Измерение крутящего момента двигателя VSS42-200-1.2

[eddy_em]

В ходе "внезапно обнаруженных особенностей" шаговых двигателей, которые предполагается использовать в криостате ИК-спектрометра (в пиковом режиме работы они выделяют 50 Вт!), а также для изучения, насколько драйвер ШД L6208N хуже драйвера TB6560AHQ, я на этой неделе провел кое-какие испытания.

Для затравки — видео:

это позорище — "измерительная установка", использующаяся в эксперименте.


Итак, на видео выше показано, как проводились измерения момента: испытуемый
шаговый двигатель был зафиксирован при помощи струбцины, на вал двигателя через
жесткую муфту был надет цилиндр диаметром 50мм, на который наматывалась нить
с подвешенным к ней грузом. Таким образом, изменяя массу подвешенного груза
можно было изменять момент силы, приложенной к валу двигателя.
Куча соплей, торчащих из макетки на столе — привычный для меня способ "наколенного макетирования" (я уже ранее выкладывал видео с управлением механикой криостата, там сопли еще страшней были). На макетке была собрана полноценная схемка с драйвером L6208N. Правда, в работе наблюдались "косяки" из-за того, что токи там довольно большие протекают, а элементы просто натыканы в разъемы макетки... Вот все это безобразие крупным планом:

"Испытательный стенд" с видео выше

Система управления двигателем была запитана от 12-вольтового китайского блока питания с регулировкой. Уровень напряжения был установлен на минимум (10.6 В).

Зависимость крутящего момента от силы тока в обмотках двигателя

Наибольший крутящий момент у любого шагового двигателя возникает на малых скоростях вращения (это — известный факт, справедливый для всех шаговиков с более-менее высокими сопротивлением и индуктивностью обмоток). Для нас интересны скорости вращения вала, не превышающие ~2 оборотов в секунду (400 шагов/с). В полношаговом режиме работы драйвера L6208N для смещения вала двигателя на один шаг необходимо подать на драйвер четыре тактовых импульса. В полушаговом режиме один шаг двигателя соответствует восьми тактовым импульсам.

На приведенных далее графиках указывается частота тактовых импульсов,
подающихся на драйвер шагового двигателя. Соответственно, при работе в
полношаговом режиме скорость вращения вала (в шагах в секунду) в четыре раза
меньше тактовой частоты, а при работе в полушаговом режиме скорость меньше в
восемь раз.

Дальше приведена картинка с зависимостью величины крутящего момента на валу испытуемого двигателя от силы тока в обмотках. Медианное усреднение серии измерений и линейная аппроксимация результата показали, что момент на валу (в г·см) вполне линейно изменяется и примерно в 450 раз превышает силу тока в обмотках двигателя (измеренную в Амперах).

Зависимость крутящего момента VSS42 от силы тока в обмотках на разных скоростях вращения вала

Зависимость максимальной скорости вращения вала двигателя от силы тока в обмотках при постоянной величине нагрузки на вал

Для изучения предельных скоростей вращения нагруженного вала двигателя на прикрепленный к валу цилиндр подвешивались грузы массой 100, 150 и 200г, дающие постоянный момент силы в 250, 375 и 500г·см соответственно. Чтобы массу подвеса можно было быстро изменять, я просто взял обычный пакетик с застежкой-молнией, измерил его массу на лабораторных весах и подвесил на вал при помощи ниточки. В пакет складывались гирьки от весов + при недостаче массы гирек я подкладывал болты, массу которых заранее измерил.

Предельная скорость вращения вала двигателя в зависимости от
приложенной нагрузки и силы тока в обмотках

На картинке выше изображены результаты измерений, показавшие, что снижение тока в обмотках приводит к очень резкому снижению крутящего момента двигателя, что особо хорошо заметно на высоких скоростях вращения вала. Снижение до 50% номинального тока в обмотках двигателя приводит к падению практически до нуля его нагрузочной характеристики. Снижение силы тока в обмотках на 30% лишь незначительно ухудшает нагрузочную характеристику двигателя, для увеличения величины крутящего момента в этом случае необходимо лишь снизить скорость вращения вала.

Зависимость крутящего момента от скорости вращения вала

Выше было показано, что небольшое уменьшение номинальной силы тока в обмотках двигателя не приводит к значительному ухудшению значения крутящего момента на его валу. Для определения динамических характеристик двигателя к его обмоткам был приложен ток величиной 87.5% и 75% от номинального (1.05А и 0.9А соответственно). Кроме того, изучалась возможность увеличения крутящего момента при разгоне двигателя кратковременной установкой режима работы драйвера шагового двигателя в полушаговый режи.

Изменение крутящего момента на разных скоростях вращения вала

Выше изображена полученная динамическая характеристика. Резкий спад крутящего момента на частотах тактовых импульсов порядка 50Гц может быть обусловлен особенностями используемого драйвера шаговых двигателей (на испытываемом ранее драйвере TB6560AHQ таких особенностей замечено не было). Похоже, либо микросхемка "захлебывается" и начинает блокироваться из-за перегрева (грелась она на малых оборотах прилично, а на скоростях выше 25шагов/с оставалась практически холодной), либо в ней установлен фильтр наводок на 50Гц, который и "дает жару" — в подробности мне вникать лень.

На скоростях ниже 50Гц в полношаговом режиме (12.5шагов/с) крутящий момент двигателя очень резко спадает до нуля (видимо, это обусловлено очень низкой индуктивностью обмоток двигателя). Наиболее оптимальной является скорость вращения двигателя около 25шагов/с (в полношаговом режиме драйвера L6208N). Динамический диапазон данного двигателя довольно узок: при увеличении скорости вращения вала до 150шагов/с (в полношаговом режиме) крутящий момент снижается в два раза. Наиболее оптимальным режимом работы двигателя является скорость от 25 до 100шагов/с (в полношаговом режиме) со стартом в полушаговом режиме драйвера. Такой режим обеспечивает высокий стартовый момент с поддержанием величины крутящего момента при дальнейшем движении с бóльшей скоростью.

Выводы

Несмотря на очень низкие величины сопротивления и индуктивности обмоток шагового двигателя VSS42-200-1.2, возможно достижение относительно высокой величины крутящего момента на его валу при снижении напряжения питания до ~10В и силы тока в обмотках до ~0.9А (т.е. снижения энерговыделения от номинальных 50.4Вт до 9Вт) за счет варьирования режимов работы драйвера шагового двигателя.

Управлять двигателем возможно как посредством драйвера TB6560AHQ, так и при помощи драйвера L6208N. Правда, лично мне больше нравится первый: он показывает значительно более красивые осциллограммы (а при дроблении шага на 16 у него на выходе почти синусоида!) и имеет большее количество "настроек".

Ну, а напоследок, чтобы не утомлять почтенную публику созерцанием изображения осциллограмм, привожу видео:

Comments

[eddy-em.livejournal.com]

А как передать крутящий момент? Конструкция значительно усложнилась бы. Да и проблемы бы возникли: магнитные муфты имеют небольшой момент, а сильфоны сифонят.

[p2004r.livejournal.com]

Пишут что:

> Крутящий момент от 0,03 до 1050 Нм;

[eddy-em.livejournal.com]

Механика была бы слишком сложной для этого.
Я с самого начала подумывал взять дорогие магнитные муфты. Но сложность механизмов зашкаливала. Нереально.