Wie kann ich empirisch das Drehmoment eines Schrittmotors ermitteln?
Hallo Freunde
Ich bin Schiffsmodellbauer und sehe den Einsatz von 2 Schrittmotoren vom Typ FL60STH86-3008BF vor. Nachdem ich mit der Schrittmotorkarte von Robotikhardware.de bei einer Spannung von 12VDc keinen Erfolg hatte, habe ich jetzt endlich, mit einer Karte der Firma Trinamic, StepRocker, die Ursachen besser verstanden. Die Schrittmotoren werden statt Winden eingesetzt, um die Segel eines relativ großen Seglers, an die J-Klasse angelehnt, zu kontrollieren und werden jeweils eine Trommel antreiben, welche einen Umfang von 400mm an der Lauffläche hat. So werde ich die über 8 Meter Schot-Verstellbereich realisieren können, ohne das mir Drehmoment fehlen wird um die Kräfte des Windes auf die Segel aufzunehmen und schnelles Verstellen unterstützen. Im Zielsystem werden 12 Akkuzellen in Reihe geschaltet, Headway, 16Ah Kapazität, LiFePO4, so dass bei vollen Akkus fast 40VDC und bei leeren Akkuzellen noch 24VDC am Schrittmotor anliegen werden. Hier ein Bild der Zeichnung des Systems:
Bild hier
Die Schrittmotoren stehen auf jeweils eines der Akkuboxen, welche die Akkuzellen des Packs enthalten. In dem Raum dazwischen befinden sich die Trommeln, welche die Schot, jeweils für Hauptsegel und Vorsegel Auf- und Abrollen lassen. Da Sensoren die Lage der Bäume auf das Grad oder halbe Grad exakt ermitteln, kann die Softwaresteuerung dafür sorgen, dass nur so viel Schot bereitgestellt wird, wie für die Lage des Baumes zum jeweiligen Zeitpunkt erforderlich ist, das entspricht einer Schrittposition.
Zurück zum Hintergrund der Frage. Ich habe mit der StepRocker-Karte Versuchsreihen über diverse Geschwindigkeiten und diverse Microsteps pro Schritt gefahren und dabei ermittelt ab welcher Anzahl von Microsteps der Schrittmotor nicht mehr dreht und eine subjektive Bewertung des Laufgeräusches und wie unangenehm oder angenehm das Laufgeräusch ist. Das Ganze dann auch noch, indem ich die 4 Spulen im Schrittmotor einmal parallel und einmal in Reihe geschaltet habe laufen lassen.
Dabei ist mir klar, dass ich mit der angelegten Spannung von nur 12VDC viel niedrigere Werte habe als später im Zielsystem mit Werten zwischen 24CDV (Akkuzellen leer) und knapp 40VDC (Akkuzellenvoll).
Das Ergebnis macht klar, warum ich den Schrittmotor mit der Karte von Robotikhardware.de nicht zum Laufen brachte.
Die Geschwindigkeitsregelung erfolgt über einen Parameter, welcher Werte zwischen 0 und 2047 annehmen kann,
die Anzahl der Microsteps über einen Parameter der Werte von „0”, gleich Vollschritte bis „8” gleich 256 Microsteps annehmen kann.
Hier die Zahlen bei Parallel-Schaltung der Spulen im Schrittmotor, die Zahlen bei Reihen-Schaltung sind um eine Stufe kleiner.
Bei der Geschwindigkeit „500” konnte die Zahl der Microsteps auf 16 verringert werden, bei 8 lief der Motor nicht mehr.
Bei der Geschwindigkeit „1000” konnte die Zahl der Microsteps auf 32 verringert werden, bei 16 lief der Motor nicht mehr.
Bei der Geschwindigkeit „1500” konnte die Zahl der Microsteps auf 64 verringert werden, bei 32 lief der Motor nicht mehr.
Bei der Geschwindigkeit „2000” konnte die Zahl der Microsteps ebenfalls auf 64 verringert werden, bei 32 lief der Motor nicht mehr.
