test van maximum toerental stappenmotor

[rien1959]

Er liggen twee projecten op mij te wachten : mijn oude freesbank, die thuis staat, ombouwen naar closed loop motoren en mijn Mikron WF21C freesbank waar de Heidenhain TNC155, op sterven na, dood is. Voor mijn oude bank had ik al closed loop motoren en regelaars van 6 Nm en 12 Nm op de plank liggen. Vanochtend op de zaak een testopstelling gemaakt. Met een ringkern trafo, 64 Volt wisselspanning (gemeten), 5 Amp., als voeding. De pulsen stuurde ik met een pulsgenerator. De regelaar was zo'n clone HSS86. Ik ben gelijk voor de 12 Nm motor gegaan, omdat dat de moeilijkste is om op toeren te krijgen. Eerst langzaam laten draaien en vervolgens de motor geblokkeerd om te kijken wat de maximale opgenomen stroom was. Dat viel reuze mee : 1,84 Amp. Toen met de stappeninstellingen geprobeerd. Bij 1600 pulsen per omwenteling liep alles in deze opstelling het beste. Ik had verwacht dat het bij 800 toeren wel op zou zijn ....... Maar hij bereikte 2000 omwentelingen/min ! Zonder rare geluiden en bij een stroom van 2,2 Amp. Dat ding liep als een trein ! Ik was bang dat de inlegspie er uit zou vliegen, maar hij bleef zitten. Pas bij ongeveer 2100 omw/min begonnen er rare geluidjes te ontstaan. De toerentallen zijn gemeten met een professionele meter met mechanische koppeling, dus niet optisch. Het opgenomen vermogen was bij blokkeren 1,84 A en 64 Volt = 117 VA en op max toeren 140 VA. Het koppel zakt bij een stappenmotor enorm als hij toeren maakt. Als er 10 procent overblijft mag je blij zijn. Maar toch ......

[FreesKever]

Stroom meten bij stilstand van de stappenmotor is niet zo heel zinvol.
Als de motor stil staat, levert hij geen vermogen, en is het opgenomen vermogen ook laag.

HSS86, da's een "closed loop" kast:
https://cnc4you.co.uk/resources/Servo%2 ... 0HSS86.pdf

Closed loop stappenmotoren zijn goed in stroom terugdraaien als het niet nodig is. Dat is een groot gedeelte van de reden dat ze soepeler lopen en ook minder warm worden.

Zonder belasting kunnen deze motoren inderdaad nog best een hoog toerental halen.
Wat ze doen onder belasting is een andere zaak...

Het koppel onder belasting kun je overigens ook vrij gemakkelijk meten.

1. Zet een ronde as of schijf in de stappenmotor.
2. Draai er een stuk touw omheen, 2 tot 5 slagen.
3. Trek het touw strak terwijll de motor draait.

De wrijving tussen motor as en het touw zal nu een verschil veroorzaken tussen het "ingaande" en het "uitgaande" stuk van het touw. Door dit met een veerunster of loadcell te meten kun je in combinatie met de diameter van de schijf het uitgaande motorvermogen meten.

Ook vind ik 64V wat aan de lage kant voor een Nema34 motor. De bovenstaande HSS86 link gaat tot 80Vac in, en dat wordt dus 110Vdc. Met een hogere ingangspanning doet de motor het beter op hoge toerentallen. Voor lage toerentallen maakt het heel weinig uit. Ook voor het opgenomen vermogen maakt het weinig uit.

------------
Ik heb eens een Nibidibibibium magneet op mijn 24000 spindel geplakt om toerental te meten met een Hall sensor. Die magneet heb ik nooit meer terug gevonden. Ik hoorde hem wel ergens 6m verder ergens tegenaan stuiteren. Dat moet dus 5G of meer geweest zijn op de Nema11 as, want die Nibidibibibium doen 't best goed. Bij de tweede magneet heb ik er een plakbandje overheen gedaan en die bleef wel zitten. De meting is gedaan met een simpele HALL sensor, een breadboard, 5V voeding en mijn Rigol DS1052E oscilloscoop. Doel was liniairiteit meten van de 0 - 10V naar de frequentie regelaar en het motor toerental. Voor een stappenmotor is het simpeler. Die draaien op de stapfrequentie die je aanbied, of ze draaien helemaal niet.

[rien1959]

De stroom is niet gemeten in stilstand maar op laag toerental en dan blokkeren. Dat is wat anders.

[FreesKever]

De stroom is niet gemeten in stilstand maar op laag toerental en dan blokkeren. Dat is wat anders.

Nee, dat is niet veel anders.
Bij een laag toerental is het afgegeven motorvermogen per definitie ook laag, en op het moment dat de motor blokkeert staat hij stil.

