Stromsparsamer Stepper

[PICture]

Hallo!

Ich bin schon lange auf der Suche nach extrem sparsamen Antrieb (mit Stromverbrauch im Bereich von einzelnen mA) für gewünschtes "solar perpetuum mobile".

Theoretisch könnte man hoffentlich bei einem Stepper (Schrittmotor) mehrere üblich seriell/paralell verbundene Spulen (z.B. 12 in CD Laufwerk aus Laptop) voreinainander trennen/neuwickeln und mit selbstgebastelten Controller (mit µC) zum Laufen bringen. Dabei würde immer nur eine Spule beströmmt, da es langsam und praktisch unbelastet arbeiten wird. Auf dem Rotor gibt es dafür genug von permanenten Magneten. Ich denke, dass es besser als BLDC, weil mehrspulig und bidirektional wäre.

Bevor ich damit experimentieren anfange, möchte ich nur sicher wissen, ob es überhaupt Sinn macht und bedanke mich herzlich für alle Hinweise, weil mir dafür nötige Erfahrung fehlt. ;)

[Besserwessi]

Nur eine Spule mit Strom zu versorgen ist vermutlich nicht so gut, weil man damit nur einen kleinen Teil des Kupfers nutzt. Besser alle Teilspulen in Reihe, und dann entsprechend weniger Strom. Den Strom kann man entsprechend der Zahl der Spulen reduzieren - die Leistung je Spule nimmt mit dem Quadrat des Stromes ab.

BLDC kann man auch in beide Richtungen drehen lassen. Das ist nur ein Frage der Ansteuerung - das sind nur die primitiven Ansteuerungen der Lüfter die nur in eine Richtung gehen.

[PICture]

Hallo Besserwessi ! :)

Wäre es möglich ein BLDC nur durch Umschalten der Spulen bei eingebauten Controller (z.B. mit nur 2 Spulen) z.B. per bipolaren Relais in beiden Richtungen laufen lassen ?

Ich habe solche bereits adaptierte Motoren (https://www.roboternetz.de/community/threads/52580-BLDC-mit-1V ), die sicher mit 1,7 V / 10 mA genug stark für mich drehen und ich möchte das am einfachsten basteln. Ich vermute jedoch das man dann zusatzlichen Hallsensor auf anderer Stelle befestigen müsste, was für mich noch machbar wäre.

Den Strom könnte ich noch durch langperiodischer PWM (z.B. 0,5 s an und 0.5 aus) später hoffentlich noch senken, da die Rotoren aus permanenten Magneten sehr träge sind. Deshalb sind meine Versuche zwei solche in Gegenrichtung drehende Motore durch Anlaufprobleme mechanisch zu koppeln gescheitert.

Für virtuelle Bumper kann ich dann Impulse von Hallsensoren nutzen.

[Besserwessi]

Die Lüfter sollten im Prinzip auch andersherum laufen, wenn man die Spulen Umpolt. Ob dann die Position des Hallsensors noch so gut ist weiß ich aber nicht.

[PICture]

Ich habe es eben erfolgslos mit vorhandenem Hallsensor probiert und auf Eis gelegt, weil ich damals noch andere wichtigere Probleme hatte. Aber jetzt, wenn es Sinn macht, werde ich gerne weitermachen. Möglicherweise reicht das Umschalten von zwei Hallsensoren aus, weil die zwei seriell geschaltete Spulen man als eine sehen kann.

Am liebsten wäre für mich, wenn einfache Invertierung des Hallsensorausgangs (z.B. mit einem XOR Gatter) ausreichen würde, weil der mikrige BLDC Motor sehr prezise Aufgebaut ist. Selbstverständlich werde ich unabhängig vom Ergebnis irgendwann darüber berichten. ;)

Mechanisch am einfachsten scheint mir Prinzip vom ASURO mit mit zwei ohne Getriebe angetriebenen Räder und Trackball zu sein. Natürlich, wenn mir bidirektionaler BLDC gelingt. :confused:

Übrigens, momentan möchte ich noch kein echtes "perpetuum mobile" basteln. :lol:

Vieeelen Dank Besserwessi für deine (für mich nötige) Unterstützung ! :)

[Besserwessi]

Wenn es mit wenig Leistung ohne Getriebe gehen soll, müsste der Motor schon recht stark sein, und entsprechend viel Schritte / Pole haben. Ein kleines Getriebe ist da ggf. das kleinere Übel, denn unter zu vielen Schritten leidet der Wirkungsgrad. . Die Ansteuerung könnte man ggf. in Software machen, also mehr als Schrittmotor, weniger als DC Motor.

