"Anyone who has never made a mistake has never tried anything new." Albert Einstein Voorwoord Een masterproef is de kroon op het werk van de academische opleiding. Als student dien je nu de opgedane kennis van de voorbije opleidingsjaren te bundelen tot 1 geheel. Het grote voordeel aan een masterproef is dat deze kennis nu in praktijk kan worden omgezet. Vandaar dat mijn voorkeur ook uitging naar een externe masterproef. Hierdoor sta je al met een halve voet in de bedrijfswereld en doe je reeds ervaring op die nuttig is voor je verdere carrièreloopbaan. Een masterproef gaat natuurlijk niet zonder vallen en opstaan. Er duiken altijd onvoorziene problemen op en deze problemen heb je niet altijd zelf in handen. Een algemeen feit blijft dat je als student niet altijd moet rekenen op de medewerking van bedrijven, ook al gaat het om een grote bestelling. Het woord student heeft een negatieve bijklank bij de meeste leveranciers waardoor ook vooropgestelde levertermijnen niet altijd gerespecteerd worden. Het slagen van deze masterproef was echter niet mogelijk geweest zonder de steun van mijn externe en interne promotor. Daarom wil ik in het bijzonder Tom De Ryck en Stijn Derammelaere bedanken voor de steun en het altijd klaar staan met raad en daad. Zonder deze promotoren was ik nooit zo ver geraakt als nu. Ook wil ik mijn dank betuigen ten opzichte van mijn ouders voor het ter beschikking stellen van een wagen en het relativeren van de stresserende momenten. Tot slot wil ik nog mijn vrienden bedanken voor de ontspannende momenten doorheen dit thesisjaar. Frederic Dorny Kortrijk, Juni 2013 I
Abstract Stepping motors are usually driven by step command pulses. The rotor of these electrical machines will move over a certain known angular displacement after each step command pulse. The stepsize is a known machine parameter and the user sends a known number of command pulses, so open loop positioning is possible. However, problems can arise when the motor is overloaded or worse completely stalled. Accurate positioning is no longer insured by the omission of the position sensor. ON Semiconductor has developed a method for sensorless stall detection of a stepping motor. With this method it is possible to detect a blocked rotor of a stepper motor without the need of additional sensors which reduces the overall cost of the system. This method is also capable of detecting step loss. If step loss can be detected, the system can react on this and take the lost step(s) in to account to enable accurate positioning. To be able to demonstrate this stall and step loss detection as also the accuracy, robustness and speed of the algorithms, a mechanical set up needs to be build. This set up needs to make it possible to demonstrate the ON Semiconductor solution in an easy way to customers but should also make it possible to verify and characterize the algorithms. The mechanical construction must be transportable, accurate, easy to set up and safe. Special care is taken on mechanical construction. The construction is accurate and designed with sustainable materials. Customers prefer to use their own stepper motors and drivers. They should be able to easily connect and test their own stepper motor in the set up. Because of the many stepping motor changes, mounting errors should be excluded by the special design. To demonstrate the developed method for sensorless stall detection, the construction is able to generate a blocked rotor as well as an overload. The blocked rotor is generated by an obstacle that jumps in front of the rotating rotor. This jumping mechanism must be fast enough, to test the method at higher speed, and it must also be automatically generated from the control, so repeated measurements can be automatically performed. II
Inhoudsopgave VOORWOORD... I ABSTRACT... II FIGURENLIJST... V TABELLENLIJST... VI SYMBOLENLIJST... VI 1 INLEIDING... 1 1.1. Situering en doelstellingen... 1 Mechanische opstelling... 2 Aansturing en uitlezing... 2 1.2. Het bedrijf... 3 2 STAPPENMOTOREN... 4 2.1. Principiële werking... 4 2.2. Aanstuuralgoritmes... 5 Full step... 5 Half step... 6 Microstep... 6 2.3. Aansturing stappenmotor... 7 2.4 Stall... 7 Algemeen... 7 Tegen EMK... 8 3 MECHANISCHE SET-UP... 11 3.1. Conceptenstudie... 11 Huidige opstelling... 11 Concept 1... 12 Concept 2... 13 Concept 3... 14 3.2. Componentenstudie... 15 Modulair sledeprincipe... 15 Askoppeling Stappenmotor... 15 Koppeling Stappenmotor... 16 Belasting... 18 Brake... 19 III
Koppelmeter... 20 Hard Stall... 20 Positiesensor... 26 3.3. Besluit mechanische set-up... 29 4 AANSTURING... 30 4.1. Algemeen schema... 30 4.2. Aansturing Stappenmotor... 30 4.3. Aansturing mechanische componenten... 31 4.4. GUI Aansturing... 32 5 BESLUIT... 35 5.1. Realisatie... 35 5.2. Toekomstperspectieven... 36 LITERATUURLIJST... 37 BIJLAGEN... 38 IV
Figurenlijst Figuur 1: Vereenvoudigde opstelling testbank... 2 Figuur 2: Logo ON Semiconductor... 3 Figuur 3: ON Semiconductor te Oudenaarde... 3 Figuur 4: Permanent magneet stappenmotor niet bekrachtigd... 4 Figuur 5: Werking stappenmotor... 4 Figuur 6: Voorstelling vertande rotor en stator... 5 Figuur 7: Full step aansturing... 5 Figuur 8: Half Step aansturing... 6 Figuur 9: Microstep aansturing... 6 Figuur 10: Aansturing stappenmotor... 7 Figuur 11: Harde Stall... 8 Figuur 12: Verloop Tegen EMK en rotorflux in functie van de tijd... 8 Figuur 13: Elektrisch model van één statorfase... 9 Figuur 14: Opmeten Tegen EMK... 10 Figuur 15: ISMA Bench... 11 Figuur 16: Ruw model concept 1... 12 Figuur 17: Ruw model concept 2... 13 Figuur 18: Model Concept 3... 14 Figuur 19: Modulair sledeprincipe... 15 Figuur 20: NEMA 17... 16 Figuur 21: REGO-FIX... 16 Figuur 22: Flexibel stappenmotorbevestigingsplaatje... 17 Figuur 23: Motorkoppeling... 17 Figuur 24: CAE Studie vervorming... 18 Figuur 25: Stappenmotor... 18 Figuur 26: Zwevende opstelling as koppelmeter... 20 Figuur 27: Harde Stall... 20 Figuur 28: Werking elektromagneet... 21 Figuur 29: Stall principe 1... 22 Figuur 30: Stall principe 2... 22 Figuur 31: Uitschiettijd Stall Pen... 23 Figuur 32: Dode Tijd Stall Pen... 24 Figuur 33: Stroomverloop spoel... 25 Figuur 34: Stall pen... 25 Figuur 35: Differentiatie van de positieve en negatieve flanken (4x decoding)... 26 Figuur 36: Basissimulatie meetfout... 27 Figuur 37: Grafiek aangelegd signaal stappenmotor... 28 Figuur 38: Grafiek opgemeten signaal encoder... 28 Figuur 39: Algemeen schema sturing... 30 Figuur 40: Grafische User Interface Sturing... 33 Figuur 41: Meting automatisch script... 34 V