Het maximale motorvermogen (En dus ingang stroom) voor een Nema34 motor ligt vermoedelijk rondom 600rpm. Daarboven gaat het koppel aanzienlijk omlaag, maar toerental verdubbeling is daar ongeveer koppel halvering, dus het motorvermogen blijft nog gelijk.

Ik weet natuurlijk niet precies wat je gedaan hebt maar als je een serieuze meting wilt doen naar de maximale stroom die je motor driver opneemt, dan heb je meer nodig, en het is best lastig om dat te doen. De standaard oplossing is om er een voeding aan te hangen die 2x of 3x zwaarder is als nodig.

Een ouderwetse trafo met brugcel en elco's is robuust en overbelastings pieken goed verwerken.
Een SMPS voeding kan heel snel in beveiling schieten en zichzelf uitzetten als de maximale stroom wordt overschreden, maar er zijn ook modellen die expliciet zijn ontworpen om hoge stroompieken te kunnen leveren. (B.v. tijdens acelleratie van je motoren).

Met een paar eenvoudige metingen kun je wel wat karakteristieken achterhalen en verifieren, maar om echt een goede en betrouwbare meting te doen is een heel stuk lastiger. Als je het echt goed wilt doen heb je een vermogens meet bank met torsie sensoren nodig. Door een stuk touw om een as of grotere schijf (b.v. V-snaar of tandriem poelie die je hebt liggen) te wikkelen kun je een heel eind komen met een DIY oplossing.

[benkr]

Voor mij is dit een verhaal over klokken en klepels maar de werkelijkheid is toch anders.

[andrefc101]

Voor mij is dit een verhaal over klokken en klepels maar de werkelijkheid is toch anders.

En dat ga jij nu uitleggen neem ik aan?

[benkr]

Voor mij is dit een verhaal over klokken en klepels maar de werkelijkheid is toch anders.

En dat ga jij nu uitleggen neem ik aan?

Nee, dat ga ik beslist niet doen, ook ik ben er al te lang uit om dit tot in de dirty details te kunnen uitleggen, dan moet je denk ik bij DaBit zijn, maar die is even vakantie vieren dus dat moet even wachten denk ik.
Maar om iets te kunnen zeggen wat in de buurt gaat komen moet je vooral wat meer weten over de driver, zoals het aantal microsteps wat ingesteld is, de zelfinductie van de motor en in combinatie daarmee de voedingsspanning want de spanning én de zelfinductie bepalen hoe snel de stroom door een motorspoel kan aangroeien, ook de op de driver ingestelde stroom is hier belangrijk, pas als je over deze dingen wat meer weet kun je roepen of een hogere voedingsspanning een beter resultaat geeft.

Het aantal microsteps beperken het koppel, en echt behoorlijk, dat is dus belangrijk om mee te nemen in je koppelmeting.
Hier een tabel die hier iets over roept:

microsteps.JPG

Toevallig heb ik een week of 2 geleden de door een driver opgenomen stroom gemeten bij een ingestelde motorstroom van 5,6 en 4 A, het verbaasde mij hoe laag de opgenomen stroom was, iets van 0,3 en 0,5 A of zo. Bij mij werd een motor echt behoorlijk warmer dan de anderen, bleek gewoon aan een iets hogere Ohmse weerstand te liggen waardoor de DC verliezen meer warmte produceerden.

Ik heb ooit een Nema34 motor gehad van Vexta, die leverde bij 4A motorstroom 10 Nm tegen een andere die ik nog heb liggen die voor datzelfde koppel 8A nodig heeft. Dit betekent dat ook motoren onderling flink verschillend kunnen zijn.

[andrefc101]

Laat maar, ben het nu al kwijt

[hfjbuis]

Toevallig heb ik een week of 2 geleden de door een driver opgenomen stroom gemeten bij een ingestelde motorstroom van 5,6 en 4 A, het verbaasde mij hoe laag de opgenomen stroom was, iets van 0,3 en 0,5 A of zo.

Ik meet bij het testen altijd het opgenomen vermogen van de motor/driver combinatie met de lab voeding. Dat de stroom bij 24V voeding niet in de buurt komt van de 3..5 A van de stappenmotor is normaal. De driver werkt als een step/down voeding. Regel de spanning maar eens omlaag, dan zul je zien dat de stroom toeneemt.
De digitale drivers schakelen, als het toerental toeneemt, de microstepping terug waardoor het koppel en opgenomen vermogen toenemen. Mijn TMC2209 (stepstick) drivers doen dat al bij een erg laag (ik schat 60 RPM) toerental. Ze leveren daardoor bij 8 microsteps 2 keer (geschat) meer koppel dan mijn analoge TB6600 drivers bij 4 micro steps. Dat is voor mij de reden om die TB6600 drivers dan toch maar te gaan vervangen!!!

