Arduino ऑटोमेटेड शेड स्क्रीन प्रोजेक्ट के लिए स्टेप मोटर और ड्राइवर का चयन: 12 चरण (चित्रों के साथ)

2024 लेखक: John Day | [email protected]. अंतिम बार संशोधित: 2024-01-30 09:20

इस निर्देशयोग्य में, मैं एक प्रोटोटाइप ऑटोमेटेड शेड स्क्रीन प्रोजेक्ट के लिए स्टेप मोटर और ड्राइवर का चयन करने के लिए उठाए गए कदमों से गुजरूंगा। शेड स्क्रीन लोकप्रिय और सस्ते कूलारू हैंड क्रैंकेड मॉडल हैं, और मैं हैंड क्रैंक्स को स्टेप मोटर्स और एक सेंट्रल कंट्रोलर से बदलना चाहता था जिसे परिकलित सूर्य उदय और सूर्यास्त के समय के आधार पर रंगों को बढ़ाने और कम करने के लिए प्रोग्राम किया जा सकता था। प्रोजेक्ट कम से कम पांच पुनरावृत्तियों के माध्यम से एक उत्पाद में विकसित हुआ है जिसे आप Amazon.com या AutoShade.mx पर पा सकते हैं, लेकिन स्टेप मोटर और उसके ड्राइवर इलेक्ट्रॉनिक्स को चुनने की प्रक्रिया वह है जो कई अन्य Arduino आधारित परियोजनाओं पर लागू होनी चाहिए।

प्रोटोटाइप इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए चुना गया प्रारंभिक कॉन्फ़िगरेशन Arduino Uno (Rev 3) प्रोसेसर (Adafruit #50) था जिसमें डिस्प्ले के लिए बोर्ड (Adafruit #399), रियल टाइम क्लॉक टाइमिंग (Adafruit #1141) और डुअल स्टेप मोटर ड्राइवर (Adafruit #1438) थे।) सभी बोर्ड सीरियल I2C इंटरफ़ेस का उपयोग करके प्रोसेसर के साथ संचार करते हैं। इन सभी के लिए सॉफ्टवेयर ड्राइवर उपलब्ध हैं, जिससे शेड स्क्रीन कंट्रोलर का विकास बहुत आसान हो जाता है।

चरण 1: आवश्यकताओं का निर्धारण करें

रंगों को कम से कम उतनी ही तेजी से काम करना चाहिए जितना कि हैंड क्रैंकिंग के साथ। एक निरंतर हाथ क्रैंकिंग गति 1 क्रैंक प्रति सेकंड हो सकती है। अधिकांश स्टेप मोटरों का चरण आकार 1.8 डिग्री या प्रति क्रांति 200 कदम होता है। तो न्यूनतम कदम गति लगभग 200 कदम प्रति सेकंड होनी चाहिए। दो बार यह और भी बेहतर होगा।

कूलारू वर्म गियर के माध्यम से शेड को ऊपर और नीचे करने के लिए टॉर्क को कैलिब्रेटेड टॉर्क स्क्रूड्राइवर (मैकमास्टर कैर #5699A11 +/- 6 इंच-एलबीएस की रेंज वाले) का उपयोग करके उनकी यात्रा के ऊपर और नीचे 9 शेड स्क्रीन पर मापा गया था। यह "ब्रेकअवे" टॉर्क था, और यह बहुत भिन्न था। न्यूनतम ०.२५ in-lbs और अधिकतम ३.५ in-lbs था। टोक़ के लिए माप की उचित मीट्रिक इकाई एनएम है और 3 इंच-एलबीएस.40 एनएम है जिसे मैंने नाममात्र "घर्षण टोक़" के रूप में उपयोग किया था।

स्टेप मोटर विक्रेता किसी कारण से किलो-सेमी की इकाइयों में मोटर टॉर्क निर्दिष्ट करते हैं। 0.4 एनएम का उपरोक्त न्यूनतम टॉर्क 4.03 किलोग्राम-सेमी है। एक अच्छे टॉर्क मार्जिन के लिए मुझे एक ऐसी मोटर चाहिए थी जो इससे दोगुना या लगभग 8 किलोग्राम-सेमी डिलीवर करने में सक्षम हो। सर्किट विशेषज्ञों में सूचीबद्ध स्टेप मोटर्स को देखते हुए तुरंत संकेत दिया कि मुझे एक फ्रेम आकार 23 मोटर की आवश्यकता है। ये छोटी, मध्यम और लंबी स्टैक लंबाई और विभिन्न प्रकार की वाइंडिंग में उपलब्ध हैं।

