Prony Brake - Step motor tork hiz grafikleri nasil ciziliyor?

Prony Brake tekniğini kullanan fakat başarısızlıkla sonuçlanan bazı çalışmalarım.

Aşağıdaki örnekte motor dönmüyorken tel gerilerek load cellden bir değer okunur. Daha sonra motor döndürülür ve tekrar load cell değeri okunur. İkisi arasındaki fark o anki tork değeri ile orantılıdır.

Fren

Yukarıdaki düzenekte frenleme oluşturabilmek için tel frenleme motoru tarafından gerildikçe bu germe kuvveti sensör tarafından ölçülmektedir.  Eğer bu F germe kuvvetine rağmen motor dönebiliyorsa disk yarıçapı r olmak üzere F*r değerinde tork üretebiliyor demektir.

torkhiz-2

Yukarıkdaki düzenekte ise  motor milini frenleyen düzenek motor milinin dönüşünün tersi yönde dönmek isteyerek sensöre kuvvet uygular. Ancak bu düzenekte load cell ile kuvvet uygulayan mafsal arasındaki kontak aşırı gürültü içermektedir.

Zaten Prony Brake sistemindeki en büyük problem kontak gürültüsü (Kuvvetin terazi sistemine uygulandığı noktadaki kontak ve fren disklerinin motor miline bağlı tambura dokunduğu noktalardaki (kontaklardaki)  gürültü). Bu gürültünün etkisi elektronik/mekanik olarak filitre edilebilse de filtrenin tepki süresi ölçüm süresi ni dolayısı ile deney süresini uzatmaktadır. Düşünsenize 0 Hz ile 10Khz aralığında yüzlerce noktadan ölçüm yapacağım.

Bu projeyi zorlaştıran konulardan birisi de atalet momenti. Motor miline takılacak diskin  olabildiğince düşük ataletli olması gerekiyor.

Aşağıdaki son tasarımımdan umutluyum. Bu da başarısız olursa havlu atmanın zamanı yakındır. Bu düzenekte germe kuvveti her iki load cell tarafından da algılanmakta ve iki sensör arasındaki fark tork ile orantılı bilgi vermekte.

TorkHiz-3

TorkHiz-4

Tork_Hiz5Bu tasarım da sorun çıkarttı. Germe teli aşırı sürtünme sebebiyle ile kısa zamanda kopuyor. Geniş yüzeyli folyo ile bu sorunu aştım ancak bu kez de germe kuvveti her iki sensöre eşit yansımadı.

Fakat yalan söyledim havlu atmayacağım.

Mekanizmada radikal değişikliklere gitmeden germe teli düzeneğinde bir takım iyileştirmeler yaparak ilk yaptığım düzenekteki tekniği tekrarlayacağım. İlk düzenekte 200 gram ölçen sensör kullanmıştım son düzenekte 5 Kg ölçebilen sensör kullandım.

Tork_Hiz6

Projem  gün boyu kafamı kurcalıyor olsa da deneysel çalışmaları sadece akşamları ve hafta sonları yapabiliyorum. Şimdiden 1 ay geçti. Arge masraflarım da her geçen gün artıyor.

Aşmam gereken sorunlar;

1. Çapı 20mm'yi aşmayan hafif fakat kolayca aşınmayan fren diski.
2. Kolayca kopmayan frenleme teli/balatası

Fren diskini tornada elimden geldiğince iyi işlesemde milinin 5mm olduğu söylenen her step motor malesef 5mm mil çapında değil. Fren diski motor miline takıldığında ister istemez salgı oluşuyor. Bu da 360 derecelik dönüşte torkta dalgalanmaya neden oluyor.

Hatırlarsanız Tork=F*r  burada r diskin yarıçapı.  Yarıçap dalgalanırsa ölçtüğüm F kuvveti de dalgalanıyor.  Dolayısı ile hesaplan Tork değeri de dalgalanıyor.

Nema17 step motorun değil de 1 kaç kw lık büyük motorun torkunu ölçüyor olsaydım bu dalgalanma tamamen göz ardı edilebilir ve yapacağım mekanizma avuçlarımı dolduracak kadar iri olurdu. Malesef Nema17 motor çok minik, sensörüm gramlara duyarlı, dolayısı ile r yarıçapındaki 10..20um dalgalanma da ölçüm sonuçlarında önemli dalgalanmaya neden oluyor.

Bu kadar titiz uğraşırken frenleme teli fren diskinde aşınmaya neden olunca da kullanılacak malzemelerde de seçici olmak gerekiyor.

Diski sert çelikten işleyip üzerine büyük delikler delerek kütleyi dolayısı ile atalet momentini düşürmeyi de deneyeceğim.

Atalet momenti Pull-in grafiğinde başıma bela olacak bir büyüklük. Pull-in testinde yüklü motor aniden start stop yapılarak o frekansda dönüp dönmediği dönüyorsa ne kadar tork ürettiğinin ölçümü demek. Dolayısı ile atalet momenti aniden dönmeyi engelleyecek fren anlamına geliyor ve malesef, Prony Brake mekanizması safi sürtünme kaynaklı kuvvetleri ölçebilir.

Haa bu arada en büyük ama en büyük sorun ne biliyormusunuz?