Tabellenlijst Tabel 1: As diameter per type stappenmotor... 15 Tabel 2: Koppels stappenmotoren[14]... 19 Tabel 3: Matlab commando s aansturing stappenmotor... 31 Tabel 4: Matlab commando s volledige aansturing... 32 Symbolenlijst C e e E f H I I a k t l L n N R t T em v Φ Φ R Φ Ra ω Constante afhankelijk van het machinedesign Tegen EMK Voedingsspanning Frequentie Elektromagnetische veldsterke Stroom door de wikkelingen Ankerstroom Koppelconstante Lengte van de wikkelingen Inductantie Draaisnelheid Aantal windingen Weerstand Tijd Koppel Spanning Flux Rotorflux Rotorflux 1 fase Rotatiesnelheid VI
1 Inleiding 1.1. Situering en doelstellingen Deze masterproef gaat door in samenwerking met het bedrijf ON Semiconductor en vindt zijn toepassing bij stappenmotoren. Stappenmotoren winnen meer en meer aan belang in de industrie. De mogelijkheid tot het positioneren in open lus en de lage kostprijs, zorgen ervoor dat deze motoren zeer interessant zijn in verschillende sectoren. De positie van de motoras kan bepaald worden doordat de drive elektronica de motor, na elke commendopuls, zo aanstuurt dat een vaste hoekverdraaiing gerealiseerd wordt. Een positieterugkoppeling is hierbij overbodig. Er kunnen echter problemen ontstaan bij het overbelasten of blokkeren van de motoras. De aansturing veronderstelt dan vaak verkeerdelijk dat de gewenste positie bereikt is. Wanneer bij positioneringssystemen het bereiken van de gewenste positie cruciaal is en deze tegen obstakels kan aanlopen, kan deze open lus aansturing niet worden toegepast. Om het positioneren toch feilloos te laten verlopen, wordt er soms toch een positiesensor aan het systeem toegevoegd. Een positiesensor resulteert in een extra kost in de mechanische opstelling. Ook is de uitlijning van een positiesensor zeer kritisch. De positieterugkoppeling moet binnengenomen en verwerkt worden in de controller, wat de aansturing en regeling complexer maakt. Daarom wordt het gebruik van een positiesensor vermeden. Het bedrijf ON Semiconductor heeft hiervoor een oplossing ontworpen. Namelijk een gepatenteerd intelligent stappenmotor algoritme [1] [2], ook wel stall detectie algoritme genoemd, waarmee het mogelijk is een geblokkeerde motoras te detecteren zonder gebruik te maken van een positiesensor. Ook wanneer er een overbelasting optreedt en er stappen verloren gaan doordat de rotor trager draait dan het statorveld, is het mogelijk om dit te detecteren. Dit stappenverlies kan vervolgens in rekening gebracht worden om een nauwkeurig positioneersysteem te bekomen. Het ontwikkeld algoritme zal resulteren in een robuuster systeem met een hogere nauwkeurigheid in vergelijking met de huidige open lus algoritmes. Het algoritme resulteert ook in een lagere kost van het systeem, namelijk door het overbodig maken van de positiesensor, de mogelijkheid tot het gebruik van goedkopere motoren en het energie-efficiënter gebruik van de motoren. Om dit algoritme en zijn betrouwbaarheid te demonstreren naar klanten toe, is er een mechanische opstelling nodig. Hiermee zal de klant in staat zijn nauwkeurige metingen uit te voeren, waaruit de snelheid, robuustheid en nauwkeurigheid van het algoritme blijkt. Momenteel bestaat er een mechanische set-up, de ISMA (Intelligent Stepper Motor Algorithms) Bench. Deze ISMA Bench heeft een heel aantal beperkingen, waardoor de bouw van een nieuwe mechanische set-up noodzakelijk is. 1
Mechanische opstelling De testbank (Figuur 1) dient om klanten te overtuigen. De constructie moet het dus toelaten om meegenomen te worden. Daar de klant reeds met stappenmotoren werkt in zijn industriële toepassing, test hij het stall detectie algoritme liefst met zijn eigen stappenmotoren en sturing. De mechanische opstelling moet dan ook compatibel zijn met verschillende bouwvormen van stappenmotoren. Er moet toekomstgericht gedacht worden bij het ontwerp van de nieuwe set-up, de opstelling zal in de toekomst ook gebruikt worden voor het testen van andere motoren zoals BLDC (Brushless DC) motoren. De uitlijning van de stappenmotoren is een belangrijke factor voor het verkrijgen van betrouwbare meetresultaten, de opstelling moet zodanig ontworpen worden dat uitlijnfouten tot een minimum herleid worden. Het algoritme dient zowel om overbelasting als een geblokkeerde as te detecteren. De opstelling moet dus zowel een dynamisch toenemende belasting als een plotse blokkering van de rotor kunnen genereren. Om de betrouwbaarheid en nauwkeurigheid van het algoritme te verifiëren wordt een positieterugkoppeling aan de opstelling toegevoegd. Zo kan de werkelijke rotorpositie vergeleken worden met de gewenste rotorpositie. Daar de opstelling niet altijd zal gebruikt worden door technisch opgeleide mensen, moeten mogelijke montagefouten uitgesloten worden en dient de opstelling de nodige veiligheden te bevatten. Aansturing en uitlezing De mechanische opstelling moet op een eenvoudige manier aangestuurd kunnen worden. Aangezien de klant zijn eigen aansturing gebruikt voor het sturen van de stappenmotor, moet de aanstuursoftware compatibel zijn met verschillende soorten aanstuurelektronica. De aanstuursoftware moet over een gebruiksvriendelijke user interface beschikken, waarmee het mogelijk is om op een eenvoudige manier enkele metingen uit te voeren. Figuur 1: Vereenvoudigde opstelling testbank 2
1.2. Het bedrijf ON Semiconductor (Figuur 2) is een internationaal bedrijf waarvan de hoofdzetel gevestigd is in Phoenix, Arizona (USA). Het bedrijf heeft een sterk uitgebouwd netwerk van productiefaciliteiten, verkoopkantoren en ontwikkelingscentra verdeeld over de hele wereld en biedt werkgelegenheid aan zo n 20.000 mensen. Figuur 2: Logo ON ON Semiconductor is een vooraanstaande leverancier van silicium oplossingen voor energie-efficiënte elektronica. Door hun grote verscheidenheid aan producten en oplossingen zijn ze in vele markten thuis zoals automotive, communicatie, computer, LED verlichting, medische sector, militaire sector, luchtvaart,. Het bedrijf zet niet alleen in op een groot gamma aan producten maar ook op een goede service na verkoop. Naast het zoeken van de best mogelijke oplossing voor de klant, wordt er ook rekening gehouden met de energie-efficiëntie van het product en de milieuwetgeving rond het produceren. Deze Masterproef situeert zich in het filiaal te Oudenaarde, waar er zich een productie- en een ontwerpafdeling bevindt (Figuur 3). Voor de bouw van de mechanische opstelling wordt er gebruik gemaakt van een stappenmotor driver, uit het ON Semiconductor gamma, waarin het stall detectie algoritme reeds geïmplementeerd is [3][9]. Figuur 3: ON Semiconductor te Oudenaarde 3