[FreesKever]

Maar om iets te kunnen zeggen wat in de buurt gaat komen moet je vooral wat meer weten over de driver, zoals het aantal microsteps wat ingesteld is, de zelfinductie van de motor en in combinatie daarmee de voedingsspanning want de spanning én de zelfinductie bepalen hoe snel de stroom door een motorspoel kan aangroeien, ook de op de driver ingestelde stroom is hier belangrijk, pas als je over deze dingen wat meer weet kun je roepen of een hogere voedingsspanning een beter resultaat geeft.

Euhm, nee!
Mijn verhaal gaat over het doen van praktische metingen aan een opstelling, en hoe je een redelijke meting kunt doen met doe-het-zelf methoden. Dat staat helemaal los van de verdere configuratie. Je kunt natuurlijk wel de praktijk meting herhalen met verschillende combinaties van die andere factoren.

Het aantal microsteps beperken het koppel, en echt behoorlijk, dat is dus belangrijk om mee te nemen in je koppelmeting.
Hier een tabel die hier iets over roept:

Die tabel is 95% flauwekul en wordt al 30+ jaar lang foutief aangehaald.
Met microstepping verlies je helemaal GEEN koppel! zo simpel is het eigenlijk.

Wat die tabel doet is een afleiding van een theoretisch verhaal onder de aanname dat als je met een 8-voudige microstepping ook een 8-voudige resolutie verhoging van de motor wilt halen. En met een "closed loop" motor met dus ingebouwde terugkoppeling is dat hele verhaal al helemaal niet van toepassing.

Als je hier meer van wilt weten, raad ik je aan om je in FOC (Field Oriented Control) te verdiepen. Heel kort door de bocht: Een motor (BLDC, stappen, PMAC, het maakt niet uit voor het principe) levert het hoogste koppel en rendement bij een 90 graden fase verschuiving tussen de magneetvelden van de rotor en van de stator. De "closed loop" stappenmotor sturingen doen metingen aan de rotor positie om dit algoritme te kunnen gebruiken. Die 40+ jaar oude microstep tabel gaat uit van een motor zonder terugkoppeling.

Om het nog iets ingewikkelder te maken:
Met FOC verlies je wat koppel (20% tot 30% ongeveer) ten opzichte van een "full step" stappenmotor driver, omdat FOC "zich netjes aan de regeltjes houdt" terwijl je met "full step" de motor eigenlijk wat overstuurt (wat geen kwaad kan). SVM (Space Vector Modulation) is een slimme uitbreiding van FOC en daarmee kun je dat stukje "verloren koppel" weer terug krijgen. Maar of een gemiddelde Chinese stappenmotor sturing daar gebruik van maakt weet ik niet. Met SVM kun je het maximale uit een motor halen wat hij aankan met een bepaalde voedingspanning en toerental, en dat staat helemaal los van microstepping.

Bij alle "closed loop" en "digitale" stappenmotor sturingen gaan de (micro) stappen rechtstreeks een microcontroller of DSP in, en de computer gaat ermee toveren. De motor zelf zal die stappen nooit zien.

Maar als je klepels noch klokken kunt vinden is het beter om geen dingen te gaan roepen die je ooit eens ergens gehoord hebt.

[hfjbuis]

Die tabel is 95% flauwekul en wordt al 30+ jaar lang foutief aangehaald.
Met microstepping verlies je helemaal GEEN koppel! zo simpel is het eigenlijk.

Jij bent de eerste die dit roept. Verder heb ik dit nog nergens gelezen en ik mis de onderbouwing..

Voor analoge openloop drivers:
Om te microsteppen zal een van de twee spoelen toch echt minder stroom moeten krijgen en op een gegeven moment zelfs tegen moeten gaan werken. Van full naar half step verlies je zo 30% koppel. Van half naar 4 steps nog eens 30%, en zo verder. Bij 4 microsteps heb je nog maar de helft over. De metingen die ik gedaan heb bevestigen dit net als websites die microstepping uitleggen.

Bij digitale openloop drivers en digitale closed loop drivers (motor met encoder):
Daar is e.e.a. afhankelijk van hoe de microstepping geïmplementeerd. Ze kunnen onder omstandigheden het verlies aan koppel bij microstepping opvangen.
Mijn ervaring met de TMC2209 stepstick drivers bevestigen dit evenals websites en b.v. metingen door Clough42.

[Kars-cnc]

Ik heb er helemaal geen verstand van of ervaring mee maar mijn "nekhaar gevoel" na 40+ jaar ervaring met elektro/elektronica zegt mij dat Freeskever wel gelijk heeft

De koppels in die tabel zullen gelden als je ook op die microsteps nauwkeurig wil positioneren, maar in z'n algemeenheid kan er helemaal geen (statisch) koppelverlies zijn! Meer microstepping is niets anders dan het in kleinere stapjes verdelen van de twee spoelstromen maar de som van de stromen blijft gelijk.

