Profi2M CNC Vezérlő Motor Tuning
(finomhangolása)

Módosítva: 2008. szeptember 23. kedd

Az itt ismertetett információk használata nem feltétele a Profi2M Vezérlő működtetésének. A Vezérlő Easy Setup-al rendelkezik (előre beállított paraméterek, egy trimer és 4 Jumpert 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 Profi2M CNC léptetőmotoros Vezérlő Chopper elvű áramszabályzással rendelkezik, mely 20 kHz-es 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 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). Ezért 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).

(a motor tápfeszültség igénye a sebesség függvényében)

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

(nyomaték görbe)

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 átfogású szabályzási tartományra képes, tunintényezőnek hívom. A tuningtényező megmutatja, hogy hányszoros feszültséget képes még leszabályoztatni egy adott motorhoz. Ha ettől nagyobb feszültséget kapcsoltatunk a motorra, akkor nem képes eléggé leszabályozni és a motor túlmelegszik. A Profi2M Vezérlő kb. max. 25×-ös tuningtényezővel dolgozik.

Motor tápfeszültség méretezése:

Feszültség számítása:
A tuningtényező, a motor induktivitásától függő szorzó! 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 lökő 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 (csökken az eredő induktivitása)!

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:

Figyelem! 50V-ot meghaladni tilos! Ügyeljünk a terheletlen tápegységek esetleges feszültség megszaladására!

Egy példa:

A motor alapfeszültsége 4V, és névleges árama 5A

A példában szereplő motor alapfeszültsége 4V. Ennek megfelelően az alkalmazható tuningfeszültség max. ~45V. Tehát ennek a motornak a legmegfelelőbb tápegység egy 45V-os táp lenne. Itt alkalmazható lenne egy 32V-os transzformátor + egyenirányítva és jól megszűrve (Amperenként min. 1000uF), mivel ekkor a feszültség közel 45V-ra felemelkedne.

Természetesen a maximálisan használható tápfeszültség 50V, e felé semmiképp nem szabad menni!

A motor névleges árama 5A. Ennek az 1.4×-esét (7A-t) a P2M 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 mikro-léptetéses a rendszerünk!
A betonbiztos méretezés az lenne, hogy minden motor névleges áramának a 2×-esét vesszük (a kettős gerjesztésű rendszer miatt minden 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 motorok bekötéseiről és beállításairól a Vezérlő leírásánál olvashat!

Mikro-léptetés:

A mikro-léptetési technika a gerjesztéseket egyik tekercsről a másikra, szinte átúsztatja (szinuszoid formában), ezért a motor rezonanciák szinte teljesen eltűnnek. A köztes léptetéseket a tekercsek különböző arányú gerjesztéseivel állítja elő a DSP. Ezek az arányok szögfüggvényekkel leírt táblázatból származna, így értékük fix.

(1/4 léptetés gerjesztései %-osan)

A gerjesztési táblázat az "ideális" léptetőmotorra van tervezve. A gyakorlatban a motorok tekercsei, pólusai, mágnesei nem pontosan egyformák és így a gerjesztésekre nem mindig pontosan az előre elvárt mértékben reagálnak. Ez az elméletileg megkívánt és a gyakorlatban bekövetkezett szögelfordulásokban eltéréseket (hibákat) eredményezhet.

Ez azt jelenti, hogy nem minden motor használható a legfinomabb mikro-lépésben! A gyengébb minőségi motorok egyre nagyobb szöghibával állnak be. Ez a hiba egy teljes körbeforduláskor 0-ra kijön, de a belső lépések nem egyformák lehetnek.
A gyakorlatban az 1/4-től nagyobb mikro-lépések már erősen torzulhatnak, ezért kisáttételű CNC gépeknél ezeket előzetesen tesztelni célszerű (motor függő)!
A mikro-léptetési rendszer egy elméleti lehetőség, mely a motortól, tápfeszültségtől is függően vagy sikeresen használható, vagy csak nagyobb hibákkal. Alkalmazásának előnye elsősorban a simább (rezonancia mentesebb) futásban és dinamikusabb gyorsításokban jelentkezik. Nem helyettesíti a CNC gépek megfelelő áttételezéseit!

Szoftver:

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!

(Enhanced Pusing bekapcsolása Mach3 szoftverekben)

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

A Vezérlő nem érzékeny a Mach szoftverek impulzus időzítéseire!

(Mach3 impulzus adatai)

A biztonság kedvéért mindkét impulzus adatot 2-re érdemes állítani.
A Sherline mód aktiválása nem szükséges!
Nagyon hosszú (>5m) LPT kábel használata esetén javasolt a Sherline mód bekapcsolása (a kábel esetleges jelcsillapítása miatt).

CNC gépek sebesség tuningja:

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!

(komplex rendszer nyomatékgörbe)

Az ábrán látható egy CNC tengely és egy léptetőmotor + Profi2M CNC Vezérlő nyomatékgörbe együttes.

Jelmagyarázat:

- "Mechanikai fékező nyomaték" = a tengely fékező ellenállása a sebesség függvényében,
- "Megindítás" = a mechanika megmozdításához szükséges minimális nyomaték,
- "Léptetőmotor nyomatéka" = motor + vezérlő együttes eredő nyomatéka,
- "Chopper tartomány" = a motor a vezérlő konstans nyomatékon képes tartani,
- "DC tartomány" = a motor szinkronmotorként, egyre eső nyomatékkal üzemel,
- "Max. sebesség" = a terhelő és a hajtó nyomaték metszése, ez az elérhető legnagyobb gépi sebesség,
- "Billenési pont" = helyét a motortáp feszültsége határozza meg. A tuningtényező mértékében tolható (emelhető) a sebesség tengelye mentén,
- "Max. start sebesség" - gyorsítás nélkül (impulzus szerűen) felette nem üzemel a motor.

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)!

(Mach3 motor tuning felülete)

Ajánlott impulzus adatok: Step Pulse=2, Dir Pulse=2.

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.