ساخت یک پنکه یا ربات کوچک با استفاده از یک موتور مینی چگونه است

انتخاب موتور مینی مناسب برای پروژه شما

مقایسه DC و بدون جاروبک و استپر: انتخاب نوع موتور مینی با توجه به کاربرد (فن در برابر حرکت ربات)

انتخاب موتور الکتریکی کوچک مناسب واقعاً به این بستگی دارد که پروژه شما چه کاری باید انجام دهد. موتورهای DC برای چیزهایی که نیاز به چرخش مداوم دارند، مثل پنکه‌های خنک‌کننده، بسیار ساده و مقرون‌به‌صرفه هستند. موتورهای جریان مستقیم بدون جاروبک (BLDC) از همه جهات عملکرد بهتری دارند، طول عمر بیشتری دارند و قدرت بیشتری در حجم کمتری ارائه می‌دهند که آن‌ها را برای حرکت دادن ربات‌ها یا پهپادها در طول زمان عالی می‌کند. موتورهای استپر زمانی بهترین عملکرد را دارند که نیاز به موقعیت‌یابی دقیق بدون فیدبک باشد، مثل بازوهای رباتیک، قطعات چاپگرهای سه‌بعدی یا تثبیت‌کننده‌های دوربینی که مردم برای فیلمبرداری استفاده می‌کنند. هنگام بررسی سیستم‌های پنکه، عملکرد روان و بی‌صدا از اهمیت بالایی برخوردار است، بنابراین معمولاً گزینه‌های DC یا بدون جاروبک ترجیح داده می‌شوند. برای حرکت در ربات‌ها، موتورهای بدون جاروبک به خوبی نیازهای توان و دوام را برآورده می‌کنند، در حالی که موتورهای استپر حرکت کنترل‌شده و قابل تکرار مورد نیاز برای وظایف دقیق را فراهم می‌آورند.

مشخصات کلیدی موتورهای کوچک: ولتاژ، RPM، گشتاور و محدودیت‌های اندازه برای ساختارهای فشرده

هنگام کار در فضاهای محدود، عملکرد واقعاً به تنظیم صحیح چهار مشخصهٔ کلیدی به‌صورت همزمان بستگی دارد. اول از همه، ولتاژهای نامی معمولاً بین ۳ تا ۱۲ ولت قرار دارند و باید با منبع تغذیه‌ای که با آن سروکار داریم مطابقت داشته باشند. در صورت عدم تطابق، موتورها یا به‌سرعت خراب می‌شوند یا فقط بدون توان کافی کار می‌کنند. RPM (دور بر دقیقه) سرعتی را نشان می‌دهد که در حالت بدون بار می‌توان انتظار داشت، اما به محض اعمال بار، سرعت واقعی به‌طور چشمگیری کاهش می‌یابد. به همین دلیل بررسی نمودارهای گشتاور-سرعت اهمیت زیادی دارد. گشتاور خود نشان‌دهندهٔ مقدار نیروی پیشرانی در دسترس است. این موضوع زمانی حیاتی می‌شود که بخواهیم پره‌های فن‌های سنگین را به حرکت درآوریم یا ربات‌ها را در شرایط مقاومت، مثلاً هنگام حرکت روی شیب، به حرکت درآوریم. محدودیت‌های اندازه نیز کاملاً تعیین‌کننده هستند. به عنوان مثال، یک موتور بی‌جلوه ۲۰ میلی‌متری برای پروانه‌های پهپاد عالی کار می‌کند، اما برای یک ربات کوچک بازرسی که باید از شکاف‌های باریک عبور کند، بسیار بزرگ خواهد بود. همیشه بهتر است به جای اتکا صرف به بروشورهای تبلیغاتی، کاتالوگ کامل مشخصات فنی سازنده را بررسی کنیم تا مطمئن شویم که در آینده از نظر حرارتی و مکانیکی همه چیز به‌درستی کار می‌کند.

