Vezérlő Tuning

Az itt ismertetett információk használata nem feltétele a Profi2A Vezérlő működtetésének. A Vezérlő Easy Setup-al rendelkezik (előre beállított paraméterek és csak egy trimert kell a motor áramához állítani), viszont ha szeretnénk ismerni a folyamatokat és a legtöbbet kihozni a rendszerünkből, érdemes mélyebbre ásni, kipróbálni, tesztelni minden részletet!

Elmélet és korlátok:
A Profi2A CNC léptetőmotoros Vezérlő Chopper elvű áramszabályzással rendelkezik, mely léptetéskor 20 kHz-es, tartóágban 3 fokozatban állítható PWM generátort használ. Az áramkorlátozó elektronika a PWM kitöltési tényezőjét hangolja (két, független Chopper kör van motoronként). A Chopper áramköröknek a billenési pontját a DSP algoritmus egy referencia feszültség generátoron keresztül határozza meg, áram, fázishelyzet és az idő függvényében. A folyamat végén a szabályzás konstans (állandó) motor teljesítményre történik. Így amíg a tápfeszültségből a Vezérlő képes megfelelő mértékű feszültséget vételezni, addig a motor teljesítménye és így a nyomatéka állandó.
A motor által leadott nyomaték arányos a villamosan felvett teljesítménnyel, ezért törekedni kell az állandó és stabil teljesítmény felvételre. Ha a felvett teljesítmény csökken, akkor a motor nyomatéka is csökken, ha teljesítmény felvétel nő, akkor a motor idővel túlmelegszik (leéghet).

A nyomatékesés elsőszámú okozója a motorokban lévő tekercsek induktivitása. Az induktivitás által létrehozott plusz villamos ellenállás (mely az áramfelvételt és így a teljesítményt csökkenti) frekvencia és így sebesség függő. Minél nagyobb sebességgel (lépésszámmal) hajtunk egy léptetőmotort, annál nagyobb feszültséget igényel ,ugyanakkora nyomaték leadásához. Magyarul, egyre növelni kell a motorra kapcsolt feszültsége, ha azt akarjuk, hogy a nyomatéka ne csökkenjen!

Ezt a növelést mérten és stabilizálva végzi el a Vezérlő. A stabilizálást addig képes ellátni, míg nem egyezik meg a motor által igényelt feszültség a motorra kapcsolt tápfeszültséggel, ha innét tovább emeljük a sebességet, akkor a Vezérlő már nem képes a motor teljesítményét tovább stabilan tartani és a nyomatéka hanyatlani kezd. Ez a pont a vezérlés billenési pontja.
A billenési pont alatt (lassabb sebességeknél) Chopperres üzemmódban dolgozik a Vezérlő (stabilizált nyomatékkal), felette DC módban (egyre csökkenő nyomatékkal).

Törekedni kell a minél nagyobb Chopper tartományra, hisz csak itt tartható maximálisan a motor nyomatéka.

A DC tartományban is használhatóak a léptetőmotorok, de itt a nyomatékuk a sebesség fokozásával rohamosan esik.
A Chopper tartományt csak a motorra kapcsolt (motortáp) feszültségének egyre nagyobb emelésével lehet nyújtani. Ámde egy teljesen megálló motor esetén (sebesség 0!), a Vezérlőnek le kell tudnia szabályoztatni az áramot, a motor néhány Ohmos ellenállására!
Azt, hogy egy vezérlő mekkora szabályzási átfogási tartományra képes, tunintényezőnek hívom. A tuningtényező megmutatja, hogy hány szoros feszültséget képes még leszabályoztatni egy adott motorhoz. Ha ettől nagyobb feszültséget kapcsoltatunk a motorra, akkor nem képes eléggé leszabályozni és a motor túlmelegszik. A Profi2A Vezérlő kb. max. 25×-ös tuningtényezővel dolgozik.

Feszültség számítása:
A tuningtényező, a motor induktivitásától függő szorzó! A P2A esetén, minél nagyobb a motor induktivitása, annál kisebb a tuningtényezője!
A motor tekercseit a Vezérlő nagy frekvenciával ki és bekapcsolja az áram névleges értékén tartása miatt. Ezek a kapcsolgatások igen nagy induktív feszültségeket generálnak. A teljesítmény fokozat FET-jeit védik a bennük integrált supressor diódák (ezeket az induktív feszültségeket levezetik). A levezetések erős hőtermeléssel járnak. Minél nagyobb egy motor induktivitása, annál nagyobb a levezetés által generált hőtermelés (melegedés)! Ezek a melegedések fűtik a Vezérlő hűtőbordáit, ezért minél kisebb egy motor induktivitása, annál nagyobb feszültségarányt (tuningot) visel el. A tuningtényező a motor tápfeszültség és a motor alapfeszültségének a hányadosa (T=U_táp/ U_motor ). Törekedni kell a kis induktivitású motorok használatára, illetve, ha lehetséges (pl 8 kivezetéses motorok esetén), a tekercsek párhuzamos kötésével ez javítható!

