Schrittmotor oder BLDC - Kriterien?

[pfroehlich]

Liebes Forum,

den Kupplungsmotor meiner Pfaff 545 möchte ich ersetzen bzw. elektronisch regeln und suche die optimale Lösung für langsames Nähen, Nadelpositionierung und Einzelstich. Folgende Varianten würde ich gerne vergleichen:

1. Originalmotor (Kobold 240W / 1.400 1/min) mit einem Frequenzumrichter betreiben.
2. Einen Schrittmotor verwenden.
3. Einen BLDC-Motor verwenden.

Zu den Daten des aktuellen Motors nach meiner Rechnung: Nennmoment bei 1.400 1/min: M_N=1,64Nm, Durchmesser der Riemenscheiben: D_Motor=94mm, D_Handrad=81mm. Übersetzungsverhältnis dadurch: i=1,16 (Handrad dreht schneller als Motor!) Damit ergibt sich bei eingekuppeltem Motor und angenommener Nenndrehzahl eine Nähfrequenz von 1.625 1/min (Ich nehme an eine Umdrehung des Handrads macht einen Stich, habe das nicht geprüft). Die Asynchronmaschine besitzt erhebliche Drehmomentreserven, d.h. sie kann sicherlich auch das doppelte Nennmoment aufbringen. Wo das maximale Moment liegt (Kippmoment) kann ich nicht bestimmen, dazu bräuchte man eine weitere Angabe. Überschlägig sollte der Motor m.E. in jetziger Konstellation 4Nm am Betriebspunkt bringen können, dann bin ich auf der sicheren Seite. (?)

Ich kann mit dem Kupplungsmotor gut nähen, aber ein sanftes langsames Nähen und eine deutlich niedrigere Maximalgeschwindigkeit wäre mir lieber.

Habt Ihr Anmerkungen zu den Lösungsalternativen?
Für alle Varianten setze ich einen individuell programmierten Mikrocontroller voraus: (z.B. ESP 32) Dieser liest die Position des Handrads (Magnet + Hallsensor), wertet das Fußpedal aus und steuert den Motortreiber an, der sich für die drei Varianten unterscheidet:

1. FU an Originalmotor: Vorteil: Robuster Asynchronmotor, Nutzung der bestehenden Mechanik, Evtl. Änderung der Antriebsriemenscheibe auf halben Durchmesser (45mm), dadurch Halbierung der maximalen Drehzahl. Der FU müsste vom Mikrocontroller über RS484 oder PWM angesteuert werden.
2. Einen Schrittmotor verwenden: Wahrscheinlich ein NEMA 34. Vorteil: hohes Moment, maximale Kontrolle direkt von meinem Mikrocontroller (über Treiber), einfache Realisierung vn Einzelstich, kompakte Bauform. Aber: reicht die Drehzahl, wie schnell bekomme ich ihn angesteuert? Geräuschbelästigung (Pfeifen) - evtl. durch TMC-Chips ansteuern für ruhigeren Lauf?
3. Einen BLDC-Motor verwenden: Vorteil: Kein Begrenzung der Drehzahl durch max. Schrittfrequenz der Ansteuerung. Nachteil: kleineres Moment als Schrittmotor (also Betrieb mit kleinerer Riemenscheibe), braucht eigenen Motorcontroller, der vom Mikrocontroller vglb. FU angesteuert wird.

Welche der 3 Lösungsvarianten ist die richtige, was sind die Kriterien, übersehe ich etwas? Sollte ich irgendwann soweit kommen, stelle ich natürlich gerne meine Lösung vor

Danke und Gruß
Peter

[Ostrod]

Moin Peter,

was spricht gegen Variante 4, den Chinaservo?

Gruß, Lukas

[js_hsm]

Für alle Varianten setze ich einen individuell programmierten Mikrocontroller voraus: (z.B. ESP 32) Dieser liest die Position des Handrads (Magnet + Hallsensor), wertet das Fußpedal aus und steuert den Motortreiber an, der sich für die drei Varianten unterscheidet:

1. FU an Originalmotor: Vorteil: Robuster Asynchronmotor, Nutzung der bestehenden Mechanik, Evtl. Änderung der Antriebsriemenscheibe auf halben Durchmesser (45mm), dadurch Halbierung der maximalen Drehzahl. Der FU müsste vom Mikrocontroller über RS484 oder PWM angesteuert werden.
2. Einen Schrittmotor verwenden: Wahrscheinlich ein NEMA 34. Vorteil: hohes Moment, maximale Kontrolle direkt von meinem Mikrocontroller (über Treiber), einfache Realisierung vn Einzelstich, kompakte Bauform. Aber: reicht die Drehzahl, wie schnell bekomme ich ihn angesteuert? Geräuschbelästigung (Pfeifen) - evtl. durch TMC-Chips ansteuern für ruhigeren Lauf?
3. Einen BLDC-Motor verwenden: Vorteil: Kein Begrenzung der Drehzahl durch max. Schrittfrequenz der Ansteuerung. Nachteil: kleineres Moment als Schrittmotor (also Betrieb mit kleinerer Riemenscheibe), braucht eigenen Motorcontroller, der vom Mikrocontroller vglb. FU angesteuert wird.

Ich habe alle Versionen schon gebaut (s.Videos aus meiner Signatur ..vom Drehstrommotor mit MC gesteuertem FU an der Langarmmaschine gibte da allerdings keins.)
Die von Lukas (Ostrod) genannte Version 4, ein 750W Chinaservo, ist auch nicht schlecht und out of the box inbetriebzunehmen.