راه‌اندازی و تغذیه برقی موتور کوچک به‌صورت ایمن و کارآمد

قطبیت صحیح، محدودکردن جریان و مدارهای حفاظتی برای عمر طولانی‌تر موتور کوچک

حتی اگر برای مدت کوتاهی قطب‌ها را اشتباه وصل کنید، می‌تواند سیم‌پیچ‌های کوچک موتور یا قطعات داخلی را خراب کند. قبل از روشن کردن هر چیزی، اتصالات مثبت و منفی را دوباره بررسی کنید. وقتی جریان زیادی از موتور عبور می‌کند، به سرعت گرم شده و عایق‌بندی آن شروع به از بین رفتن می‌کند. به همین دلیل افراد باهوش از کنترل‌کننده‌های PWM به جای پتانسیومترهای ساده استفاده می‌کنند یا مقاومت‌های محدودکننده جریان را با اندازه مناسبی نصب می‌کنند تا بتوانند شرایط راه‌اندازی و قفل شدن را مدیریت کنند. ضربه‌های ناخوشایند نیروی محرکه معکوس (back EMF) هنگام توقف ناگهانی یا تغییر جهت موتور رخ می‌دهند، بنابراین بهتر است یک دیود flyback را بین دو سر سیم‌های موتور قرار دهید. برای محافظت حرارتی، فیوزهای قابل بازنشانی PTC عملکرد خوبی دارند یا حسگرهای دمای داخلی قبل از داغ شدن بیش از حد، سیستم را خاموش می‌کنند. دستورالعمل‌های قابلیت اطمینان IEEE نشان می‌دهند که استفاده از تمام این موارد محافظتی می‌تواند عمر موتورهای کوچک را حدود ۷۰ درصد نسبت به موتورهای بدون هیچ گونه محافظتی افزایش دهد.

انتخاب و اندازه‌گیری باتری‌ها: جلوگیری از قطعی ولتاژ و گرمایش بیش از حد در سیستم‌های موتور کوچک

انتخاب باتری به طور مستقیم بر پایداری و ایمنی تأثیر می‌گذارد. ولتاژ نامی را با ورودی نامی موتور مطابقت دهید (تحمل ±10٪ قابل قبول است)؛ باتری‌های کوچک‌تر از حد مورد نیاز باعث قطعی ولتاژ تحت بار می‌شوند، در حالی که بسته‌های باتری بزرگ‌تر از حد مجاز خطر فشار بیش از حد ولتاژ و آزاد شدن حرارتی را افزایش می‌دهند. ملاحظات کلیدی باتری شامل:

برای ساخت‌های کار مداوم، اطمینان حاصل کنید که حداقل ۲۰٪ فضای باز برای جریان هوا در اطراف موتورها وجود داشته باشد تا از تجمع گرما جلوگیری شود. باتری‌های لیتیومی نیازمند مدارهای محافظتی یکپارچه (PCB) هستند تا در برابر شارژ بیش از حد، دشارژ بیش از حد و اتصال کوتاه محافظت شوند — این محافظت‌های ضروری در چارچوب‌های انطباق UL 2054 و IEC 62133 برجسته شده‌اند.

ادغام کنترل و اتوماسیون با میکروکنترلرها

کنترل پایه سرعت و جهت یک موتور کوچک با استفاده از آردوینو یا رزبری پای پیکو

کنترل دقیق موتورهای کوچک بسیار آسان‌تر شده است بخاطر برد‌های میکروکنترلری محبوبی مانند آردوینو یونو و رزبری پای پیکو. این رایانه‌های کوچک می‌توانند سرعت موتور را از طریق چیزی به نام مدولاسیون عرض پالس، یا به اختصار PWM، تنظیم کنند. در اصل، PWM میزان توان ارسالی به موتور را به‌صورت میانگین تغییر می‌دهد، بدون اینکه ولتاژ واقعی را تغییر دهد. این امر باعث خنک‌تر ماندن سیستم می‌شود، چون گرمای کمتری در سیم‌پیچ‌ها ایجاد می‌شود و همچنین باعث کارایی بیشتر سیستم می‌گردد. هنگامی که بخواهیم جهت چرخش را معکوس کنیم، به چیزی به نام مدار H-bridge نیاز داریم. قطعاتی مانند L298N یا TB6612FNG این کار را با معکوس کردن قطبیت الکتریکی در اتصالات موتور انجام می‌دهند، که این کار با استفاده از چهار سوئیچ جداگانه که به‌صورت الکترونیکی کنترل می‌شوند، انجام می‌شود. همگانه کردن تمام این اجزا چندان پیچیده نیست، به محض اینکه اصول اولیه را درک کنید.