2 Stappenmotoren De mechanische opstelling heeft als doel het testen van intelligente stappenmotor algoritmes. In dit hoofdstuk worden de basisprincipes rond stappenmotoren besproken om deze Masterproef beter te kunnen duiden. [4] [5][6][7] 2.1. Principiële werking De principiële werking van een stappenmotor wordt verklaard aan de hand van een vereenvoudige voorstelling van een permanent magneet stappenmotor. De rotor van de stappenmotor is tweepolig uitgevoerd en de stator bevat twee loodrecht op elkaar staande fasen. De fasen zijn niet bekrachtigd en de rotor bevindt zich in een willekeurige positie (Figuur 4). De fasen leveren, bij bekrachtiging, de gewenste magnetische flux. Figuur 4: Permanent magneet stappenmotor niet bekrachtigd Fase A wordt nu bekrachtigd door stroom te laten vloeien van A1 naar A2. Op de statorfase A ontstaan er nu 2 magneetpolen en de rotorpolen aligneren zich met de statorpolen (Figuur 5: Stap 1). Vervolgens wordt fase A niet meer bekrachtigd en wordt fase B bekrachtigd door stroom te laten vloeien van B2 naar B1. Op de statorfase B ontstaan er 2 magneetpolen en de rotorpolen aligneren zich met de nieuwe statorpolen. De rotor neemt een nieuwe positie aan en ondergaat een hoekverdraaiing van 90 (Figuur 5: Stap 2). De rotor heeft nu 1 stap gezet met een staphoek van 90. De fasebekrachtiging wordt opnieuw omgewisseld maar nu vloeit de stroom door statorfase A in de andere richting. Hierdoor wisselen de magneetpolen uit stap 1 en zal de rotor opnieuw een hoekverdraaiing van 90 ondergaan (Figuur 5: Stap 3). Tot slot wordt de fasebekrachtiging opnieuw omgewisseld en vloeit de stroom door statorfase B in de andere richting (Figuur 5: Stap 4). Stap 1 Stap 2 Stap 3 Stap 4 Figuur 5: Werking stappenmotor 4
De statorfasen worden sequentieel aangestuurd, het veranderende veld van de stator zal de rotor meetrekken en de motor zal gaan draaien. De volgorde van het aansturen van de statorfasen bepaalt de draairichting van de motor en door het wijzigen van de tijd tussen de aanstuurpulsen kan de snelheid van de motor geregeld worden. Het aantal stappen per omwenteling wordt bepaald door het aantal polen op de rotor te vermenigvuldigen met het aantal statorfasen. De staphoek kan dus gewijzigd worden door het aantal rotorpolen of statorfasen te veranderen. De rotor en stator worden vaak vertand uitgevoerd, waardoor er kleinere staphoeken kunnen verkregen worden (Figuur 6) [7]. Hierbij werkt de stappenmotor op het variabel reluctantie principe. De reluctantie of magnetische weerstand is de som van de magnetische weerstand van de stator, rotor en luchtspleet. Wanneer de luchtspleet groot is zal dus ook de magnetische weerstand groot zijn. Het systeem streeft naar een positie die overeenkomt met een minimum aan magnetische weerstand. Figuur 6: Voorstelling vertande rotor en stator 2.2. Aanstuuralgoritmes Full step De Full Step aansturing laat de rotor volledige stappen zetten. Dit wordt gerealiseerd door de fasen afwisselend aan te sturen met de maximale stroom (Figuur 7). Beide fasen kunnen ook constant samen bekrachtigd worden. Bij iedere stap wordt één van de fasen omgepoold. Door beide fasen constant samen te bekrachtigen wordt een hoger koppel verkregen. Figuur 7: Full step aansturing 5
Half step De Half Step aansturing werkt net zoals het Full Step algoritme met de maximale stroom. De fasen worden nu niet enkel beurtelings aangestuurd maar ook samen. Hierdoor wordt een tussenstap gecreëerd en zal het aantal stappen per omwenteling verdubbelen. Door het verdubbelen van het aantal stappen zal de beweging soepeler verlopen (Figuur 8). Bij het samen aansturen van de fasen wordt een hoger koppel verkregen dan bij het afzonderlijk aansturen. Dit resulteert in een niet altijd gewenst koppelrimpel. Dit koppelrimpel kan vermeden worden door, bij het samen bekrachtigen van de fasen, maar 70% van de maximale stroom door de fasen te sturen. Zo is het koppel voor elke stap gelijk. Figuur 8: Half Step aansturing Microstep De Microstep aansturing zal gebruikmaken van tussenliggende stroomniveaus tussen de onbekrachtigde en maximum bekrachtigde toestand. Er worden dus veel meer tussenstappen gecreëerd waardoor het aantal stappen per omwenteling toeneemt. Door het toenemen van het aantal stappen zal de beweging nog soepeler verlopen. Het stroomverloop zal een sinus- en cosinusvorm benaderen (Figuur 9). Figuur 9: Microstep aansturing ON Semiconductor heeft oplossingen om tot onderverdeeld in 128 microsteps. microstepping te gaan, elke Full Step wordt hierbij 6
De ON Semiconductor drives werken met een referentietabel waarin de verschillende stroomniveaus opgeslagen zijn. De verschillende stroomniveaus worden gerealiseerd door een bepaald percentage van de maximale stroom naar de fasen te sturen. Door het sturen van een commandopuls naar de driver wordt de volgende lijn in de tabel aangesproken. [8] 2.3. Aansturing stappenmotor Voor de werking van een stappenmotor moet er stroom door de statorfasen gestuurd worden. Dit wordt gerealiseerd door de vermogenelektronica van een driver (Figuur 10). De driver zal een pulstrein binnenkrijgen langs de NXT-ingang afkomstig van de controller. Bij elke puls op de NXT-pin zal er een stap gezet worden. De rotorpositie kan nu bepaald worden doordat de staphoek een gekende motoreigenschap is en de gebruiker een gekend aantal commandopulsen stuurt. Hierdoor is een positieterugkoppeling overbodig. De frequentie van de pulstrein regelt het toerental van de motor. Het signaal op de DIR-ingang zal de draairichting van de motor bepalen en het signaal op de ENABLE-ingang zal ervoor zorgen dat de motor bekrachtigd is. De driver kan dus zeer eenvoudig aangestuurd worden met behulp van 3 digitale ingangssignalen (Figuur 10). Figuur 10: Aansturing stappenmotor 2.4 Stall Algemeen Het grote voordeel van een stappenmotor is dat deze eenvoudig in open lus aangestuurd kan worden. De rotorpositie kan bepaald worden doordat de staphoek en het aantal gestuurde commandopulsen gekend