[hfjbuis]

De koppels in die tabel zullen gelden als je ook op die microsteps nauwkeurig wil positioneren, maar in z'n algemeenheid kan er helemaal geen (statisch) koppelverlies zijn! Meer microstepping is niets anders dan het in kleinere stapjes verdelen van de twee spoelstromen maar de som van de stromen blijft gelijk.

OK,
Een statisch voorbeeld:
Ik positioneer een 4 microstepping stepper op de full step. Stroom door beide spoelen 1A.
Nu positioneer ik op een halve step (2 micro stepping) dat zal toch de spoel stroom door één van beide spoelen moeten verminderen anders blijft dat ding op de full step positie staan. Het gevolg is dat het houd koppel omlaag gaat.

Een dynamisch voorbeeld:
Ik draai op 100 RPM, full step. De spoelspanning is een blokgolf, de stroom is begrensd tot 1A en zal ook "continue" 1 A zijn.
Nu draai ik op 256 microstep. De spoelspanning is een hoogfrequent aan/uit schakelende blokgolf die de sinus vorm van de stroom genereert. De stroom door de spoelen is een "sinus" met een Max van 1A.
Die 1A piek sinus stroom levert toch minder (vermogen) koppel dan die continue stroom van 1A. Die factor is, als ik het mij goed herinner 1/(wortel 2) = 0.70
N.B. de (analoge) driver schakelt in beide gevallen op de (piek) stroom van 1A.

[FreesKever]

Wat "onderbouwing" betreft, dit zit in het, FOC en SVM verhaal, maar dit kost aardig wat studie om te begrijpen hoe dat precies werkt. De principes zijn ook een stuk simpler uit te leggen.

Er zijn 2 en 3-fase stappenmotoren (er is en tijd geweest dat er ook 5 fase stappenmotoren werden gemaakt).

Een 3-fase stappenmotor werkt het best op 3 sinusoidale stromen die gelijkmatig verdeeld zijn over de tijd. Net als alle andere 3-fase motoren. Van BLDC en PMAC tot en met de standaard inductie motor die veel wordt toegepast. Op elk moment van de cyclus kun je de 3 fase stromen bij elkaar optellen en de uitkomst is een "constante" (die wel varieert met motor spanning en afgegeven vermogen, maar beschouw die ook als "constant" voor de eenvoud). En dat is waarom de motors "rustig" draaien. Het opgewekte koppel van de 3 fasen bij elkaar is constant.

Bij een 2-fase stappen motor is het ietsje anders. Als de spoelen daar "gelijkmatig verdeeld" zouden zijn (met dus 180 graden fase verschil) dan werkt de motor niet. Hij weet dan niet of hij links of rechts om moet draaien. Bij een 2-fasige stappenmotor zit er daarom slechts 90 graden fase verschuiving tussen de twee spoelen. Als de stroom door een van de spoelen maximaal is, dan is de stroom door de andere spoel 0. De twee spoelen leveren dus omstebeurt het motor koppel.

Alle betere motor drivers werken met sinus vormige motor stromen, en dat is waarom de stappenmotoren tegenwoordig (bijna) stil zijn als ze draaien. Het gebonk van alle stapjes zie en hoor je alleen nog maar bij de allergoedkoopste drivers. De (micro) stappen zijn alleen maar een communicatie kanaal tussen de "computer" en de "motor driver".

Wat de TB6600 betreft, als je naar het (bijgevoegde) datasheet kijkt op blz 24. dan zie je duidelijk de benadering van 2 sinussen met 90 graden fase verschuiving.

Dit is ongeveer wat FOC als basis gebruikt. Een "nul lijn" met sinussen. Alleen deze "nul lijn" bestaat niet echt. bij een stappenmotor. Ook bij een "normale" 3 fasen motor wordt de nul niet aangesloten. (maar je gebruikt hem wel met berekeningen aan de motor). Bij SVM wordt hier handig gebruik van gemaakt, door niet te rekenen tegenover de "nul" die in het midden licht, maar door de volledige spanning over de spoel te gebruiken. Het verschil tussen FOC en SVM is dan (heel grof) vergelijkbaar met een 3-fase motor die in ster (FOC) of in driehoek (SVM) is aangesloten, maar je hoeft geen draden te verwisselen, omdat de motor regelaar het intern regelt. Je sluit immers de motor spoelen direct op de regelaar aan, en die kan er mee doen wat hij leuk vind.

==========================================
Voor de eenvoud heb ik even genegeerd dat deze algoritmes aktief de motor stroom regelen aan de hand van een motorkoppel dat op een bepaald moment geleverd moet worden. (Daar is de terugkoppeling voor nodig, en dit zorgt er ook voor dat de motor veel koeler blijft). Voor het maximale koppel dat een motor kan leveren is dit echter een detail wat niet zo belangrijk is.