Nema17 step motorda 5mm lik mil, radyal kuvvetler etkisinde 1mm kadar esniyor. Bu da frenleme sisteminin yeni baştan tasarlanması gerektiği anlamına geliyor.

Milin döndürdüğü silindiri silindirik yüzeyden sıkmak yerine bir diski düzlemsel yüzeyden sıkmak motor miline aksiyel yük bindirir böylece mili esnetme sorunu kalkar.

Ancak yeterli frenleme kuvveti oluşturabilmek için disk yüzeyini artırmak gerekir. Disk yüzeyini artırmak demek mile bağlanacak diskin yarıçapını artırmak demektir.

İçi dolu silindiririn atalet momenti J=\frac{1}{2}Mr^2 dir .

Bu silindirin kütlesini azaltıp çapını artırırsam atalet momentini sabit yapabilirim.

Atalet momentlerini eşitlersek  \frac{1}{2}M*r^2=\frac{1}{2}M_1*r_1^2

Buradan r_1^2=\frac{M*r^2}{M_1} buluruz. Bu motor miline takacağım diskin en fazla ne çapta olacağını verir.

Örneğin mevcut durumda 20mm çapındaki aluminyum silindirimi 40 mm yaparsam kütlesini  M_1=m*\frac{20*20}{40*40} den  m/4 yapmam gerekir.

Bu durumda diski de silindir ile ayni malzemeden yapacak olursam silindiri 4 kat inceltmem yeterli olur.  20mm çaplı, 16mm yüksekliğindeki aluminyum silindiri 40mm çaplı ve 4mm kalınlığında yaparsam atalet momentim aynı kalır. Diskin frenleme etkisinde aşınmaması için demirden yaparsam bu durumda disk kalınlığını daha da inceltmem gerekir.

Demirin yoğunluğu 7.84 g/cm^3, aluminyumun yoğumlu 2.7 g/cm^3 olduğuna göre
1*1*\pi*1.6*2.7=2*2*\pi*h*7.84 den  disk kalınlığı h=1.3 mm bulunur.

Bu durumda 1mm saçtan güzel bir disk yapabilir göbeğini de montaj vidası vs ekleyebilmek adına kalınlaştırabilirim.

TorkHiz-6

Yukarıdaki prototipte ise frenleme sistemini elektromağnetik kavramalı sürtünmeli fren yaptım. Bu kez de yeterli freneleme oluşturamadım. Döndüm dolaştım ve gene telle motor milini sıkarak frenleme prototipine geri döndüm. Bu kez çelik tel yerine ip kullanıyorum. Proje bitti birecek.

Şimdiden siparişlerinizi alalım. Step motorlarınızın pull out ve pull in tork grafiklerini çıkarttırmak istiyorsanız motorunuzu bana yollamanız yeterli. Yaptığım düzenek sadece Nema 17 motorlar içindir.

Asağıdaki grafik aynı motorun 100..500Hz aralığında Tork hız grafiğine ait olup deney 8 kez tekrarlanmış ve grafikler üst üste çizilmiştir.

Tekrarlanan deneylerde aynı sonuçlar beklenmez fakat deney sonuçlarında bir uyum beklenir. 8 deneyin birisinde 400Hz de büyük bir hata gözlenmiştir. Haliyle bu değerin değerlendirmeye alınmaması gerekmektedir. 8 deney grafiğinden tek bir grafik üretecek yazılım eklentisi oluşturacağım.

Deney

 

Deney düzeneğinde bazı iyileştirmeler yapmam da gerekir.

Bunlar;

1. Tamburu (volan) daha iyi işleyip olabildiğince salgısız hale getirmeliyim.

2. Her bir frekans için motor milini aynı pozisyondan başlatmalıyım.

3. Gergi ipini saçaksız bir ip seçmeliyim.

110Hz'd3 bir rezonans oluşmuştur. 33 Rpm.

130Hz ile 170Hz arasında da motorda bir rezonans noktasının olduğu açık olarak görülmektedir. Bu da yaklaşık 50 rpm' e denk gelmektedir. Benzer şekilde 250 Hz civarında da (75 rpm) bir rezonans gözlenmektedir. Fakat bu noktanın gerçekten rezonans bölgesi olup olmadığını anlamak için deneyi bir kez daha yapmak gerekir. Neyseki test düzeneğimde tek bir frekans için manuel deney şansım bulunmaktadır. Dolayısı ile tüm frekanslarda deney yaparak zaman kaybetmem gerekmez. Saate bakmadım ama 8 grafiğin oluşması tahminen 1 saat sürmüştür.

Üreticiler bu minik rezonans bölgelerini çoğunlukla tork hız grafiklerinde vermiyorlar. Görüldüğü üzere step motor torku frekans ile dalgalanmaktadır.

Bu dalgalanma büyük adımlama frekanslarında azalmaktadır.

İlerleyen dönemlerde torkda büyük düşme olan frekansı da bulup grafikleyeceğim. Tabiki verdiğim grafik test etmekte olduğum motora aittir ve malesef motorumun kodunu hatırlamıyorum.

Bu yazı 2- Arm ve Asm, 3- Elektronik kategorisine gönderilmiş. Kalıcı bağlantıyı yer imlerinize ekleyin.