientes de los devanados aumentan a 2 A y el par aumenta como se muestra arriba, pero no tanto como lo predeciría la simulación. Entonces, algo está sucediendo en realidad que está limitando el par en estas corrientes más altas.

Paso 12: Hacer la selección final

Definitivamente es mejor utilizar la bobina completa en lugar de la mitad, pero no es deseable con el motor 207 debido al voltaje más alto requerido. El motor 104 permite el funcionamiento con un voltaje aplicado más bajo. Por tanto, se selecciona este motor.

La resistencia total de la bobina del motor 57BYGH104 es de 2,2 ohmios. La resistencia del controlador FETS en el DRV8871 es de aproximadamente 0,6 ohmios. La resistencia típica del cableado hacia y desde los motores es de aproximadamente 1 ohmio. Entonces, la potencia disipada en un circuito de motor es la corriente del devanado al cuadrado por 3.8 ohmios. La potencia total es el doble, ya que ambos devanados se accionan al mismo tiempo. Para las corrientes de devanado consideradas anteriormente, los resultados se muestran en esta Tabla.

Limitar las corrientes del motor a 1,6 amperios nos permite utilizar una fuente de alimentación de 24 vatios más pequeña y menos costosa. Se pierde muy poco margen de par. Además, los motores paso a paso no son dispositivos silenciosos. Conducirlos a una corriente más alta los hace más ruidosos. Por lo tanto, en aras de una potencia más baja y un funcionamiento más silencioso, se eligió el límite de corriente de 1,6 amperios.