Variabele load voor stepper motor test

Goedemorgen,

Voor een school project ben ik een setup aan het maken waarbij ik een stepper motor onderzoek bij verschillende loads en stall.

Hier voor wil ik een variabele load maken zodat ik automatisch de load hoger kan maken tot de stepper motor stallt en vervolgens de stromen meet. Hier voor had ik eerst bedacht om een DC motor te gebruiken.
Ik wou eerst een brushed dc gebruiken omdat deze makkelijker aan te sturen is en goedkoper is.

Ik zie alleen dat brushless dc motoren vaak een torque constante hebben in de datasheet. Wat handig is om de torque te bepalen. Dit zie ik alleen nergens bij brushed. Al kan ik wel vinden dat deze dat horen te hebben. Is dit correct? Ook kan ik geen weerstand en inductie waardes vinden van de brushed motor welke handig zouden zijn voor het simuleren en ontwerpen van een voltage regulated current source voor het bepalen van de torque. Ik had namelijk het bijgevoegde schema gemaakt hier voor maar de werking hier van is afhankelijk van de load die ik dus niet weet. Dit zou ik wellicht kunnen meten maar ik heb nog geen motor hier voor uitgezocht.

Dus de vraag is voornamelijk:
Zit er wat constante torque betreft verschil tussen de 2 en kan ik inderdaad een brushed dc motor gebruiken om relatief betrouwbaar de torque aan te passen (en als variabele load gebruiken) of moet ik toch voor een brushless gaan? En hier dan op een manier de stroom aanpassen.

Ik hoop dat ik het zo duidelijk genoeg uitgelegd heb. Als er vragen zijn dan hoor ik het graag.

Dat kan prima met een DC motor, en dat is zelfs veel eenvoudiger dan met een brushless exemplaar, tenzij je een volwaardige servo drive gebruikt, dan zijn beide opties prima bruikbaar.

Een DC motor heeft zeker ook een koppelconstante, en die kun je redelijk benaderen als je de verhouding tussen het toerental en de spanning weet; de koppelconstante is namelijk de inverse van de toerental constante. Een motor die bij een gegeven spanning harder draait, zal minder koppel geven voor dezelfde stroom, als je de weerstand, inductie, en interne mechanische verliezen kunt verwaarlozen.

Ik zou wel een motor nemen met weinig cogging torque (voelbare stappen als je hem met de hand draait); een motor uit bijvoorbeeld een accuboormachine heeft juist een hele grote cogging torque, en die geeft ook heel veel koppelrimpel (koppel afhankelijk van de hoek van de rotor) bij een constante stroom.

Bedenk ook even iets anders: een motor die je laat remmen, levert elektrische energie, als je er mechanisch meer in stopt dan de zuivere weerstandsverliezen van die motor. Waar moet die energie heen?

Ik zou voor een mechanische belasting gaan. Iets met een wiel, een rem en een veerunster. Tis een schoolvraag, dus de uitvoering hou ik nog even voor me.

Mechanisch: eddy current brake uit bijv. een oude hometrainer...

@Arco: dat heeft als nadeel dat je geen koppel kunt leveren bij stilstand of hele lage toerentallen.

Ten eerste al bedankt voor de reacties.
De reden dat ik niet voor een mechanisch systeem ga en een dc motor wil gebruiken is omdat ik het hele systeem wil automatiseren dat ik meerdere tests en metingen uit kan voeren zonder zelf er bij te zijn. En vervolgens ook de torque varieer tijdens de tests. Dit lijkt mij het makkelijkste hier mee.

@SparkyGSX Wat betreft "Bedenk ook even iets anders: een motor die je laat remmen, levert elektrische energie, als je er mechanisch meer in stopt dan de zuivere weerstandsverliezen van die motor. Waar moet die energie heen?"
Ik zat zelf eerst te denken dat de dc motor misschien te heet kan worden hier door. Maar als ik de stroom zelf reguleer zou dat niet te veel moeten gebeuren? Is dit ook wat je bedoelt hier mee? Of bedoel je dat ik stroom terug mijn regel circuit ik kan krijgen?

Dat laatste; zolang je de stroom beperkt tot maximaal de nominale stroom van de motor zou deze niet te heet moeten worden.

Als je de 'rem' motor iets groter kiest als de stepper, dan kan 'ie nooit te heet worden. (nooit heter als de stepper zelf)

Op 29 april 2022 10:51:27 schreef SparkyGSX:
Een DC motor heeft zeker ook een koppelconstante, en die kun je redelijk benaderen als je de verhouding tussen het toerental en de spanning weet; de koppelconstante is namelijk de inverse van de toerental constante.

