Das Problem:
Meine Proxxon MF70 CNC hat einen unregulierten 100W DC Motor der sehr nervig ist.
Dieser soll durch einen Motor ersetzt werden der leise ist, genug Drehmoment entwickelt und mit konstanter einstellbrer Drehzahl laeuft.
Die Loesung:
Ich habe eine kleine geeignete BLDC Maschine mit passendem Inverter aus dem Hobbybereich angeschafft. Grundsaetzlich ist diese Loesung aber keine Loesung da voellig unbrauchbar fuer CNC.
Erstens nutzt man im Hobbybereich ein aus der Geschichte entstandenes ehr "seltsames" PWM und zweitens gibt es bei den Invertern keinen aeusseren Drehzahlregler und es wird zu allem Uebel mit Blockkommutierung gearbeitet. Blockkommutierung ist ok fuer sagen wir einen Starter, also kurzzeitiges Motorlaufen.
Um ein lauffaehiges System zu bekommen habe ich einen uebergeordneten digitalen Drehzahlregler programmiert und die Bandbreite geeignet und optimiert eingestellt, eine Drehzahlmessung angebracht und saemtliche Motorhalter sowie Wellengelenke gefertigt. Zudem musste ein Interface erschaffen werden welches aus Industrie PWM (handlesueblich) ein Modellbau konformes "komisches" PWM erzeugt, nach Moeglichkeit mit einstellbarer Grundfrequenz. Ich nutze 488Hz.
Zusaetzlich wurde ein externes optionales Debugtool entwickelt welches es erlaubt waehrend des Betriebes die Regelparameter einzustellen/nachzustellen, den Motor freizugeben, die Drehzahl manuell einzustellen und alle relevanten Parameter letztendlich im EEProm abzuspeichern.
Wenn das Debugtool angeschlossen wird, wird source code freigeschaltet der das Debuggen erlaubt und den Motor bedient und alle relevanten Daten auf dem per Bus angeschlossenem HMI darstellt. Wie da waehren
Sollwert, Istwert, P, I, ggf. D-Anteil, Parameter Speichern, Freigabe, Drehzahlvorsteuerung ein/aus.
Das optionale und externe Debugtool verfuegt zur Menue- und Motorbedienung ueber einen Encoder und einem im Encoder befindlichen, per Software entprellten, Taster.
Testresultate ergeben das auch ehr zu schwach ausgelegte Motoren soweit stabilisiert werden koennen, das diese fuer CNC Anwendungen schon nutzbar gemacht werden koennen.
Das ist sehr schoen da die Anforderungen an die Motor ACDC Hochstromversorgung abgeschwaecht wird.
Was mit einer ganz einfachen Sache begann, hat sich schon ganz schoen verkompliziert. Aber es funktioniert tadellos.
Die Drehzahlmessung wurde noch in der Aufloesung erhoeht. Damit ist auch die Bandbreite des PI(D) Reglers erweitert.
Mittlerweile habe ich mir ein Gehaeuse ueberlegt in welches ich den gesamten Motor einsetze und es mit Sperrluft aus einem Airbrushkompressor kuehle. Das Problem war ehr das ich keine Moeglichkeit gefunden hatte den Hallsensor anzubringen. Zudem habe ich einen neuen Halter (Poolrad) fuer die Magneten konstruiert.
Desweiteren arbeite ich an einem neuen Umrichter der mit Sinuskommutierung arbeitet. Damit wird erreicht das der Motor nicht nur einen besseren Wirkungsgrad bei Dauerlauf hat, sondern auch noch leiser ist und bei sehr geringen Drehzahlen schon das volle Moment zur Verfuegung steht. Um dann noch ein "noch" besseres Stoehgroessenverhalten zu bekommen tausche ich das Polrad gegen einen echten Encoder mit 1024 Impulse. Das ist dann der Koenigsweg des gesamten Systems und es wird sehr sehr leise sein, geringe Kuehlungsanforderungen bei S1 Betrieb. Dadurch sind dann auch Drehzahlen unter 100 1/min moeglich bei gleichmaessigem und sehr starkem Drehmomentverlauf. Der Aussenlaeufer verfuegt ueber 14 Poolpaare.
Da dieses Projekt immer nur in meiner Auftragsfreien Zeit laeuft zieht es sich doch mehr in die Laenge als ich es vorab erwartet hatte. Vor allem der digitale sinus kommutierte Umrichter ist mir sehr wichtig, da ich diese Technik in einen neuartigen mehrstufigen Vollbrueckenwandler einsetzen moechte. Zudem bietet sich die Sinus-Dreieck kommutierung auch fuer Maschinene mit mehr als 3 Phasen an. Obwohl man bei dieser Kommutierungsart die Zwischenkreisspannung "nur" zu 86.6% bei Modulationsgrad=1 ausnutzen kann, ziehe ich diese der Raumzeigermodulation im Moment vor. Es entsteht eben ein echter sauberer Phasensinus ohne die dritte Harmonische und ein noch geringerer Drehmomentrippel. Auch wenn man bei der konventionellen Raumzeigermodulation genau diese dritte Harmonische nutzt um 100% DCLink nutzen zu koennen, also weniger Strom bei gleicher Leistung und Drehfeldfrequenz, sieht der Raumzeigersinus ehr nach abgerundetem Trapez aus. Sicher werde ich in der Zukunft auch SVM in klein implementieren, aber halt erst in der Zukunft.
Das bei SVM der THD noch etwas besser ist als wie bei Sinus-Dreieck, lasse ich mal so im "Raum"_zeiger stehen.
Zum betreiben der Motorspindel ist es noetig eine AC Stromversorgung zu entwickeln welche einphasig bis dreiphasig betrieben werden kann und im Anschluss einen effizienten galvanisch getrennten Tiefsetzsteller bedient. Dabei darf das Netz nicht lueckend belastet werden. Eine reine Tiefsetzsteller Drehstrom PFC ist hier nicht angebracht sondern vielmehr eine Hochsetzsteller PFC. So ein Geraet benoetige ich z.B. um diese hier kurz beschriebene Motoranwendung im Labor im Dauerlauf zu betreiben.