Mivel sokszor nincs adat egy motor induktivitásáról, és nem tudjuk azt megmérni, a motor Ohmos tekercs ellenállásából következtetünk a belső induktivitására (nem tökéletes, de jobb híján használható módszer). A következtetés szerint minél nagyobb a tekercs Ohmos ellenállása, annál nagyobb lehet az induktivitása is (nagy Ohm= vékony és sok menet -> nagyobb induktivitás).

A következő táblázat gyakorlati támpontod ad a motorok alapfeszültsége és a maximálisan javasolt, motor tápfeszültségek közötti összefüggésekre:

Motor alapfeszültsége: (ráírt feszültség)	Ajánlott motor tápfeszültség: (max. tuning feszültség)
1V	25V
2V	40V
3V	50V
4V	60V
5V	70V
6V	70V
8V	80V
9V	65V
10V	50V
11V	40V
12V	30V
stb.	...

Figyelem! 50V felet, fokozott figyelmet igényel! Az érintésvédelmi előírások betartása kötelező (életveszélyes feszültségek)!

A képen szereplő motor alapfeszültsége 4V. Ennek megfelelően az alkalmazható tuningfeszültség max. ~60V. Tehát ennek a motornak a legmegfelelőbb tápegység egy 60V-os táp lenne. Itt alkalmazható lenne egy 42V-os transzformátor + egyenirányítva és jól megszűrve (Amperenként min. 1000uF), mivel ekkor a feszültség közel 60V-ra felemelkedne.

Természetesen a maximálisan használható tápfeszültség 90V, e felé semmiképp nem szabad menni!

A motor névleges árama 0.95A. Ezt a P2A esetén azon a trimmeren kell beállítani (lásd a leírásánál) amelyikre kötöttük (A, B, C vagy D kártyán).

Áram terhelések méretezése:
A motor tápegység áramterhelhetőségénél vegyük figyelembe a motorok névleges áramait és azt a tényt, hogy fél léptetéses a rendszerünk!
A betonbiztos méretezés az lenne, hogy minden motor névleges áramának a 2×-esét vesszük (a fél léptetési rendszer miatt minden 2. léptetés két tekercs gerjesztésével történik) és ezeket összegezzük. Ez hatalmas áram összegeket adna (pl. 3db 2A-es motor esetén 3×2×2=12A, ez mondjuk 30V mellet, 360W-os transzformátort jelentene). Felesleges!
A gyakorlatban ez a tökéletes együtt járás (totál szinkron) sohasem fordul elő (vagy ha igen, rendkívül rövid ideig áll fen), valamint a PWM szabályzás miatt, az áramok kitöltési tényezője is folyton változik (szinte sose 100%). Nyugodtan méretezhetünk, az így kapott áramérték felével (a példában 6A-ral)! A gyakorlatban ez a méretezés is kellő, bő tartalékokkal rendelkezik.

Azt a kis időt amíg a totál szinkron fennállna, egy nagyobb kondenzátor áthidalja gond nélkül (minimum Amperenként 1000uF kell, de inkább lehet több is)!

A STEP (R23) trimer potenciométeren kell beállítani a motor névleges áramát. A trimert egy kisméretű csavarhúzó (pl. "órás csavarhúzó") segítségével finomam forgassuk az óramutató járásával megegyező irányba és figyeljük meg annak véghelyzetét! Ebben a helyzetben a szabályzó kb. 0.2A-re szabályozna.
Majd forgassuk a trimert ellentétes irányba és szintén figyeljük meg ezt a véghelyzetet is. Ezen a ponton a szabályzó 8A-re szabályozna.
Majd képzeletben osszuk fel a bejárt mozgási szöget és megsaccolva a motorunk áramának helyét, állítsuk oda a trimer nyíl alakú mutatóját!

A pontos beállításra a Vezérlő nem érzékeny. Menet közben a trimer állításával bármikor módosítható.
Ha CNC vezérlő programunkat (pl. Mach3) egy viszonylag alacsonyabb sebességre állítjuk (pl. 500-1000 step/sec), és folyamatosan forgattatjuk vele a motorunkat, a trimmer finom állítgatásával megfigyelhetjük a motor hangját, hogyan változik! Tapasztalat azt mutatja, hogy a pontos értéken a motor hangja kitisztul és viszonylag lecsendesedik. Erre állítva a motor nagysebességen is extra morgás és rezonanciák nélkül fog simán futni!