zijn, dit maakt het plaatsen van een positiesensor overbodig. Een probleem treedt echter op wanneer de rotor overbelast, of erger nog geblokkeerd wordt, dit fenomeen is beter gekend als stall (Figuur 11). Er kunnen 2 soorten stall onderscheiden worden, namelijk een zachte stall en een harde stall (Figuur 11). Een zachte stall komt voor bij het overbelasten van de rotor die daardoor tijdens zijn beweging enkele stappen overslaat. Een harde stall komt voor wanneer de rotor plots tegen een obstakel aanloopt en blokkeert. In figuur 11 is de gewenste verplaatsing van de stappenmotor één omwenteling. In het midden van zijn traject wordt de rotor geblokkeerd door een obstakel. De controller blijft dan pulsen sturen waardoor de rotor tegen de hindernis blijft aantikken, dit resulteert in slijtage en een storend geluid. In beide gevallen zullen er stappen verloren gaan, waardoor de werkelijke rotorpositie niet meer overeenkomt met de gewenste rotorpositie. 7
Figuur 11: Harde Stall Tegen EMK Algemeen Door de afwezigheid van een positiesensor wordt het verliezen van stappen niet gedetecteerd. Om een feilloos positioneersysteem te verkrijgen is er echter nood aan feedback informatie. De tegen EMK, welke de geïnduceerde spanning voorstelt die ontstaat wanneer een geleider in een magnetisch veld wordt bewogen, bevat informatie over de rotorbeweging. [3][9][10] Met behulp van de wet van Lenz kan de tegen EMK bepaald worden. De rotorflux veroorzaakt in iedere fase een tegen EMK. (2.1) e N (2.1) Er wordt nu één fase beschouwd en de rotor draait met een constante snelheid. (2.2) Φ Φ.sin ωt (2.2) Door het invullen van de formules wordt formule 2.3 verkregen. De rotorflux Φ en het aantal windingen N worden vervat in de machineconstante C. e C.ω.cos ωt (2.3) Uit formule 2.3 is af te leiden dat de tegen EMK sinusoïdaal zal verlopen in functie van de tijd als de snelheid constant blijft (Figuur 12). Figuur 12: Verloop Tegen EMK en rotorflux in functie van de tijd 8
Uit formule 2.3 valt ook af te leiden dat de amplitude van de tegen EMK afhankelijk is van de snelheid. De tegen EMK zal altijd een fasevoorsprong van 90 hebben ten opzichte van de rotorflux (Figuur 12). Zo kan wanneer de fase van de tegen EMK gekend is, de fase van de flux bepaald worden. Door het verband tussen de tegen EMK en de snelheid van de rotor, kan door het opmeten van de tegen EMK geverifieerd worden of de werkelijke draaisnelheid van de rotor gelijk is aan de opgelegde draaisnelheid. Of kan met andere woorden een stapverlies gedetecteerd worden. Meetprincipe Tegen EMK Zoals reeds besproken kan door het meten van de tegen EMK bepaald worden of de rotor aan het draaien is of stilstaat. De tegen EMK kan niet rechtstreeks opgemeten worden op het moment dat er stroom door de spoel wordt gestuurd, dit door de resistieve en inductieve spanningsval (2.4 en Figuur 13). [3][9][10] Figuur 13: Elektrisch model van één statorfase. (2.4) Om de tegen EMK toch te kunnen opmeten wordt gekeken naar de spanning bij een nuldoorgang van de stroom. Hierbij is er nog een spanningsval over de spoel aanwezig ten gevolge van de inductiviteit, waardoor de stroom niet onmiddellijk afbouwt naar nul (2.5 en Figuur 14). 0 (2.5) Wanneer dit fenomeen uitgestorven is kan de tegen EMK opgemeten worden (2.6 en Figuur 14). 0 0 (2.6) 9
Figuur 14: Opmeten Tegen EMK Door het opmeten van de tegen EMK is het dus mogelijk om het verliezen van stappen te detecteren, waardoor het plaatsen van een positiesensor overbodig wordt. Ook de levensduur van de opstelling wordt verlengd, daar deze niet onnodig tegen een hindernis blijft aanlopen, wat dan ook gepaard gaat met een storend geluid. Ook op energetisch vlak is stall detectie interessant, namelijk wanneer stall gedetecteerd wordt zal er geen onnodige stroom meer gestuurd worden naar de motor. Daarenboven kan door het opmeten van de tegen EMK ingeschat worden hoe zwaar de motor belast is en kan de stroom verlaagd worden wanneer blijkt dat er een te grote stroom gestuurd wordt bij een bepaald belastingsniveau. 10
3 Mechanische set-up 3.1. Conceptenstudie Om te komen tot het geschikte concept, die aan alle doelstellingen voldoet, worden eerst enkele concepten, in 3D, uitgetekend. Dit om in de eerste plaats een visueel beeld te krijgen en eventuele mechanisch onmogelijke concepten te kunnen schrappen, maar ook om de communicatie binnen het projectteam eenvoudiger te laten verlopen. Huidige opstelling In het bedrijf is er reeds een testopstelling aanwezig, namelijk de ISMA Bench (Figuur 15). Deze heeft een heel aantal beperkingen en tekortkomingen. De huidige opstelling is door zijn constructie niet geschikt om meegenomen te worden naar de klant. Ook wordt er voor het simuleren van een zachte stall een belasting aangelegd door middel van een riemoverbrenging. De testopstelling moet een werkelijke stappenmotortoepassing zo goed mogelijk benaderen. Het extra effect die onstaat door de rek op de riem komt niet altijd voor in zijn werkelijke toepassing waardoor de riemoverbrenging niet ideaal is voor de demonstrator. De koppeling van de stappenmotor aan de opstelling gebeurt door middel van flexibele plaatjes. Deze plaatjes laten door hun constructie een bepaalde beweeglijkheid toe aan de stappenmotoren. Dit dient om uitlijnfouten op te vangen en zo de motorlagering te beschermen. Wanneer er echter zeer nauwkeurige metingen dienen uitgevoerd te worden is het aangeraden dat de uitlijnfouten tot een minimum herleid zijn, om zo betrouwbare meetdata te verkrijgen. Het blokkeren van de as, voor het simuleren van een harde stall, wordt in de huidige opstelling gegenereerd door het opdraaien van een bout waartegen een ronddraaiende pen, bevestigd aan de rotor, zal aanlopen. Dit heeft als nadeel dat de motor nooit een volledige omwenteling kan doen bij het testen van het stall detectie algoritme en de robuustheid van dit algoritme. De motor heeft, afhankelijk van de ingegstelde versnelling, een bepaalde tijd nodig om zijn snelheid op te bouwen. Wanneer het algoritme op hogere snelheden wordt getest, kan de aanlooptijd groter zijn dan de tijd die nodig is om één rotatatie uit te voeren. Vandaar kan het algoritme met de huidige opstelling niet getest worden bij hogere snelheden. Flexibel bevestigingsplaatje stappenmotor Riemoverbrenging lastmotor Lastmotor Figuur 15: ISMA Bench 11
