Motori in bipolare parallelo e dimensionamento PSU.

[overlights]

Dopo un anno di studio, innumerevoli revisioni di progetto della futura cnc e il completamento nel periodo invernale di alcuni lavoretti
(tra cui, un tavolo da lavoro, un supporto per il trapano a colonna e un piano vibrante ), ho finalmente avviato la stagione degli acquisti.
Primi i motori, ricevuti di recente, di cui riporto le specifiche:

Nema 34 step motor (2Phase, 8 wires):
Step angle: 1,8°
Rotor Inertia: 1,8 Kgcm3
Motor Lenght: 98 mm.
Weight: 2,8 Kg
Holding Torque: 4,6 Nm
Rated Current: 5,0 A (I)
Phase resistance: 0,5 ohm
Rated Voltage: 2,5 V (Vnom)
Phase Inductance: 2,2 mH (L)

Per ridurre la perdita di potenza alle alte velocità , ho deciso per la connessione in bipolare parallelo.
A seguire riassumo i calcoli effettuati, usando come traccia la: "Step Motor basic Guide", pubblicata sul sito della Geckodrive
e scaricabile anche in pdf - http://www.geckodrive.com/support.html
Nel mio caso userò motori e driver identici tra loro, con un singolo stadio di alimentazione non regolato.
Lascio tutti i passaggi a beneficio dei meno esperti.

Tensione di pilotaggio dei Driver.
Il primo passaggio è determinare la Vmax, la Tensione massima con cui alimentare i Driver, calcolata in funzione delle specifiche del motore
e del tipo di connessione scelta.

La formula base é:

Vmax = 32*√L (la radice quadrata del valore di induttanza "L", moltiplicato per 32)

O in alternativa, se il valore di induttanza non è disponibile ma lo è quello della tensione nominale, la Vmax può essere calcolata così:

Vmax = Vnom*20 (Voltaggio nominale X 20),

Per evitare confusione, rinomino la seconda formula: Vmax(2)

Step-motor_connections_table.jpg

Applicando le variabili di funzionamento specifiche della connessione bipolare parallela (vedi tabella 1) ottengo le nuove specifiche
di funzionamento del mio motore:

Resistance: (ohm) - valore nominale X 0,5 = 0,5*0,5 = 0,25 Ohm
Inductance: (mH) - (invariata) = 2,2 mH
Current: (A) - valore nominale X 1,414 = 5*1,414 = 7,07 A
Voltage: (V) - valore nominale X 0,707 = 2,5*0,707 = 1,7675 V
Holding Torque: (Nm) - valore nominale X 1,414 = 4,6*1,414 = 6,5 Nm

In particolare, questo tipo di connessione determina un sensibile aumento della forza (da 4,6 a 6,5 Nm), un proporzionale aumento
della corrente richiesta (da 5 a 7,07 Ampere) e una diminuzione della tensione di pilotaggio.

Procedo con il calcolo delle Vmax:

Vmax = 32*√L = (32*√2,2) = 32*1,483.. = 47,46 Volt
Vmax(2) = Vnom*20 = 2,5*20 = 50 Volt

Applicando la riduzione di tensione prevista dalla connessione bipolare parallelo = (valore nominale X 0,707),
determino la tensione massima effettiva con cui alimentare i Driver:

Vmax = 47,46*0,707 = 33,55 Volt (calcolata in funzione del valore di induttanza)
Vmax(2) = 50*0,707 = 35,35 Volt (calcolata in funzione del valore di tensione nominale)

Dimensionamento dello stadio di alimentazione.
Posto di utilizzare un unico stadio di alimentazione per alimentare tutti gli assi (3 + 1 opzionale), serviranno un massimo 7 Ampere a 35 Volt
per ciascun asse. Quindi un totale di 21A per tre assi, o 28A per quattro.
Ipotizzando invece una richiesta discontinua e quantificandola a spanne in 5 Ampere per asse, serviranno dai 15 ai 20 Ampere.

Transformers_table.jpg

Nella tabella 2 ho raccolto i valori di corrente per trasformatori dai 500 ai 1000VA.
Ad esempio, un trasformatore da 500VA con due secondari da 25 volt posti in parallelo, raddrizzato e filtrato, produrrà  un tensione continua
di 35 Volt, con un carico massimo di 20A. Con un trasformatore da 625VA si arriva a 25A.

In questo caso specifico, un trasformatore da 500VA può essere sufficiente, oppure meglio un 625VA?

Per finire, calcolo il valore minimo dei condensatori di filtro. La formula è:

C = (80.000*I)/V

Dove C è la capacità  in µF, I e la corrente e V la tensione di lavoro.

C = 80.000*7/35 = 16.000 µF per ogni asse, quindi un minimo 48.000 µF per tre assi o 64.000 µF per quattro.

In base alla vostra esperienza, meglio stare sui 48.000 o sui 64.000 µF?

Una capacità  di filtro così elevata determina un assorbimento notevole all'accensione.
Per ovviare a questo, di solito negli alimentatori audio si impiegano circuiti soft-start, che confesso di conoscere poco.
Se qualcuno si è confrontato con questo problema, che soluzioni ha adottato?

In ultimo avrei bisogno di un chiarimento circa l'impiego dei diodi Zener a protezione dello stadio di alimentazione.
Ne parla anche la guida della Geckodrive, principalmente spiegandone la funzione (assorbire la corrente di ritorno dai driver,
nei casi di brusche decelerazioni) ma senza spiegare nel dettaglio come inserirli nel circuito.

Qualunque risposta sarà  particolarmente gradita!
Resto sintonizzato.