• اتصال سیم‌های موتور به ترمینال‌های خروجی H-bridge
• هدایت پین‌های GPIO میکروکنترلر به ورودی‌های منطقی H-bridge (مثلاً IN1/IN2 برای جهت، پین PWM برای سرعت)
• نوشتن فریم‌وری که ورودی سنسورها، دستورات کاربر یا منطق زمان‌بندی را تفسیر می‌کند

تابع analogWrite() آردوینو سیگنال‌های PWM تمیز و منظمی تولید می‌کند، در حالی که Pi Pico از کلاس PWM در MicroPython استفاده می‌کند که نتایج مشابهی ارائه می‌دهد اما به‌طور کلی مصرف انرژی کمتری دارد و این ویژگی آن را به گزینه‌ای عالی برای ربات‌های کار کردن با باتری تبدیل می‌کند. هنگام کار با این بردها، قرار دادن مقاومت‌های محدودکننده جریان روی خطوط کنترل منطقی است و نباید دیودهای برگشتی (flyback) را برای خروجی موتورها فراموش کرد. موتورهای کوچک ممکن است در حالت قفل شدن بیش از 500 میلی‌آمپر جریان بکشند، بنابراین عدم محافظت از آنها اغلب منجر به سوختن کنترلرها در فضاهای تنگی می‌شود که الکترونیک‌ها در کنار هم قرار دارند. بسیاری از علاقه‌مندان این درس را از طریق تجربه تلخ دیدن اجزای ارزشمندشان که در اثر نوسانات غیرمنتظره ولتاژ به دود می‌روند، آموخته‌اند.

ساخت کاربردهای دنیای واقعی: نکات مونتاژ پنکه در مقابل ربات

از موتور کوچک تا پنکه عملیاتی: پره‌ها، نصب و بهینه‌سازی جریان هوا

پره‌های سبک و متعادل نقطه آغاز ضروری هستند، زیرا هنگامی که این پره‌ها نامتعادل باشند، ارتعاشات ایجاد می‌شود که باعث سایش سریع‌تر یاتاقان‌ها و کاهش طول عمر کلی موتورها می‌گردد. زاویه‌ای که پره‌ها در آن قرار گرفته‌اند نیز اهمیت دارد. بیشتر افراد دریافته‌اند که تنظیم آن در محدوده تقریبی ۱۵ تا ۳۰ درجه بهترین عملکرد را در تولید پیشرانه مناسب بدون ایجاد آشفتگی بیش از حد یا از دست دادن فشار استاتیک فراهم می‌کند. قرار دادن نوعی پوشش در پشت فن در واقع به هدایت جریان هوا کمک می‌کند و عملکرد بهتر سیستم را در مجموع فراهم می‌سازد. اندازه پره نیز مسئله‌ای دیگر است که باید مورد توجه قرار گیرد. به طور کلی، نگه داشتن قطر پره کمتر از حدود ۸۰٪ از حداکثر ظرفیت موتور، از بروز مشکلات اختلال در جریان هوا و تشکیل نقاط داغ در نزدیکی موتور جلوگیری می‌کند. تنها مسائل مربوط به عدم تراز بودن می‌تواند کارایی جریان هوا را تا حدود ۴۰٪ کاهش دهد، مطابق با استانداردهای ASHRAE در مورد عملکرد فن.

تبدیل یک موتور کوچک به حرکت انتقالی: چرخ‌ها، دنده‌ها و ادغام شاسی

در مورد کاهش دنده، به این فکر کنید که واقعاً چه چیزی برای ربات‌های کوچک زیر ۲۰۰ گرم که سعی در حرکت روی زمین ناهموار دارند مهم است. یک نسبت استاندارد ۳:۱ گشتاور خروجی را سه برابر می‌کند اما سرعت را کاهش می‌دهد که برای این ماشین‌های کوچک عالی عمل می‌کند. برای چرخ‌ها، چیزی سبک‌وزن مثل گزینه‌های لاستیکی سیلیکونی یا شاید چرخ‌های پلیمری سفارشی سه‌بعدی چاپ‌شده انتخاب کنید. این چرخ‌ها از جرم دورانی می‌کاهند و موتورها را از سوختن بیش از حد جلوگیری می‌کنند. قرارگیری هم اهمیت دارد. قرار دادن موتور درست کنار نقطه‌ای که چرخ‌ها می‌چرخند، تفاوت بزرگی در کاهش تنش روی قطعات نگهدارنده ایجاد می‌کند. فراموش نکنید که نقاط اتصال موتور به بدنه را تقویت کنید. مطالعات نشان می‌دهند که لرزش‌های ناشی از عدم تراز دقیق، حدود یک سوم ربات‌های کوچک را قبل از موعد از کار می‌اندازد. اضافه کردن صفحات تقویتی (gussets) یا استفاده از برد مدار چاپی دو لایه در نقاط اتصال، به ثبات بیشتر و عمر طولانی‌تر دستگاه کمک می‌کند.