Dus een motor die bij 12V 3000 RPM draait doet 250 RPM / volt.

Dit moet je naar SI omrekenen: xxx rad/sec/V en dan de inverse nemen:
1/(rad/sec/V) = Nm/A !

Bedankt voor de reacties. Hier kan ik mee verder!

Ik zat zelf eerst te denken dat de dc motor misschien te heet kan worden hier door. Maar als ik de stroom zelf reguleer zou dat niet te veel moeten gebeuren? Is dit ook wat je bedoelt hier mee? Of bedoel je dat ik stroom terug mijn regel circuit ik kan krijgen?

Een stroom regelaar regelt meestal de stroom uit een voeding via de load.

Maar hier is de load zelf een generator. Die kun je dan als voeding gebruiken door de generator gecontroleerd kort te sluiten. De geregelde stroom resulteert ook in dissipatie die je moet afvoeren. Een PWM stroomregelaar gaat hier niet werken.

Het door de stappenmotor geleverde vermogen (aan de uitgaande as) zal ergens gedissipeerd moeten worden.

Meest logische optie hiervoor is een "DC load".

Een dikke shunt weerstand naar massa, een NPN transistor er boven die door een opamp wordt aangestuurt.

https://duckduckgo.com/?q=DC+load+schematic&t=h_&iar=images&am…

(Dat is dus wat je zelf al getekend hebt)
Tegenwoordig wil iedereen altijd MOS-Fets gebruiken, maar ik begrijp niet waarom. Opamps worden niet blij van de capacitieve ingang van een MOSfet. Bij een BJT moet je wel zorgen dat hij genoeg basis stroom krijgt. Vooral dikke tranistoren hebben een lage Hfe, dus 2 of misschien 3 transistoren in serie of een Darlington gebruiken.

Je kunt die stroom gebruiken als een maat voor het koppel dat de stappenmotor levert, maar echt nauwkeurig zal het niet zijn. De DC motor heeft intern verliezen. Wrijving in de lagers en van de koolborstels kunnen aanzenlijk zijn.

-------------------
Een andere optie is om een ronde schijf te maken op je stappenmotor en daar een touwtje 1, 2, of 3x omheen te winden. Door het touw strakker te trekken kun je de wrijving beinvloeden.

Met twee unsters (met b.v. HX711 of een betere ADC) kun je dan de trekkracht in bijde einden van het touw meten.

De trekkracht in het touw kun je varieren door het touw weer om de as van een andere stappenmotor te wikkelen. Met een stuk elastiek of een spriraalveer ertussen, kun je die dan tot de gewenste lengte uitrekken om de trekkracht in te stellen.

Dit is ook een simpele methode en ik ben ervan overtuigd dat het een stuk nauwkeuriger is dan met een DC motor werken. Het verschil tussen de trekkrachten in het touw is een direkte maat voor het koppel op de schijf, en er zijn geen verdere verliezen.

Het vermogen van de stappenmotor wordt hierbij rechtstreeks in wrijvingswarmte omgezet. Een zwaar vliegwiel met een forse warmte kapaciteit is dus wel aan te raden.
Deze schijf hoeft ook niet perfect rond te zijn. Het gemakkelijkste is om een (vrij grote) tandriemschijf te gebruiken. De flenzen aan de zijkanten houden dan ook het touw netjes op de schijf. Tandriemschijven zijn gemakkelijk verkrijgbaar met verschillende as diameters.

Op 29 april 2022 13:22:01 schreef deKees:
Die kun je dan als voeding gebruiken door de generator gecontroleerd kort te sluiten.

Nee. De TS wil tot "STALL" kunnen meten met een gecontroleerd koppel.

Als je de belasting motor bijvoorbeeld 1A aan stroom geeft. Dan meet je zeg 0.1 nM aan koppel en bijvoorbeeld 1V aan spanning.

Als je nu je test-motor wil testen bij een koppel van 0.1 nM, dan zal je dus tot ongeveer -1V aan spanning moeten aanbieden om bij "stall" de gewenste 0.1NM aan koppel te leveren.

Maar goed. Dit betekent dus ook dat het getekende schema niet gaat werken: Die kan niet onder nul.

Oh, wacht! Jawel... dat werkt prima. Maar V2 voeding zou dus aan "een paar volt" genoeg moeten hebben, maar je mosfet moet wel V2+ de gegenereerde spanning wegsluizen!