चरण 2: एक डायनामोमीटर बनाएँ

स्टेप मोटर्स में एक अलग टॉर्क बनाम स्पीड विशेषता होती है जो इस बात पर निर्भर करती है कि उनकी वाइंडिंग किस तरह से संचालित होती है। गति के साथ टॉर्क कम होने के दो कारण हैं। पहला यह है कि वाइंडिंग में एक बैक ईएमएफ (वोल्टेज) विकसित किया जाता है जो लागू वोल्टेज का विरोध करता है। दूसरे, वाइंडिंग इंडक्शन प्रत्येक चरण के साथ होने वाले करंट में बदलाव का विरोध करता है।

एक गतिशील सिमुलेशन का उपयोग करके एक स्टेप मोटर के प्रदर्शन की भविष्यवाणी की जा सकती है, और इसे डायनेमोमीटर का उपयोग करके मापा जा सकता है। मैंने दोनों किया, लेकिन सिमुलेशन पर चर्चा नहीं की जाएगी क्योंकि परीक्षण डेटा वास्तव में सिमुलेशन की सटीकता पर एक जांच है।

एक डायनेमोमीटर नियंत्रित गति से चलते हुए मोटर की टॉर्क क्षमता को मापने की अनुमति देता है। एक कैलिब्रेटेड चुंबकीय कण ब्रेक मोटर पर लोड टॉर्क को लागू करता है। गति को मापने की कोई आवश्यकता नहीं है क्योंकि यह मोटर की चरण दर के बराबर होगी जब तक कि लोड टॉर्क मोटर की क्षमता से अधिक न हो जाए। एक बार ऐसा होने पर, मोटर सिंक्रोनाइज़ेशन खो देता है और एक ज़ोरदार रैकेट बनाता है। परीक्षण प्रक्रिया में एक स्थिर गति को नियंत्रित करना, ब्रेक के माध्यम से धारा को धीरे-धीरे बढ़ाना, और मोटर के सिंक को खोने से ठीक पहले इसके मूल्य को नोट करना शामिल है। इसे विभिन्न गति से दोहराया जाता है और टोक़ बनाम गति के रूप में प्लॉट किया जाता है।

चुना गया चुंबकीय कण ब्रेक एक प्लासिड इंडस्ट्रीज मॉडल B25P-10-1 है जिसे eBay पर खरीदा गया है। यह मॉडल अब निर्माता की वेब साइट पर सूचीबद्ध नहीं है, लेकिन भाग संख्या से, इसे 25 in-lb = 2.825 N-m के पीक टॉर्क की आपूर्ति करने के लिए रेट किया गया है, और कॉइल को 10 VDC (अधिकतम) के लिए डिज़ाइन किया गया है। यह विचाराधीन आकार के 23 मोटरों के परीक्षण के लिए आदर्श रूप से उपयुक्त है, जिन्हें लगभग 1.6 एनएम के पीक टॉर्क का उत्पादन करने के लिए रेट किया गया है। इसके अलावा, यह ब्रेक एक पायलट छेद और एनएमईए 23 मोटर्स पर इस्तेमाल होने वाले बढ़ते छेद के साथ आया था, इसलिए इसे मोटर के समान आकार के बढ़ते ब्रैकेट का उपयोग करके लगाया जा सकता है। मोटर्स में इंच के शाफ्ट होते हैं और ब्रेक ½ इंच शाफ्ट के साथ आता है इसलिए ईबे पर समान आकार के शाफ्ट के साथ एक लचीला युग्मन एडाप्टर भी खरीदा गया था। केवल एक एल्यूमीनियम बेस के लिए दो कोष्ठकों को माउंट करने की आवश्यकता थी। ऊपर दी गई तस्वीर परीक्षण स्टैंड दिखाती है। बढ़ते ब्रैकेट अमेज़न और ईबे पर आसानी से उपलब्ध हैं।

चुंबकीय कण ब्रेक का ब्रेकिंग टॉर्क वाइंडिंग करंट के समानुपाती होता है। ब्रेक को कैलिब्रेट करने के लिए, दो टोक़ मापने वाले स्क्रूड्रिवर में से किसी एक को स्टेप मोटर के रूप में ब्रेक के विपरीत दिशा में शाफ्ट से जोड़ा गया था। मैकमास्टर कैर पार्ट नंबर 5699A11 और 5699A14 इस्तेमाल किए गए दो स्क्रूड्राइवर्स थे। पूर्व की अधिकतम टोक़ सीमा 6 इंच-एलबी = 0.678 एनएम है और बाद में अधिकतम टोक़ सीमा 25 इंच-एलबी = 2.825 एनएम है। करंट की आपूर्ति एक चर DC बिजली आपूर्ति CSI5003XE (50 V / 3A) से की गई थी। ऊपर दिया गया ग्राफ मापा गया टॉर्क बनाम करंट दिखाता है।