Concept 1 Roterende Pen Stall Pen Lastmotor Stappenmotor Riemoverbrenging lastmotor Opzetstukken stappenmotorkoppeling Figuur 16: Ruw model concept 1 Het eerste concept (Figuur 16) is een verbeterde versie van de huidige opstelling van het bedrijf. Het is een reorganisatie van de verschillende componenten waardoor de opstelling veel compacter kan ontworpen worden. Voordelen + Compact: alles zit verwerkt in een box. + Veilig: de stappenmotor zit in de opstelling verwerkt, waardoor de gebruiker niet in staat is om in de gevaarzone van de ronddraaiende pen te komen. Nadelen - Zwaar: er zitten veel volle platen in verwerkt, dit kan opgelost worden door sommige onderdelen in een lichter materiaal zoals kunststof uit te voeren of door de volle platen te perforeren. - De onderdelen zitten verborgen achter de volle platen, dit is niet interessant voor een demo opstelling daar de klant dan kan vermoeden dat de demo gemanipuleerd wordt. Een transparante wand kan hiervoor een oplossing bieden. - Belasting wordt overgebracht door middel van een riem, de exact aangelegde belasting is dus niet gekend door de rek van de riem. 12
Concept 2 Rem Kogelomloopmoer Spindel Stappenmotor Riemoverbrenging lastmotor Lastmotor Opzetstukken stappenmotorkoppeling Figuur 17: Ruw model concept 2 Het tweede concept (Figuur 17) bestaat uit een spindel en een kogelomloopmoer. Door de spindel aan te drijven zal de kogelomloopmoer een voor- of achterwaartse beweging maken. Voordelen + Makkelijk een harde stall te genereren door het aanlopen van de kogelomloopmoer tegen de platen waartussen deze beweegt. + Makkelijk te bouwen door de op de markt beschikbare spindel-pakketten. + Vergelijkbaar met een toepassing uit de industrie: XYZ-tafel. Nadelen - Wanneer het effect van een niet actieve stall detectie moet aangetoond worden zal de kogelomloopmoer blijven duwen tegen de aanloopplaat waardoor er verwringing en slijtage ontstaat. - De beweging van de kogelomloopmoer is beperkt tot de lengte van de spindel. - Belasting wordt overgebracht door middel van een riem, de exact aangelegde belasting is dus niet gekend door de rek van de riem. 13
Concept 3 Roterende pen Stall mechanisme met stall pen Encoder Stappenmotorkoppeling Lastmotor Stappenmotor Torsievrije koppelingen Brake Figuur 18: Model Concept 3 In concept 3 (Figuur 18) wordt alles in lijn geplaatst. De stappenmotor en lastmotor worden gekoppeld door middel van een torsievrije koppeling [11]. Deze torsievrije koppeling kan vervangen worden door een elastische koppeling. Hierdoor kan de invloed van de verschillende veerconstantes, van het elastisch tussenstuk, op het algoritme onderzocht worden. Voordelen + De belasting wordt rechtstreeks op de as geplaatst, waardoor de exacte belasting gekend is. + Demonteerbaar in modules en eenvoudig op te bouwen, wat het constructief interessant maakt om de opstelling te transporteren. + Eenvoudig modules toe te voegen of te verwijderen. + Montagefouten tot een minimum herleid doordat alle modules zich in een uitgefreesd bed bevinden welke de nodige toleranties bevat. Nadelen - De positiesensor wordt na de lastmotor geplaatst, hierdoor kan er een kleine meetfout ontstaan ten gevolge van de torsie van de as. Na overleg met het bedrijf wordt er gekozen voor het verder uitwerken van concept 3 (Figuur 18). Door het modulair karakter en de vele verbeteringen ten opzicht van de huidige opstelling is dit concept het interessants voor het bedrijf. Wanneer de opstelling in de toekomst ook gebruikt wordt voor het testen van andere motoren zoals BLDC-motoren, dan moeten er slechts enkele modules aangepast worden. 14
3.2. Componentenstudie Modulair sledeprincipe De mechanische opstelling moet eenvoudig transporteerbaar zijn. Deze moet dus op een eenvoudige manier gedemonteerd en opgebouwd kunnen worden. Ook zal de opstelling niet altijd gebruikt worden door technisch opgeleide mensen. De montagefouten die kunnen ontstaan bij de opbouw moeten dus tot een minimum herleid worden. Dit alles wordt gerealiseerd aan de hand van een modulair sledeprincipe die een glijdende passing bevat (Figuur 19). De passing is glijdend gekozen. Zo kan iedere module in de slede geschoven worden, waarna deze verankerd wordt op de onderplaat. De verankering gebeurt door middel van boutbevestigingen. Hierbij dient er gelet te worden op het feit dat de bouten voldoende aangespannen worden, zodat de verschillende modules niet gaan trillen bij de werking van de opstelling. Ook hoogte de aslijn van iedere inschuifmodule zal een tolerantie bevatten zodat de as perfect uitgelijnd is (Figuur 19). De afmetingen van de verschillende modules zijn onderzocht zodat deze compatibel zijn met de volledige range aan bouwvormen van de stappenmotoren. De verschillende onderdelen zijn uitgevoerd in aluminium. Dit om het gewicht te beperken en toch de gewenste sterkte te blijven behouden. 97,5±0,05 175 h8 175 G7 Figuur 19: Modulair sledeprincipe Askoppeling Stappenmotor Door de grote verscheidenheid aan stappenmotoren moet het mogelijk zijn om verschillende as diameters te koppelen aan de mechanische opstelling. De verschillende as diameters per type stappenmotor worden weergegeven in tabel 1. [14] Tabel 1: As diameter per type stappenmotor Stappenmotor Asdiameter (mm) NEMA 8 4.0 NEMA 11 5.0 NEMA 14 5.0 NEMA 16 5.0 NEMA 17 5.0 NEMA 23 6.35 NEMA 24 8.0 NEMA 34 12.0 14.0 NEMA 42 19.0 15
De indeling van de stappenmotoren gebeurd volgens de NEMA norm, dit is een gestandardiseerde norm die de maat van de motorbehuizing beschrijft (Figuur 20). [15] 1,7 inch Figuur 20: NEMA 17 Het koppelen van verschillende as diameters is mogelijk met een opspansysteem van het Zwitsers bedrijf REGO-FIX. Het opspansysteem bestaat uit een opzetstuk dat compatibel is met een bepaalde range van as diameters. Het opzetstuk wordt vervolgens opgespannen door de moer aan te spannen. Wanneer een nieuwe motor dient aangesloten te worden aan de mechanische opstelling, dient enkel het opzetstuk, dat overeenstemt met de as diameter van de motor, vervangen te worden(figuur 21). Ieder REGO-FIX opzetstuk heeft een marge van 1mm, indien de stappenmotor dus een afwijkende as maat heeft kan deze alsnog gekoppeld worden. Het torsievrij zijn van de REGO-FIX koppeling, de eenvoudige montage en de kostprijs zijn de doorslaggevende factoren voor keuze van deze koppelingen. Bij het koppelen van een as is het belangrijk van de moer voldoende aan te spannen. Indien dit niet gebeurt zal er niet voldoende grip zijn tussen de REGO- FIX koppeling en de stappenmotor as. Hierdoor zal er dus ongewenste slip ontstaan. Stappenmotor Moer Opzetstuk As Figuur 21: REGO-FIX Koppeling Stappenmotor Door de grote verscheidenheid aan stappenmotoren moet het niet enkel mogelijk zijn om verschillende as diameters te koppelen, maar moet het ook mogelijk zijn om de verschillende motorbehuizingen te bevestigen. In de huidige opstelling wordt er gebruik gemaakt van een dunne flexibele plaat met verschillende sleuven (Figuur 22). Dit heeft als voordeel dat er diverse types stappenmotoren op eenzelfde plaatje gekoppeld kunnen worden. 16
