Wie kann ich empirisch das Drehmoment eines Schrittmotors ermitteln?

[Hellmut]

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.

[PICture]

Hallo!

Wie kann ich empirisch das Drehmoment eines Schrittmotors ermitteln?

Angenommen, dass empirisch=praktisch ist, mit einem Rad an Motorwelle und grössten, an einem auf dem Rad bzw. direkt auf der Motorwelle aufgewickelten Seil hängenden Gewicht, den der Motor noch heben kann.

Übrigens, das gilt für jeden Motor und als leicht veränderbaren Gewicht könnte man z.B. einen Behälter mit Wasser verwenden.

           _
          / \
         ( o )Motor
        _ /_/
       / /
      ( o )
      |\_/|
      |   |
      |2R |
      |<->|
      |
      |
     .-.
     | |Gewicht
     '-'

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

[Hellmut]

Hallo PICture, zuerst danke für deine Antwort. Die Methode kenne ich. Allerdings hat man bei dieser Methode nur wenig Zeit um eine Wirkung zu sehen, außer man läßt das Gewicht aus dem Fenster hängen. Wenn keine weiteren Vorschläge kommen werde ich diesen umsetzen. Nochmals danke.

[oberallgeier]

... Methode kenne ich ... wenig Zeit ... außer ... Gewicht aus dem Fenster ...

Diese Methode, ich kenne sie unter dem Namen "Ramses III." finde ich äusserst praktisch, schnell und fast beliebig genau. Ein Aufbau durchs Fenster ist nicht nötig, da müsste eigentlich immer ein Tischaufbau mit Gewichtseimer bis zum Boden ausreichen. Dann langsamer Hub aufwärts und aus einem zweiten Eimer zügig Sand in den Gewichtseimer dazuschütten. Wenn der Aufzug irgendwann stehen bleibt (oder abwärts geht) hat man das Limit erreicht oder überschritten. In diesem Bereich ist dann eine Feinmessung mit langsamem Dazuschütten möglich.

Viel Erfolg mit Deinem elekrischen Grinder. Au Mann, einmal auf ner realen J-Klasse mitfahren . . .

[Hellmut]

Hallo oberallgeier

Deine Ausage ist für Schrittmotoren leider nicht ganz richtig. Je schneller ein Schrittmotor dreht, desto weniger Drehmoment hat er zur Verfügung, das Drehmoment ist also abhängig von der Geschwindigkeit! Das ist ja einer der Gründe warum ich einen Schrittmotor als Winde einsetze. je größer der Durchmesser der Schottrommel, desto langsamer muss ich den Schrittmotor drehen lassen und desto größer ist das verfügbare Drehmoment. Dieses ist genau entgegen dem üblichen Problem. Je größer der Trommelsdurchmesser, desto größer ist der hebelarm mit dem die last den Motor belastet!

[ranke]

Eine Variation (RAMSES IV ?) wäre folgende Variante des von Picture gezeichneten Verfahrens. Dabei stellt man das Gewicht auf eine Waage und tariert. Anschließend wird die Schnur mit der Hand um die bereits drehende Motorwelle geschlungen. Bei einem bestimmten Umschlingungswinkel wird die Schnurreibung so groß, dass am freien Ende keine Zugkraft mehr spürbar ist und die Waage wird eine dem Moment entsprechende Kraft anzeigen, das sich durch weitere Erhöhung des Umschlingungswinkels noch steigern läßt. Das Verfahren ist etwas abhängig von dem Wellendurchmesser und der Biegeweichheit der verwendeten Schnur. Das Gewicht ist so groß zu wählen, dass es nie ganz von der Waage gehoben wird.

[oberallgeier]

... Deine Ausage ist für Schrittmotoren leider nicht ganz richtig ...

Wenn Du meinst. (So´n Mist, ich dachte, Drehmoment ist Drehmoment *grübelgrübel* ??)

Eine Variation (RAMSES IV ?) ... Schnur ... um die ... Motorwelle geschlungen ...

Deine RAMSES IV ist eigentlich ne modifizierte Bandbremse (weil die üblicherweise auf Trommeln läuft) und für Motortests recht gut zu gebrauchen. Die Vorspannung von Hand wäre eher ungenau, da scheint mir ein festes Gewicht zweckmässiger.

[ranke]

Die Vorspannung von Hand wäre eher ungenau, da scheint mir ein festes Gewicht zweckmässiger.

Die Vorspannung (also die Zugkraft im handgeführten Schnurende) sollte nahe Null sein, das Moment entsteht durch die Seilreibung in Verbindung mit dem vorspannenden Gewicht. Allerdings ist die Reibung stark vom Umschlingungswinkel abhängig (ich erinnere mich aus der Mechanikvorlesung an irgendeine e-Funktion). Das bedeutet, dass eine geringe Änderung des Umschlingungswinkels schon eine starke Änderung der Reibung zur Folge hat. Deshalb ist es in der Praxis besser, man hält das freie Ende unter einem schwachen Zug, der sich automatisch aus dem Eigengewicht von ein paar Zentimeter Schnur ergibt wenn man keinen sichtbaren Durchhang haben will. Wenn dann die Reibung deutlich höher wird, wird das freie Seiltrum etwas länger, der (schwache) Zug entlastet und der wirksame Umschlingungswinkel durch das Schlappseil geringer. Dadurch regelt sich die Reibung auf einen konstanten Wert ein. Es kommt auch auf das Geschick der Hand an, die das Seil führt. Nach seinen Werken zu schließen ist Hellmut kein Mensch mit fünf Daumen pro Hand.