Ein langsames PWM um die Leistungsaufnahme zu reduzieren ist eigentlich nicht optimal, ähnlich wie bei mehr Spulen nutzt man so das Kupfer nur einen Teil der Zeit, hätte also mehr Verluste. Besser wäre eher gleichmäßig weniger Strom, ggf. auch per schnellem (z.B. 1 kHz) PWM.

[PICture]

Hallo!

Ich möchte bloss mitteilen, dass ich schon einen bidirektionalen BLDC fertig basteln kann. Erstes Versuch mit Invertierung des zum Controller zugeführten Signals aus originalen Hallsensor ist zwar gescheitert, aber der BLDC mit zusätzlichen Hallsensor läuft in beiden Richtungen genauso sehr gut (siehe Skizze im Code).

Ich habe aber anderen BLDC genommen (nur eine Spule mit 4 Magnetpolenpaare), weil er bereits Tachoausgang und bessere Eigenschaften bei Anlaufen und unter variabler Belastung hat: http://www.pollin.de/shop/dt/OTg5OTc2OTk-/Bauelemente_Bauteile/Luefter/Radialluefter_SUNON_GB054AFV1_8.html .

Der Hallsensor braucht bei 2,5 V nur um 1 mA Strom. Ausprobierter Schaltplan ist im zweiten Code. Zum verbinden des Motors mit steuerndem µC möchte ich 5-poligen Anschluss mit Stift- und Buchsenleiste verwenden. Die Stekerleiste ist an Steurplatine des Motors geklebt.

Den aktuellen Zustand meiner Bastlerei des bidirektionalen BLDC's habe ich fotografiert.

Kurzbeschreibung zum dritten Foto:

Der zusätzlicher Hallsenor (H2, rechts) stammt aus gleichen destruktiv zerlegtem Motor und ist an den GND Anschluss des ursprünglichen (H1, links) angelötet, was ausreichend ist (siehe drittes Foto). Es muss nur eine Leiterbahn getrennt werden (+VCC vom H1). Alle Verbindungen zur Steckerleiste sind gefädelt. Der anschlussfertige bidirektionale BLDC wiegt um 8g, davon sein Rotor um 4g.

Angeblich aus Spargründen des Herstellers fehlt ein pullup Widerstand am OC Tachoausgang, den muss man selber einlöten, wenn man z.B. mit einem Oszilloskop Drehzahl messen möchte (siehe 4. Foto).

Sollte jemand genauere Erklärung brauchen, dann bitte, sofort anfragen. :)

Weil die Spule nur 26 Ohm Widerstand hat, könnte, wegen Anlaufstrom (Impuls bis zum 50 mA bei 3 V), zum Schalten des Motors ein p-n-p Transistor in MAN Leitung nötig sein. Im Leerlauf braucht der Motor bei 3V um 20 mA und bei 2V um 25 mA.

Als nächstes habe ich den mir schon bekannten BLDC ( https://www.roboternetz.de/community/threads/52580-BLDC-mit-1V ) in Gegenrichtung drehen lassen. Ich war sehr überrascht, dass eine einfache Umpolung der seriell geschalteten Spulen z.B per zwei EXOR Gatter + zusätzliche H-Brücke dafür ausreicht. :)


Stator

#
# # \
# H2|_|# zusätzlicher |
_ > Hallsensoren
# o |_|# H1 originaler |
/
# # A
# # / originale
# / Drehrichtung

(created by AACircuit v1.28.6 beta 04/19/05 www.tech-chat.de)

MAN >------------+ +---+--+--+-----------------+
| |MAN|MR|MV|Drehdichtung |
.---------------------. +---+--+--+-----------------+
| | | 0 | X| X|keine (Stop) |
MV >--------+ | +---+--+--+-----------------+
| | | | 1 | 0| 0|keine |
| .----. zum | | 1 | 0| 1|Ursprungsrichtung|
| | H1 |---+-> BLDC | | 1 | 1| 0|Gegenrichtung |
| '----' | Cont- | | 1 | 1| 1|Ursprungsrichtung|
| | | roller | +---+--+--+-----------------+
| +---+ | |
| | | | 0 = keine Spannung (z.B. offen)
MR >--------+ | | |
| | | | | 1 = Versorgungspannung
| .----. | | | des Motors
| | H2 |-|-+ |
| '----' | | X = egal
| | | |
| +---+ Motor | H1 = originaler Hallsensor
| | |
'--------|------------' H2 = zusätzlicher Hallsensor
|
===
GND