Figuur 22: Flexibel stappenmotorbevestigingsplaatje Het nadeel is echter dat er uitlijnfouten ontstaan door de speling in de sleuven. Deze uitlijnfouten worden opgevangen door een dun uitgefreesd strookje rond de bevestigingssleuven waardoor de stappenmotor een bepaalde bewegingsvrijheid krijgt op het plaatje. Hierdoor blijft de lagering van de stappenmotor gespaard onder deze uitlijnfouten. Indien dit principe wordt toegepast voor zeer nauwkeurige metingen dan zal er echter een meetfout ontstaan. Ook worden er veel trillingen geïntroduceerd door de flexibele opstelling van de stappenmotor. Het koppelen van verschillende motorbehuizingen wordt bij de nieuwe mechanische opstelling mogelijk gemaakt door gebruik te maken van een hoofdbevestigingsplaat waarop verschillende schijven kunnen geplaatst worden. Iedere schijf is compatibel met een bepaald type stappenmotor (Figuur 23). Figuur 23: Motorkoppeling De afmetingen van de verschillende stukken zijn zo gekozen dat de volledige range aan stappenmotoren kan bevestigd en ondersteund worden. Hierbij is het belangrijk dat de onderdelen geen vervorming ondervinden ten gevolge van de stappenmotor. Dit zou resulteren in uitlijnfouten. Vervolgens is er nog een veiligheidsmarge ingerekend zodat er in de toekomst ook zwaardere motoren aan de opstelling kunnen bevestigd worden. De sterkte van de verschillende onderdelen zijn onderzocht door middel van Computer Aided Engineering studie in het CAD programma Siemens NX. In figuur 24 is de vervorming te zien die onstaat bij het koppelen van de zwaarste stappenmotor waaraan de opstelling volgens de doelstellingen moet voldoen. 17
Figuur 24: CAE Studie vervorming De mechanische opstelling zal ook gebruikt worden door niet-technisch opgeleide mensen. Mogelijke montagefouten bij het koppelen van een nieuwe motor moeten dus uitgesloten worden. De grootste fout die kan ontstaan bij het koppelen van een motor is een uitlijnfout. Om deze uitlijnfouten te vermijden bij het bevestigen van een stappenmotor worden de unieke schijven en hoofdbevestigingsplaat zo ontworpen dat de motor bij het aanbrengen altijd perfect uitgelijnd is. Dit wordt gerealiseerd door in te spelen op de toleranties van een stappenmotor (Figuur 25). 31±0,1 22 H9 Figuur 25: Stappenmotor 150 h8 Door nu voor iedere behuizing een unieke schijf te ontwerpen met de juiste passingen en toleranties worden uitlijnfouten gereduceerd tot het minimum. Hierdoor worden montagefouten uitgesloten en kunnen betrouwbare meetresultaten verkregen worden. Belasting De grote verscheidenheid aan stappenmotoren gaat ook gepaard met een grote verscheidenheid aan koppel. In tabel 2 is per type stappenmotor het houdkoppel weergegeven. [14] 18
Tabel 2: Koppels stappenmotoren[14] Steppermotor Houdkoppel (Ncm) Houdkoppel (Nm) NEMA 8 1,6 4 0.016 0.04 NEMA 11 4.3 12 0.043 0.12 NEMA 14 4 40 0.04 0.4 NEMA 16 6.5 29 0.065 0.29 NEMA 17 11 65 0.11 0.65 NEMA 23 28.8 250 0.288 2.5 NEMA 24 45 400 0.45 4 NEMA 34 160 1100 1.6 11 NEMA 42 1000-2800 10-28 De indeling van de stappenmotoren gebeurd volgens de NEMA norm, dit is een gestandardiseerde norm die de maat van de motorbehuizing beschrijft (Figuur 25). [15] De gekozen belastingsmotor moet dus voldoende koppel kunnen leveren om de verschillende stappenmotoren te kunnen belasten. Er wordt gekozen voor een DC servomotor, deze motor heeft als grote voordeel dat er een lineair verband is tussen de ankerstroom en het geleverd koppel. (3.4)[16] T k I Φ (3.4) Wanneer de belastingsmotor gevoed wordt met een stroombron kan het lastkoppel geregeld worden door de ankerstroom te regelen. De gekozen belastingsmotor kan een koppel leveren tot 4,1Nm. Deze keuze is gemaakt op basis van de zwaarste stappenmotor aanwezig in het bedrijf. Door het modulaire karakter van de opstelling kan er op een eenvoudige manier een nieuwe belastingsmotor bevestigd worden als er een groter lastkoppel gewenst is. Brake Er moet een rem in de mechanische opstelling opgenomen worden om het roterende systeem te doen stoppen wanneer dit gewenst is. Ook dient de rem als extra veiligheid. Wanneer er een te groot lastkoppel gegenereerd wordt, kan de draairichting van de rotor plots omslaan. De stappenmotor zal nu als generator werken, dit is gevaarlijk wanneer op die manier een te grote spanning op de uitgangstrap van de drive terechtkomt. Softwarematig wordt er een veiligheid ingebouwd zodat de rem bekrachtigd wordt en de bekrachtiging van de lastmotor weggenomen wordt bij het omkeren van de draairichting ten gevolge van een te grote belasting. Het remkoppel moet voldoende groot gekozen worden zodat het gegenereerde koppel van de opstelling kan tegengehouden worden. De gekozen rem kan een maximaal koppel tegenhouden van 30Nm. Hiermee voldoet de rem om de volledige range aan stappenmotoren (Tabel 2) tegen te houden. De harde stall zou ook gegenereerd kunnen worden door de rem te bekrachtigen. Echter in een werkelijke toepassing van stappenmotoren zal de rotor tegen een obstakel aanlopen en ertegen blijven tikken. Daarom is het in de testopstelling aangeraden om de harde stall op een andere manier uit te voeren zodat deze de werkelijkheid meer benadert. Ook kan door het aanlopen tegen een obstakel de terugvering van de rotor, ten gevolge van de impact op het obstakel, onderzocht worden. Indien dit met een rem wordt uitgevoerd zal er geen terugvering zijn. De testopstelling dient enerzijds om klanten te overtuigen. Door de rotor werkelijk tegen een obstakel te laten aanlopen kan het verschil tussen een actief en niet actief stall detectie algoritme visueel aangetoond worden. Indien de rem een harde stall genereert zal er visueel geen verschil zichtbaar zijn, het verschil zal enkel aangetoond worden door de uitgelezen meetwaarden van de sturing. 19