ध्यान दें कि इन परीक्षणों के लिए ब्याज की सीमा में, ब्रेकिंग टॉर्क को रैखिक संबंध टॉर्क (N-m) = १.७५ x ब्रेक करंट (A) द्वारा बारीकी से अनुमानित किया जा सकता है।

चरण 3: कैंडिडेट स्टेप मोटर ड्राइवर्स का चयन करें

स्टेप मोटर्स को एक समय में पूरी तरह से सक्रिय एक वाइंडिंग के साथ चलाया जा सकता है जिसे आमतौर पर सिंगल स्टेपिंग कहा जाता है, दोनों वाइंडिंग पूरी तरह से सक्रिय (डबल स्टेपिंग) या दोनों वाइंडिंग आंशिक रूप से सक्रिय (MICROSTEPPING)। इस एप्लिकेशन में, हम अधिकतम टॉर्क में रुचि रखते हैं, इसलिए केवल डबल स्टेपिंग का उपयोग किया जाता है।

टॉर्क वाइंडिंग करंट के समानुपाती होता है। एक स्टेप मोटर को निरंतर वोल्टेज के साथ संचालित किया जा सकता है यदि घुमावदार प्रतिरोध मोटर के रेटेड मान तक स्थिर स्थिति को सीमित करने के लिए पर्याप्त है। Adafruit #1438 Motorshield निरंतर वोल्टेज ड्राइवरों (TB6612FNG) का उपयोग करता है, जिन्हें 15 VDC, अधिकतम 1.2 amps पर रेट किया गया है। यह ड्राइवर ऊपर की पहली तस्वीर में दिखाया गया बड़ा बोर्ड है (बाईं ओर दो बेटी बोर्ड के बिना)।

निरंतर वोल्टेज चालक के साथ प्रदर्शन सीमित है क्योंकि घुमावदार अधिष्ठापन और पीछे ईएमएफ दोनों के कारण गति पर वर्तमान बहुत कम हो गया है। एक वैकल्पिक तरीका यह है कि कम प्रतिरोध और इंडक्शन वाइंडिंग वाली मोटर का चयन किया जाए और इसे निरंतर करंट से चलाया जाए। निरंतर धारा का उत्पादन पल्स चौड़ाई द्वारा लागू वोल्टेज को संशोधित करके किया जाता है।

निरंतर चालू ड्राइव प्रदान करने के लिए उपयोग किया जाने वाला एक बेहतरीन उपकरण टेक्सास इंस्ट्रूमेंट्स द्वारा बनाया गया DRV8871 है। इस छोटे से IC में एक आंतरिक करंट सेंस वाला H ब्रिज होता है। वांछित स्थिरांक (या अधिकतम) धारा को सेट करने के लिए एक बाहरी अवरोधक का उपयोग किया जाता है। जब करंट प्रोग्राम किए गए मान से अधिक हो जाता है तो IC स्वचालित रूप से वोल्टेज को डिस्कनेक्ट कर देता है और जब यह कुछ थ्रेशोल्ड से नीचे चला जाता है तो इसे फिर से लागू करता है।

DRV8871 को 45 VDC, अधिकतम 3.6 amps पर रेट किया गया है। इसमें एक आंतरिक अति-तापमान सेंसिंग सर्किट होता है जो जंक्शन तापमान 175 डिग्री सेल्सियस तक पहुंचने पर वोल्टेज को डिस्कनेक्ट करता है। आईसी केवल 8 पिन एचएसओपी पैकेज में उपलब्ध है जिसमें नीचे की तरफ थर्मल पैड होता है। TI एक विकास बोर्ड बेचता है जिसमें एक IC होता है (एक स्टेप मोटर के लिए दो आवश्यक होते हैं), लेकिन यह बहुत महंगा है। Adafruit और अन्य एक छोटा प्रोटोटाइप बोर्ड (Adafruit #3190) बेचते हैं। परीक्षण के लिए, इनमें से दो को एक एडफ्रूट मोटरशील्ड के आउटबोर्ड पर रखा गया था जैसा कि ऊपर की पहली तस्वीर में दिखाया गया है।