(created by AACircuit v1.28.6 beta 04/19/05 www.tech-chat.de)
Für Handsteuerung der Motore per Kabel werde ich diese Schaltung probieren:

+-+-----------+
| | | MAN
D1 ~ | |
^ | .---------------------. +--+--+-----------------+
| | | | |VR|VV|Drehrichtung |
VV >-+-|-------+ | +--+--+-----------------+
| | | | | 0| 0|keine |
| | .----. zum | | 0| 1|Ursprungsrichtung|
| | | H1 |---+-> BLDC | | 1| 0|Gegenrichtung |
| | '----' | Cont- | | 1| 1|Ursprungsrichtung|
D2 ~ | | | roller | +--+--+-----------------+
^ | +---+ | |
| | | | | 0 = keine Spannung (z.B. offen)
VR >---+-------+ | | |
| | | | | 1 = Versorgungspannung
| .----. | | | des Motors
| | H2 |-|-+ |
| '----' | |
| | | |
| +---+ Motor | H1 = originaler Hallsensor
| | |
'--------|------------' H2 = zusätzlicher Hallsensor
|
=== |
GND ~ = Schottky Diode
^
|

(created by AACircuit v1.28.6 beta 04/19/05 www.tech-chat.de)

[PICture]

Hallo!

Bevor ich es realisiere, möchte ich um ihre Bestätigung bitten, falls möglich, dass verkehrtes Einstecken den BLDC Motor sicher nicht "töten" kann (siehe Code). ;)

Richtig Verkehrt

MR MR MV GND
+---------<<----- +---------<<-----
| MV MV | MR TACHO
/ \--------<<----- / \--------<<-----
( M ) MAN MAN ( M ) MAN MAN
\_/--------<<----- \ /--------<<-----
| \ TACHO TACHO | \ TACHO MV
| \------<<----- | \------<<-----
| GND GND | GND MR
+---------<<----- +---------<<-----

(created by AACircuit v1.28.6 beta 04/19/05 www.tech-chat.de)

[markusj]

Du tötest einen "dummen" Motor ohne eigene Elektronik nur durch Überstrom, Verpolung macht nichts.

mfG
Markus

[Manf]

Eigentlich sind diese kleinen Getriebstepper für Armaturenbrett Anzeigen das Richtige.
Die Kosten so um ein paar Euro das Stück und sind wohl auch recht zuverlässig und leistungsarm.


http://www.cypress.com/?rID=44
22219

[PICture]

@ markusj

Das weiss ich schon, aber in meinem bidirektionalem BLDC ist bereits ein Controller (IC), den möchte ich beim Anschlussfehler am Leben erhalten. Dort sich noch befindliche Hallsensoren können das überleben bzw. leichter ausgeweckselt werden, weil sie keine Software enthalten. ;)

@ Manf

Der von mir benutzter BLDC vom Pollin hat kein Getriebe. Deshalb wird die Motorachse ein Antriebsrad (CD) direkt antreiben (Friktionantrieb mit Untersetzung ca. 120:1) bzw. ich werde für mein künstliches Tier dazu ein Zahnradgetriebe basteln. ;)

@ alle

Mir ist eingefallen, dass ich den Stepper aus Quarzuhren "kräftiger" machen versuchen könnte. Dafür möchte ich um die Hälfte von Wicklungen der Spule abwickeln, abschneiden, zurückwickeln und die beide Wicklungen paralell verbinden. Das sollte den gemeinsamen durch die modifizierte Spule erzeugten Magnetfeld 4-fach vervielfachen und solcher Stepper sollte mit durchschnittlichen Stromverbrauch um 1 mA kräftiger sein. Zuletzt ist mir eingefallen, dass ich das gleiche durch 4-fache (oder sogar höhere) Erhöhung der Versorgungsspannung für den Motor mit Ladungspumpe (z.B. ICL7660) und externer H-Brücke erreichen kann, was kein Umwickeln benötigt. :)