Egy 8 kivezetéses léptetőm motorból un. párhuzamos kötés mellett lehet a legnagyobb teljesítményt kiszedni! Adatlapjukban mindig e kötésre vonatkoztatott nyomatékot adják meg.

Mindig ezt a kötésmódot használjuk! Ilyenkor a beállítandó áramerőség a tekercsáram 2×-ese. Sokszor rá van írva a motorra mind a tekercsáram (Coil), mind a fázisáram (Phase). Párhuzamos kötés esetén a fázisáramot (Phase) kell beállítani!

A vezérlő a léptetés és egy dinamikus stabilizálás után, a gerjesztést és a PWM frekvenciát a Setup (DIP kapcsoló) által meghatározott mértékben csökkenti. Ez a pihentetési (tartóági) állapot.

Ezzel a módszerrel tovább mérsékelhető az egyébként álló motorok melegedése. Azt azonban érdemes tudni, hogy ha a tápfeszültséget nagyon megemeljük, először ez a visszavételi lehetőség fog elveszni.

A tartóági gerjesztésekre a fix pozícióban tartás miatt van szükség. A motorokat akár fél léptetési helyzetben is meg kell tudni tartani!

Az a gerjesztési érték a megfelelő, ami a legkevesebb gerjesztéssel még biztonságosan pozícióban tartja a motort (fél léptetésben is)! A pozícióban tartó erő kézzel ellenőrizhető, ha álló (de bekapcsolt) motornál megfogjuk a tengely végét és megpróbáljuk kimozdítani. A motornak nem túl nagy, de határozott tartó erőt kell kifejtenie.
A minél hatásosabb motorpihentetés érdekében, a gerjesztő áram frekvenciája is csökkentve van (a frekvenciával arányos vasveszteségek csökkentése érdekében). Ez a PWM frekvencia módosításával történik, ami halható hangot eredményez a motorokban. Ez a hangkeltés teljesen normális, cserébe a motorok jobban hűlnek.

Védi a teljesítmény hidat a túlmelegedés ellen. Kb. 75°C-nál letiltja a motorokat. A hűtőborda hőmérsékletét egy szenzor segítségével folyamatosan monitorozza a központi MCU. Előre beprogramozott határértéknél az MCU letiltja az egész erőátviteli FET hidat (a motor kikapcsol).
Működését a Status LED sűrű villogással jelzi. Ilyenkor ki kell kapcsolni a Vezérlőt és meg kell várni míg a híd le nem hűl, majd újra lehet indítani. Természetesen ez munka közben selejt képződéssel jár, ezért a hűtés tervezésénél törekedni kell a lehető legjobb szellőzés biztosítására (a védelemnek ne legyen oka működni)!
4A/fázis felett intenzív kényszerhűtés (ventillátor) használata javasolt!

Erősen javasolt a Mach CNC működtető szoftverek használata! E szoftverek rendelkeznek jelenleg a legsimább léptetés vezérlésekkel, aminek a minősége alapjaiban meghatározza a rendszerünk állttal elérhető sebességeket.

Mach2 és Mach3 szoftverek használatánál javasolt az "Enhanced Pulsing" opció bekapcsolása!

Ez az opció tovább javítja a léptető impulzusok egyenletességét, viszont minimum 1Ghz-es PC szükséges hozzá!

Az alkalmazott impulzus memória miatt ez a Vezérlő egyáltalán nem érzékeny a Mach szoftverek impulzus időzítéseire!

A biztonság kedvéért mindkét impulzus adatot 2-re érdemes állítani.
A Sherline mód aktiválására (vagy nem aktiválására) sem érzékeny! Tökéletesen működik minden beállítási módban!
Nagyon hosszú (>5m) LPT kábel használata esetén javasolt a Sherline mód bekapcsolása (a kábel esetleges jelcsillapítása miatt).

Egy új vagy átépített gép esetén mind a Vezérlőt (Profi2), mind a CNC programot (Mach3) össze kell hangolni!
A Mach3 kommunikációs portjainak (bitek) összerendelése után (lásd a Profi2B leírásában), mindig a mértékegységet (mm) és a számított felbontásokat kell először beállítani (minden sebesség állítás csak ezek ismeretében történhet)! Ne felejtsük el ezeket az adatokat mind három tengelynél külön-külön tároltatni (lásd a Mach3 leírását)!