TB6612 और DRV8871 दोनों की वर्तमान ड्राइव क्षमताएं भागों के अंदर तापमान वृद्धि द्वारा सीमित व्यवहार में हैं। यह भागों के हीट सिंकिंग के साथ-साथ परिवेश के तापमान पर निर्भर करेगा। मेरे कमरे के तापमान परीक्षणों में, DRV8871 बेटी बोर्ड (Adafruit #3190) 2 amps पर लगभग 30 सेकंड में अपनी अधिक तापमान सीमा तक पहुँच गए, और स्टेप मोटर्स बहुत अनिश्चित हो जाते हैं (एकल चरणबद्ध रूप से ओवर टेम्परेचर सर्किट कट इन और आउट)। DRV8871 का बेटीबोर्ड के रूप में उपयोग करना वैसे भी एक कीचड़ है, इसलिए एक नई ढाल तैयार की गई (ऑटोशेड # 100105) जिसमें दो चरण मोटर्स को संचालित करने के लिए चार ड्राइवर शामिल हैं। इस बोर्ड को आईसी को हीट सिंक करने के लिए दोनों तरफ बड़ी मात्रा में ग्राउंड प्लेन के साथ डिजाइन किया गया था। यह Arduino के समान सीरियल इंटरफ़ेस का उपयोग Adafruit Motorshield के रूप में करता है, इसलिए ड्राइवरों के लिए समान लाइब्रेरी सॉफ़्टवेयर का उपयोग किया जा सकता है। ऊपर की दूसरी तस्वीर इस सर्किट बोर्ड को दिखाती है। AutoShade #100105 के बारे में अधिक जानकारी के लिए Amazon या AutoShade.mx वेबसाइट पर लिस्टिंग देखें।

मेरे छाया स्क्रीन एप्लिकेशन में, गति सेटिंग और छाया दूरी के आधार पर प्रत्येक छाया को बढ़ाने या कम करने में 15 से 30 सेकंड लगते हैं। इसलिए करंट को सीमित किया जाना चाहिए ताकि ऑपरेशन के दौरान अधिक तापमान की सीमा कभी न पहुंचे। 100105 पर अधिक तापमान सीमा तक पहुंचने का समय 1.6 amp वर्तमान सीमा के साथ 6 मिनट से अधिक और 2.0 amp वर्तमान सीमा के साथ 1 मिनट से अधिक है।

चरण 4: कैंडिडेट स्टेप मोटर्स का चयन करें

सर्किट विशेषज्ञों के पास दो आकार के 23 स्टेप मोटर हैं जो आवश्यक 8 किग्रा-सेमी टॉर्क प्रदान करते हैं। दोनों में केंद्र के नल के साथ दो चरण वाइंडिंग हैं ताकि उन्हें इस तरह जोड़ा जा सके कि या तो पूर्ण वाइंडिंग या आधी वाइंडिंग संचालित हो। इन मोटर्स के विनिर्देशों को ऊपर दो तालिकाओं में सूचीबद्ध किया गया है। दोनों मोटर्स यांत्रिक रूप से लगभग समान हैं, लेकिन विद्युत रूप से 104 मोटर में 207 मोटर की तुलना में बहुत कम प्रतिरोध और अधिष्ठापन होता है। वैसे, विद्युत विनिर्देश आधा कुंडल उत्तेजना के लिए हैं। जब पूरी वाइंडिंग का उपयोग किया जाता है, तो प्रतिरोध दोगुना हो जाता है और इंडक्शन 4 के कारक से बढ़ जाता है।

चरण 5: उम्मीदवारों की टोक़ बनाम गति को मापें

डायनेमोमीटर (और सिमुलेशन) का उपयोग करके कई मोटर/घुमावदार/वर्तमान ड्राइव कॉन्फ़िगरेशन के लिए टोक़ बनाम गति वक्र निर्धारित किया गया था। इन परीक्षणों के लिए डायनेमोमीटर चलाने के लिए उपयोग किया जाने वाला प्रोग्राम (स्केच) AutoShade.mx वेबसाइट से डाउनलोड किया जा सकता है।

चरण 6: रेटेड करंट पर 57BYGH207 हाफ कॉइल का लगातार वोल्टेज ड्राइव

57BYGH207 मोटर 12V (निरंतर वोल्टेज मोड) पर संचालित आधा कॉइल के साथ 0.4 amps में परिणाम देता है और मूल ड्राइव कॉन्फ़िगरेशन था। इस मोटर को सीधे Adafruit #1434 Motorshield से चलाया जा सकता है। उपरोक्त आंकड़ा सबसे खराब स्थिति घर्षण के साथ नकली और मापा टोक़ गति विशेषताओं को दिखाता है। यह डिज़ाइन 200 से 400 कदम प्रति सेकंड की गति से संचालन के लिए आवश्यक वांछित टॉर्क से काफी नीचे है।