_______
Saluti,
Marco

[malibus]

ciao.
la corrente fornita dal'alimentatore non e uguale alla corrente nei motori.
Qui abbiamo un effetto simile al lavoro del buck converter, e con l'aumento
della tensione la corrente diminuisce. Ne tuo caso, per 7 ampere nel motore
saranno necessari circa 4 o 4,5 A massimo. Vedi la sezione Power supplies
della guida che hai citato.

[overlights]

Ciao malibus,
Si, indica un assorbimento di circa i 2/3 della corrente se in parallelo, 1/3 per le connessioni serie.
Devo concludere che il 500VA/2x25V è sufficiente anche nel caso di 3 + 1 assi.

Grazie!...

[Franco99]

Leggi questo thread: LINK

Saluti,

Franco

[overlights]

Grazie Franco.
Ho letto il tread, che come molti altri è relativo ad un caso specifico e giustamente i consigli tendono a risolvere quello.
Il calcolo della Vmax mi è chiaro, ed ora lo è anche la questione del dimensionamento dell'alimentatore.
Ma nel caso in cui non si possieda ancora ne motori, ne driver ne alimentatore, solo un'indicazione di massima della forza necessaria, con che criterio si sceglie un motore?

Tutte le guide citano l'importanza di impiegare motori con potenza "appena sufficiente" ad un dato impiego e non inutilmente superiore, al fine di evitare tutta una serie di problemi secondari (inutile surriscaldamento, stress del driver, funzionamento meno lineare, ecc).

Quindi si tratta di bilanciare vari parametri, per conservare potenza sufficiente a non perdere passi, pur raggiungendo la maggior velocità  possibile.
Una volta considerate anche le perdite fisse ( come ad esempio l'uso quasi obbligato del mezzo passo, per ridurre le risonanze e livellare il moto, che solo lui toglie un 30% della potenza di targa del motore), si arriva ad un valore indicativo della potenza necessaria alle proprie esigenze.

Quindi, prima o poi, ci si trova a confrontare le specifiche dei motori di un certo produttore, come l'esempio dei primi tre motori della tabella in blu.

Stepper_motors_conn_table.jpg

A parità  di taglia (nema34), coppia (4,9 Nm) e dimensioni (98mm.), la Vmax aumenta con l'aumentare dell'induttanza (Vmax = 32*√L), ma quest'ultima si oppone alla variazione di corrente operata dall'azionamento e penalizza il motore alle alte velocità . il contrario di ciò che si vorrebbe.

Nell'esempio riportato sopra, calcolo le Vmax dei primi tre motori:

4008S - Vmax = 32*√4,1mH = 64,80 Volt (4A)
5008S - Vmax = 32*√2,4mH = 49,57 Volt (5A)
2708S - Vmax = 32*√8,6mH = 93,84 Volt (2,7A)

La potenza erogata è sostanzialmente simile, infatti moltiplicando la tensione per il valore di corrente, ottengo rispettivamente 259, 248 e 253 Watt.
Ma ad alti valori di tensione corrispondono alti valori di induttanza (che è sempre preferibile tenere bassa...), quindi al fine di ottenere motori più performanti ad alte velocità , si dovrebbe privilegiare correnti più alte e induttanza più bassa, piuttosto che tensioni più elevate.
Per lo stesso motivo, meglio un collegamento bipolare parallelo, che serie.

E' corretto, o ci sono altri fattori rilevanti da considerare?


Saluti,
Marco

[Franco99]

Ma nel caso in cui non si possieda ancora ne motori, ne driver ne alimentatore, solo un'indicazione
di massima della forza necessaria, con che criterio si sceglie un motore?

Dipende dal tipo di macchina.

- Tipo di viti.
- Rapporto fra motore e vite.
- Tipo di guide.
- Peso degli assi. (Peso del pezzo se la tavola si muove).
- Velocità  che si vuole raggiungere.
- Tipo di fresa utilizzato. (Utensile).
- ....
- ....

Difficilmente riuscirai a calcolare tutto. La cosa più semplice è guardare
cosa montano fabbricanti conosciuti sulle loro macchine. (Fabbricanti che
sono da anni sul mercato con macchine dal prezzo superiore a 5000€).

Saluti,

Franco

[overlights]

Franco, grazie.

Però...
Forse mi sono espresso male (nel tentativo di spiegarsi, a volte si usano più parole di quante servono...), ma la mia domanda escludeva intenzionalmente i parametri che hai citato, fondamentali certo, ma a monte del ragionamento.

Una volta fatti tutti i calcoli del caso (quelli che riassumi tu...) si arriva ad un valore di Coppia del motore che dovrebbe essere adeguato alle esigenze e ad una stima delle delle velocità  che si vorrebbero raggiungere. E' naturale che ci siano mille altre variabili (frese diverse, materiali diversi, lavorazioni diverse...) ma dimentichiamocene, per un momento. Ipotizzando che alla fine si identifichi un valore di coppia che riteniamo adeguato al nostro caso, che per ipotesi questo valore sia quello dell'esempio (4,9 Nm) e che si debba scegliere uno dei tre motori della prima tabella...

...sarebbe corretto scegliere quello che privilegia un più alto valore di corrente e conseguente induttanza più bassa? (a scapito di tensioni di pilotaggio più elevate).
Se no, perché?

Per lo stesso motivo (coppia decente anche ad alte velocità ...), sarebbe logico (e scontato), scegliere di pilotarli in bipolare parallelo?
Se no, perché?

Credo di avere aperto il post, principalmente per la risposta a queste due domande.

Ho ancora forti lacune circa l'uso degli Zener negli stadi di alimentazione per cnc... ...ma ho capito che porre più di una o due domande per volta è... "Un madornale errore".


Saluti,
Marco