Utána meg kell keresni minden tengely maximális sebességét. A keresést alulról felfelé haladva végezzük, viszonylag lassú gyorsítások mellett. A tesztek során kézi mozgatásokkal (billentyűzetről vezérelve) hajtatjuk a tengelyeket és megfigyeljük azok mozgását. Fokozatosan emeljük a sebességeket és figyeljük mikor áll meg a motor (visít, de már nem forog).

A léptetőmotorok jó tuningjához és a rendszerünk viselkedésének a megértéséhez ismerni szükséges egy léptetőmotoros rendszer nyomaték görbéjét! Nem a számszerű értékek, hanem azok összefüggései a lényeg!

Az ábrán látható egy CNC tengely és egy léptetőmotor + Profi2A CNC Vezérlő nyomatékgörbe együttes.

Az ábrából leolvasható, hogy rendkívül fontos a gyorsítás használata, mivel a görbe vissza hanyatló és csak szűk sebesség tartományban képes gyorsítások nélkül, egyből felvenni a fordulatot! Megfelelő gyorsítások használatával a teljes görbe kihasználható.
Ne feledjük, hogy minden egyenetlen motorjárás (lásd a KCam4-et), megfelel egy pillanatnyi Start-Stop -nak, az-az gyorsítás nélküli indításoknak! E miatt a KCam4-el a léptetőmotorok csak a 0-Max.start sebességig használhatóak ki! Ugyan ez a helyzet, ha a Mach3-ban maximumra vesszük a gyorsítást (Accel)!

A habvágósok nem használhatnak lassú gyorsításokat (a technológia miatt), de nekik is muszáj minimális gyorsítást alkalmazni, ha a motorokat ki akarják használni!

A PC által szolgáltatott Step impulzusok pontos időzítései felelnek az egyenletes motorjárásért. A Mach2 és a Mach3 ezt az alaplapi időzítők segítségével, a CPU generálja , ami nagyfokú stabilitást jelent (ellentétben a tiszta szoftveres időzítésekkel szemben, mint pl. a KCam4). Mivel a CPU-n keresztül generálódik a Step jel, annak terheltsége befolyásolhatja egyenletességét. Lehetőleg CNC mozgatások közben ne futtassunk megterhelő külső programokat! Viszont az "Enhanced Pulsening" bekapcsolásával - némi plusz CPU terheltség fejében - tovább növelhető a Step jel pontossága (érdemes bekapcsolni)! A kellő tuning eléréséhez biztosítani kell a gyártók által meghatározott minimális CPU sebességet (mivel maga a Mach3 is komoly feladatokat ró a CPU-ra)! Maga az alap Windows is futtat a háttérben sok mindent, ezért érdemes ezekre is figyelni (a http://www.machsupport.com/artsoft/support/support.htm web helyen találunk erre optimalizálási ötleteket)!

A nyomaték görbéről leolvasható, hogy egy normálisan méretezett motor esetén a maximálisan elérhető sebesség mindig a DC tartományba esik. Akkor van kihasználva a motorunk, ha a terhelő nyomaték miatti leállás nem sokkal van az üresen futtatott motor blokkolása előtt (ha 75% feletti, az már nagyon jó).

Fontos azzal is tisztában lenni, hogy a DC tartományban (hiába esik már a nyomaték), nincs lépésvesztés! A léptetőmotor ha kiesne a szinkronból, a visszahajló nyomatéka miatt azonnal blokkolna! Ez látványos és azonnal észlelhető. Ezt a pontot kell megkeresni a tuning során (blokkolás)! Majd a Mach3 adott tengelyét e pont alá kell állítani kicsivel (ahol még stabilan forgatja a motor)!

Fontos, hogy utána ezen a sebességen a teljes mozgási tartományt végig ellenőrizzük (nehogy valahol kicsit jobban szoruljon a mechanika és akkor már ott blokkoljon)!
Ha minden tengelyt így megmértünk és beállítottunk, utána újra ellenőrizzük az egyes tengelyeket, de most már úgy, hogy a mozgatásokat minden tengelyen egyszerre végeztessük! Erre a stabilizálatlan motortáp feszültség esése miatt van szükség (ilyenkor a nagyobb teher miatt a motorok kicsit kisebb feszültségről üzemelnek)! Ha szükséges, csökkentsünk a sebességekből!
Ez a beállított maximális sebesség az adott tengely utazó sebessége, megmunkálásra (a lézer és plazma kivételével) nem alkalmas (hisz erre még rárakódik a marás fékező ereje is)! Általában ezen a sebességeken már nem végzünk megmunkálásokat (túl gyors), ezért kiváló lesz gyorsmozgásokra (pozícionálásokra)!

Mach szoftverek esetén a kézi gyorsmozgásokat a SHIFT+nyilak, illetve a SHIFT+Page Up/Down gombokkal lehet elvégezni.