Koppelmeter Het is interessant om het gegenereerde koppel tijdens een bepaalde belasting of een harde stall op te meten. Hiervoor dient een koppelmeter in de opstelling opgenomen te worden. Het probleem bij koppelmeters met zo n lage meetrange is de uitlijning van de koppelmeter as. Deze koppelmeters zijn niet gelagerd omdat de wrijvingsverliezen van de lagers teveel invloed zouden hebben op de metingen. De as van de koppelmeter wordt dus zwevend opgesteld (Figuur 26). Hiervoor is een perfecte uitlijning vereist (Figuur 26 links). Iedere uitlijnfout van de koppelmeter zou resulteren in het stukdraaien van deze koppelmeter (Figuur 26 rechts). Doordat er lage en nauwkeurige koppels moeten opgemeten worden bevinden er zich zeer gevoelige rekstrookjes op de as van de koppelmeter. Door zijn hoge kostprijs en doordat de opstelling niet altijd zal gebruikt worden door technisch opgeleide mensen, waardoor de perfecte uitlijning niet gegarandeerd kan worden, wordt beslist om de koppelmeter voorlopig uit de opstelling te laten. Het modulaire karakter van de mechanische opstelling laat wel toe dat deze in de toekomst nog toegevoegd kan worden. Figuur 26: Zwevende opstelling as koppelmeter Hard Stall Het moet mogelijk zijn om een harde stall te genereren. Deze harde stall stelt het blokkeren van de rotor voor (Figuur 27). Dit wordt gerealiseerd door een pen, bevestigd op de rotor as, te laten meedraaien met de rotor. Wanneer nu een harde stall gewenst is, zal er een stall pen uitspringen waartegen de roterende pen botst. Figuur 27: Harde Stall 20
Deze harde stall moet op ieder moment automatisch gegenereerd kunnen worden vanuit de sturing, hierdoor kan het stall detectie algoritme zowel getest worden bij acceleratie als bij constante snelheid. In tegenstelling tot de huidige opstelling kan de rotor nu meerdere malen ronddraaien alvorens de as geblokkeerd wordt. Hierdoor kan het algoritme ook getest worden bij hogere snelheden. Ook het verwijderen van de blokkering moet automatisch gebeuren. Dit kan interessant zijn wanneer er automatisch herhaalde metingen dienen uitgevoerd te worden. Belangrijk bij het ontwerp van het stall principe is dat de impact van de roterende pen op de stall pen, bij het genereren van een harde stall, wordt opgevangen. De opstelling heeft als doel de nauwkeurigheid en robuustheid van het stall detectie algoritme te onderzoeken. De stall pen moet zich dus bij iedere harde stall op exact dezelfde positie bevinden en mag dus geen blijvende doorbuiging ondervinden ten gevolge van de impact van de roterende pen. Een laatste voorwaarde waaraan het stall principe moet voldoen is dat bij het genereren van een harde stall de pen snel genoeg moet gepositioneerd worden. Deze heeft namelijk minder dan 1 omwenteling de tijd om een harde stall te genereren. Ook zal er softwarematig een veiligheid ingebouwd moeten worden zodat de stall pen niet uitschiet wanneer de roterende pen zich voor het uitschietgat bevindt, dit zou de opstelling sterk beschadigen. Stall Concept 1 Een eerste concept om de stall pen te doen uitschieten, wordt gerealiseerd door een combinatie van een elektromagneet en een permanent magneet. De elektromagneet bestaat uit een geleidende volle staaf waarrond koperdraad wordt gewikkeld. Door een stroom te sturen door de koperwikkeling zullen er zich 2 magneetpolen vormen aan beide uiteinden van de volle staaf. De magneetpolen kunnen omgewisseld worden door de stroom in de andere richting te sturen (Figuur 28). Door het vormen van een magnetische Noord- of Zuidpool aan het uiteinde van de staaf, zal de permanent magneet aangetrokken of afgestoten worden. (Figuur 29). De luchtspleet tussen de elektromagneet en de permanent magneet wordt zo klein mogelijk genomen. Z N N Z I I Figuur 28: Werking elektromagneet 21
NZ Figuur 29: Stall principe 1 Na enkele testen blijkt dat dit principe niet krachtig genoeg is om de stall pen te doen uitspringen. Doordat enkel het verstrooiingsveld van de elektromagneet inwerkt op de permanent magneet, wordt er te weinig kracht op uitgeoefend. Door de variërende luchtspleet en daarmee overeenstemmende variërende krachtwerking zal dit principe niet volstaan. Stall Concept 2 Het tweede concept bestaat opnieuw uit een elektromagneet en een permanent magneet. Nu wordt de elektromagneet niet uitgevoerd met een geleidende volle staaf maar met een holle staaf, bestaande uit niet magnetisch materiaal, waarrond een koperdraad wordt gewikkeld. Er wordt een cilindervormige permanent magneet in de holle as geplaatst. Door het sturen van een stroom door de koperwikkeling zal de permanent magneet gaan bewegen ten gevolge van het magnetisch veld in de holle staaf. Het omkeren van de stroomrichting zal de permanent magneet in de andere richting laten bewegen (Figuur 30). Z N Figuur 30: Stall principe 2 De snelheid waarmee de permanent magneet zal bewegen in de holle staaf, hangt af van de elektromagnetische veldsterkte. (3.6) [17] ) *+, (3.6) Uit formule 3.6 is af te leiden dat de elektromagnetische veldsterke afhankelijk is van het aantal wikkelingen, de stroom door de wikkelingen en de lengte van de spoel. Een zo hoog mogelijke veldsterkte wordt dus bekomen door zoveel mogelijk wikkelingen over een korte lengte te plaatsen en een zo hoog mogelijke stroom door deze wikkelingen te sturen. De stroom blijft natuurlijk beperkt door de draaddikte, hoe dikker de koperdraad, hoe meer stroom erdoor gestuurd kan worden. Voor het testen van dit principe is er een houten testopstelling gebouwd. Na grondig testen blijkt dat dit principe krachtig genoeg is om de stall pen te doen uitspringen. 22
Vervolgens dient de snelheid waarmee de stall pen uitschiet onderzocht te worden. Deze heeft namelijk minder dan één omwenteling de tijd om uit te schieten. (Figuur 31) 16 12mm 10 mm 77mm Figuur 31: Uitschiettijd Stall Pen De hoek die wordt ingenomen door de roterende pen en de stall pen bedraagt 16 (Figuur 31). De maximale rotatiesnelheid van de roterende pen wordt opgelegd door het bedrijf en bedraagt 10000 Full Steps per seconde. Dit komt overeen met een rotatiesnelheid 3000RPM. Wanneer de roterende pen draait met een snelheid van 3000RPM moet de stall pen binnen de 19ms kunnen uitschieten. (3.6 3.10) 360 16 344 (3.7) Maximale Snelheid 3000RPM 50RPS (3.8) Rotatietijd 360 seconden 0,02 seconden (3.9) Rotatietijd 344 0,019 seconden (3.10) De stall pen moet een afstand van 15,5mm overbruggen. Indien dit binnen de 0,019 seconden moet gebeuren, moet de stall pen dus uitschieten met een minimum snelheid van 0,8m/s. Zoals reeds besproken is de veldsterkte van een elektromagneet afhankelijk van het aantal wikkelingen en de stroom door de wikkelingen. Daar het stall principe opgebouwd wordt met een standaard aangekochte spoel, kan de veldsterkte enkel nog beïnvloed worden door de stroom door de spoel. De nominale stroom van de aangekochte spoel bedraagt 0,5A. 23