चरण 7: रेटेड करंट पर 57BYGH207 हाफ कॉइल की लगातार चालू ड्राइव

लागू वोल्टेज को दोगुना करना लेकिन वर्तमान को 0.4 एएमपीएस तक सीमित करने के लिए चॉपर ड्राइव का उपयोग करने से ऊपर दिखाए गए प्रदर्शन में काफी सुधार होता है। लागू वोल्टेज को और बढ़ाने से प्रदर्शन में और भी सुधार होगा। लेकिन 12 वीडीसी से ऊपर का ऑपरेशन कई कारणों से अवांछनीय है।

· DRV8871 वोल्टेज 45 VDC तक सीमित है

· उच्च वोल्टेज वॉल माउंट बिजली की आपूर्ति इतनी आम नहीं है और अधिक महंगी है

· Arduino डिज़ाइन में प्रयुक्त लॉजिक सर्किटरी के लिए 5 VDC पावर की आपूर्ति करने के लिए उपयोग किए जाने वाले वोल्टेज नियामक अधिकतम 15 VDC तक सीमित हैं। इसलिए इससे अधिक वोल्टेज पर मोटर्स को संचालित करने के लिए दो बिजली की आपूर्ति की आवश्यकता होगी।

चरण 8: रेटेड वर्तमान पर 57BYGH207 पूर्ण कुंडल की निरंतर चालू ड्राइव

इसे सिमुलेशन के साथ देखा गया लेकिन परीक्षण नहीं किया गया क्योंकि मेरे पास 48 वी बिजली की आपूर्ति नहीं थी। कम गति पर टॉर्क दोगुना हो जाता है जब फुल कॉइल को रेटेड करंट पर चलाया जाता है, लेकिन फिर गति के साथ और तेजी से गिर जाता है।

चरण 9: ½ रेटेड करंट पर 57BYGH104 फुल कॉइल का लगातार करंट ड्राइव

12 VDC और 1.0A के करंट के साथ, ऊपर दिखाए गए टॉर्क-स्पीड विशेषता। परीक्षण के परिणाम 400 कदम प्रति सेकंड पर ऑपरेशन की आवश्यकताओं को पूरा करते हैं।

चरण १०: ३/४ रेटेड करंट पर ५७बीवाईजीएच१०४ फुल कॉइल की लगातार चालू ड्राइव

घुमावदार धाराओं को 1.6 amps तक बढ़ाने से टॉर्क मार्जिन में काफी वृद्धि होती है।

चरण 11: रेटेड वर्तमान पर 57BYGH104 पूर्ण कुंडल की निरंतर चालू ड्राइव

यदि घुमावदार धाराओं को 2A तक बढ़ा दिया जाता है, और ऊपर दिखाए गए अनुसार टोक़ बढ़ता है, लेकिन उतना नहीं जितना सिमुलेशन भविष्यवाणी करेगा। तो वास्तव में कुछ ऐसा हो रहा है जो इन उच्च धाराओं पर टोक़ को सीमित कर रहा है।

चरण 12: अंतिम चयन करना

आधे के बजाय पूर्ण कॉइल का उपयोग करना निश्चित रूप से बेहतर है, लेकिन उच्च वोल्टेज की आवश्यकता के कारण 207 मोटर के साथ वांछनीय नहीं है। 104 मोटर कम लागू वोल्टेज पर संचालन की अनुमति देता है। इसलिए इस मोटर का चयन किया गया है।

57BYGH104 मोटर का पूर्ण कुंडल प्रतिरोध 2.2 ओम है। DRV8871 में ड्राइवर FETS का प्रतिरोध लगभग 0.6 ओम है। मोटर्स से और उसके लिए विशिष्ट तारों का प्रतिरोध लगभग 1 ओम है। तो एक मोटर सर्किट में विलुप्त होने वाली शक्ति घुमावदार वर्तमान वर्ग बार 3.8 ओम है। कुल शक्ति इससे दोगुनी है क्योंकि दोनों वाइंडिंग एक ही समय में संचालित होती हैं। ऊपर मानी गई घुमावदार धाराओं के लिए, परिणाम इस तालिका में दिखाए गए हैं।

मोटर धाराओं को 1.6 amps तक सीमित करने से हम 24 वाट बिजली की एक छोटी और कम खर्चीली आपूर्ति का उपयोग कर सकते हैं। बहुत कम टॉर्क मार्जिन खो जाता है। इसके अलावा, स्टेप मोटर्स शांत उपकरण नहीं हैं। उन्हें उच्च धारा में चलाने से वे तेज हो जाते हैं। तो कम शक्ति और शांत संचालन के हित में, वर्तमान सीमा को 1.6 एएमपीएस चुना गया था।