Da die Karte von Robotikhardware.de so viele Microsteps nicht bereitstellen kann, konnte bei angelegten 12VDC der Motor nie laufen. Erhöht man die Geschwindigkeit ganz langsam, Rampenfunktion, dann können noch höhere Geschwindigkeiten erreicht werden. Der kleine von Robotikhardware.de gelieferte Schrittmotor hat sich auch hier als defekt erwiesen. Frank hat diesen nicht tauschen wollen, da ich zu lange gebraucht habe den Defekt zu ermitteln! Kein Wunder!
Für die Entscheidung wie schnell ich meine Schrittmotoren im Segelbootmodell laufen lassen will sind von diversen Kriterien abhängig. Von sehr hoher Bedeutung ist das Laufgeräusch. Hier kann ich nur sagen, dass der Schrittmotor wesentlich leiser laufen wird als jegliches kommerziell erhältliches Servo oder Winde. Ich hoffe man wird ihn überhaupt nicht hören, weshalb dann dass unangenehme Servolaufgeräusch bei meinem Modell fehlen wird!
Das zweite Kriterium ist natürlich das Erreichen der erforderlichen Verstellgeschwindigkeiten. Bei der Höhe der im Modell verfügbaren Spannungen erwarte ich hier keine Begrenzung durch den Schrittmotor, da bei einem Umfang der Lauffläche der Trommel für die Schot von 40cm für die 8 Meter Verstellbereich nur 20 Umdrehungen erforderlich sind.
Die nächsten 3 Kriterien sind verknüpft und bedingen meine Frage nach einer empirischen Methode, und sei es nur im Vergleich der Werte, ähnlich wie bei den oben gezeigten Zahlen. Die Kriterien sind Stärke des Drehmomentes, Leistungsverbrauch und eventuelle Schrittfehler. Schön ist es, dass alle Optionen auch im fertigen Modell problemlos einstellbar sind. Etwas Hardware, Umstellen von Seriell- oder Parallel-Verschaltung der Spulen im Schrittmotor und ansonsten nur Software.
Nach Unterlagen aus dem Internet, erlaubt die Parallel-Schaltung der Spulen höhere Geschwindigkeiten, da das Verhalten des Motors stabiler ist, das Drehmoment ist jedoch kleiner als bei vergleichbaren Parametern bei der seriellen Verschaltung. Die Kurven im Datenblatt, Drehmoment vs. Schrittgeschwindigkeit spricht allerdings eine andere Sprache. Hier verläuft das Drehmoment fast auf einer Geraden zwischen 1000 PPS, 2,5Nm und 0,4Nm bei 9000 PPS, in reihe geschaltet hat der gleiche Schrittmotor bei 1000 PPS 0,2Nm bis 0,5Nm weniger und behält dieses bis zu etwa 6000 PPS, ab da bleibt es fast konstant.
Umfangreiche Studien und Versuche werden noch nötig sein um 2 Sonderfunktionen des von mir angepeilten Controllers zu verstehen und sinnvoll anzuwenden.
„Stallguard”, ein intelligentes System zur Vermeidung von Schrittfehlern und Coolerstep, eine Technik zum intelligenten Umgang mit der Leistungsaufnahme. Da ich im Modell die Spannungsversorgung aus Akkus erhalte, sind beide Systeme sehr sinnvoll. Mit Stallguard, der Schrittfehler anzeigt und es ermöglicht intelligent nur so viel Leistung anzulegen, wie für die zuverlässige Vermeidung von Schrittfehlern benötigt wird. Hier würde ich gerne eine Methode haben wie ich als Amateur und Hobbyelektroniker mit vernünftigen Aufwand eine Last auf das Drehmoment anbringen kann und damit so lange an den Parametern spielen kann, dass die leistungsärmste Schrittfehler freie Einstellung finde.
CoolerStep ist eng mit dem Stallguard verbunden, muss aber noch wirklich verstanden werden.
Lobenswert an dem StepRocker ist, dass die kostenlose IDE von Trinamic es ermöglicht mit dem Schrittmotor im Betrieb ein GUI zur Verfügung zu haben, wo man alle Parameter abfragen und einstellen kann, einfach nur die verfügbaren Optionen aus einer Auswahlliste auswählen. Das macht Versuchsreihen sehr einfach.