De uitschiettijd van de stall pen kan experimenteel bepaald worden door de voedingsspanning op te drijven en daarmee overeenstemmend zal ook de stroom, door de elektromagneet, toenemen. Dit stroomverloop wordt weergegeven op een oscilloscoop. Er wordt experimenteel nagegaan hoe groot de stroom door de spoel moet zijn om de stall pen voldoende snel te laten uitschieten. Het opdrijven van de stroom wordt gerealiseerd door de voedingsspanning op te drijven. Tijdens het opmeten van de uitschiettijd wordt de stall pen bevestigd aan een lineaire potentiometer. Zo kan het stroomverloop door de spoel uitgezet worden ten opzichte van de effectieve beweging van de stall pen, opgemeten met de potentiometer. Uit de meetresultaten blijkt dat er een dode tijd is van 5ms tussen de stroomopbouw in de spoel en de effectieve beweging van de stall pen (Figuur 32). Bij de aansturing van de stall pen wordt rekening gehouden met deze dode tijd door de sturing 5ms voor het gewenste stall tijdstip te bekrachtigen. Stroomverloop door elektromagneet Stroomdaling Signaal van lineaire potentiometer 5 ms Uitschiettijd Figuur 32: Dode Tijd Stall Pen De stroomdaling uit figuur 32 en 33 is afkomstig van de tegen EMK die opgewekt wordt in de spoel ten gevolge van het bewegen van de permanent magneet. Hieruit kan afgeleid worden wanneer de stall pen gepositioneerd is. Zo wordt het plaatsen van de lineaire potentiometer overbodig. Dit heeft als voordeel dat de wrijving, die de lineaire potentiometer ondervindt bij het uitschuiven, nu niet meer in de metingen vervat zit. Hierdoor kan een nauwkeurigere meting van de effectieve uitschiettijd verkregen worden. Uit de meetresultaten blijkt dat er een uitschiettijd van 16,75ms kan verkregen worden (Figuur 33). Deze uitschiettijd ligt onder de gewenste waarde van 19ms. De gewenste uitschiettijd wordt verkregen bij een voedingsspanning van 60V, wat overeenkomt met een stroom van 2,5A door de spoel. Deze stroomwaarde ligt boven de nominale stroomwaarde van de spoel, welke 0,5A bedraagt. Bij het oversturen van een spoel kunnen er 2 fenomenen optreden, namelijk opwarming van de spoel en doorslag van de isolatie. De opwarming is afhankelijk van de stroom en de doorstroomtijd. De doorslag is afhankelijk van de voedingsspanning. Wanneer er een stroom boven de nominale waarde door een spoel wordt gestuurd moet de doorstroomtijd beperkt worden zodat stroom onder de toegestane waarde ligt. Hiermee moet opnieuw rekening gehouden worden in de sturing. Er moet een veiligheid ingebouwd worden zodat de wachttijd na iedere harde stall groot genoeg is en de spoel dus voldoende kan afkoelen. De stroomwaarde van 2,5A wordt verkregen bij een voedingsspanning van 60V. Deze waarde ligt ver onder de doorslagspanning van de aangekocht spoel, welke 250V bedraagt. 24
Stroomdaling Dode tijd 5ms Effectieve uitschiettijd 16,75ms Opgemeten uitschiettijd 21,75ms Figuur 33: Stroomverloop spoel Vervolgens dient de impact van de roterende pen op de stall pen opgevangen te worden. Dit zal op 2 punten gerealiseerd worden (Figuur 34). Aanslag stall pen Stall pen 1 2 10 g6 10 H7 Inslag roterende pen Figuur 34: Stall pen De stall pen zal uitschieten in een nauwkeurig uitgefreesd gat (Figuur 34: 1). Door het afronden van de rand zal de pen bij het schuin uitschieten altijd naar exact dezelfde positie geleid worden. Ook zal er aan de stall pen een goed glijdende passing gegeven worden (Figuur 34:2). Zodat deze makkelijk kan in- en uitschieten en toch de gewenste nauwkeurigheid blijft behouden. De kracht die de roterende pen op de stall pen uitoefent, wordt dus opgevangen op 2 punten (Figuur 34:1-2). 25
Positiesensor Om de betrouwbaarheid van het stall detectie algoritme te verifiëren dient er een positiesensor in de opstelling opgenomen te worden. Met deze positiesensor kan de werkelijke rotorpositie opgemeten worden en vervolgens vergeleken worden met de gewenste rotorpositie, bepaald aan de hand van het aantal gestuurde stapcommando s. Zo kan het verlies van stappen gedetecteerd worden. Doordat het mogelijk moet zijn om met de mechanische opstelling stappenmotoren te testen, tot op microstepping, moet de positiesensor een hoge resolutie bezitten. Een veel voorkomende uitvoering van de hybride stappenmotor telt 200 full steps per omwenteling. [12] Deze 200 full steps resulteren in een staphoek van 1,8. Bij microstepping wordt iedere full step onderverdeeld in 128 microsteps. (3.1 en 3.2) 200 full steps 128 microstepping 25600 microsteps (3.1) 0,0140625 per microstep (3.2) De positiesensor moet per omwenteling minimum 25600 meetpulsen genereren om een nauwkeurigheid van microstepping te kunnen opmeten. De resolutie kan nog verfijnd worden door differentiatie van de positieve en negatieve flanken (Figuur 35). Hierdoor is het mogelijk het aantal meetpulsen, vastgelegd door de opbouw van de encoder, te verviervoudigen. [13] Figuur 35: Differentiatie van de positieve en negatieve flanken (4x decoding) De gekozen positiesensor bevat per omwenteling 65536 meetpulsen. Hierdoor voldoet de encoder ruim aan de vooropgestelde doelstelling van microstepping. Er is toekomstgericht gedacht zodat nog kleinere staphoeken dan de gevraagde doelstelling kunnen opgemeten worden. De positiesensor moet nauwkeurig kunnen meten tot een snelheid van 10000 Full steps per seconde, dit is een doelstelling van het bedrijf zodat de opstelling ook kan gebruikt worden voor het uitvoeren van dynamische metingen. Het aantal full steps per omwenteling bedraagt 200, de positiesensor moet dus nauwkeurig kunnen meten tot een snelheid van 3000RPM. De maximale snelheid van een positiesensor kan bepaald worden aan de hand van formule 3.3. [13] Door het aantal meetpulsen per omwenteling te beperken kan een hoger toerental verkregen worden. / (3.3) De gekozen positiesensor haalt de gewenste snelheid van 3000RPM wanneer het aantal meetpulsen per omwenteling beperkt wordt tot 16400 meetpulsen. 26