Den Kupplungsmotor mit FU wir problematisch weil die Kupplung bzw. Bremse stört. Das müsste der MC genau abfragen ! oder den Motor ohne Kupplung verwenden.

Schriitmotoren steuer ich mit max 1000 rpm an und nur für langsame Maschinen (z.B. Adler 30)
BLDC mit Hallsensoren (nur die laufen ab 0 rpm sauber an) sind vom Motortreiber meist auf 3000 bis 4000 rpm begrenzt.
Diese nutze ich an fast allem meine Industriemaschine (u.a. Adler 67,69, Pfaff 142, 145 und 335).

Gruß, Achim

[Flickflak]

Überschlägig sollte der Motor m.E. in jetziger Konstellation 4Nm am Betriebspunkt bringen können, dann bin ich auf der sicheren Seite. (?)

Wenn man mit der Pfaff 545 langsam und in Leder oder anderen etwas stärkeren Materialien nähen möchte, dann würde ich für kurzfristiges maximales Drehmoment etwas mehr als 4 Nm anstreben. Für jede der leistungsstärkeren Haushaltsmaschinen habe ich mir zum Ziel gesetzt, kurzzeitig 3,5 Nm bewältigen zu können, aber eine Pfaff 545 sollte deutlich mehr bewältigen können. Ich denke, 8 Nm werden angemessen sein, kann es aber nicht dokumentieren.

Wie Lukas auch erwähnt, ist es am einfachsten, einen Servomotor und möglicherweise einen Speed Reducer zu verwenden, wenn Sie langsam nähen möchten. Achten Sie bei der Suche nach Servomotoren auf die niedrigste Betriebsgeschwindigkeit, idealerweise sollte sie 100 U/min betragen. Die Daten zu finden kann etwas schwierig sein und einige der Servomotoren haben 200 oder 500 U/min als Mindestgeschwindigkeit.

Ich habe kürzlich einen Stromfluss beim Nähen mit einem Gleichstrommotor aufgezeichnet, bei dem es beim Nähen mit konstanter langsamer Geschwindigkeit zu einem Drehmomentfluss kommt. Es kann Ihnen ein Beispiel dafür geben, wie das Drehmoment variiert:
https://youtu.be/N-FB2jHYyuw

Am komfortabelsten ist es, wenn der Motor hier langsam laufen kann, ohne anzuhalten. Wenn die Leistung nicht ausreicht, müssen Sie schneller nähen und die Energie von Schwungrad und Motor nutzen, um Spitzenlastmomente zu überwinden.

Grüß, Viggo

[pfroehlich]

Achim, Chapeau, Deine Videos habe ich gestern entdeckt, sie haben mich zur Frage veranlasst, da Du ja BLDC und Schrittmotoren verwendet hast. Toll! Die Videos sind für mich der Ansporn, nicht nur einen China-Servo anzubauen...

Viggo, danke sehr interessant, der Strom-/Drehmomentverlauf, ein guter Hinweis, dass ich genug Drehmoment einplanen sollte.

Zum China-Servo: Ich habe mir vor ein paar Tagen eine Pfaff 345 angesehen mit 550W-China-Servo. Leider war ich gar nicht beeindruckt, hatte den Eindruck, die Maschine pfeift wörtlich aus dem letzten Loch beim langsamen Nähen, zudem zu hohe Startgeschwindigkeit. Der Antrieb ist sicher zu klein für die Maschine. Mich stört aber auch bei den 750W-Modellen die Einschränkung, dass offenbar kein Servo in der Lage ist, bei 0 rpm loszulaufen. Der BLDC kann das eigentlich, das ist ein winkelgesteuerter Permanentmagnetmotor, der keine Mindestgeschwindigkeit braucht.

Ja, die Kupplung hätte ich festgesetzt für den FU-Betrieb. Vermutlich ist ein Nadelstopp aber schwierig. Anders als bei den Permanentmagnetmotoren bremst die Asynchronmaschine nicht einfach so. Ob man den (billigen) FU so dynamisch ansteuern kann, da habe ich meine Zweifel.

Also, mir scheint ein BLDC konzeptionell die beste Lösung zu sein. Die Hallsensoren lösen 60° auf. Wenn ich auf eine Übersetzungverhältnis von 3:1 käme, wären das 20° oder 18 Winkelpositionen an der Maschine. Bei einer Maximaldrehzahl von 3000 rpm des Motors sind wir dann bei 1000 rpm an der Maschine. Der Motor bräuchte dann 2 Nm, um 6 Nm an die Maschine zu bringen. Zum Glück hat er bei niedrigeren Drehzahlen ein höheres Moment (weniger Gegeninduktion), das hilft die Moment-Spitzen aus Viggos Chart zu überwinden, bei mehr Tempo macht das dann der Schwung.

Wenn ein Schrittmotor bis 1000 rpm läuft, würde das aber auch noch gehen. NEMA 34 mit 8Nm beispielsweise. Ich verfolge aber jetzt erst mal den BLDC-Weg und sehe mir Deine Videos, lieber Achim, dazu noch einmal genau an. (Vielleicht lande ich am Ende doch beim China-Servo - Weg des geringsten Widerstands )

Danke für Eure Hilfe!
Gruß Peter

[js_hsm]

Ich nutze bei der 145er und der Adler 69 BLDC Motoren mit 0,5 Nm und eine 1:6 Untersetzung
Die drücken die Nadel in Zeitlupe durch 6mm Spaltleder.

Ob FU oder BLDC musst Du immer mit einer Bremsrampe rechnen.
Meine Hallsensoren bzw. die Magnete sind immer winkelversetzt (einstellbar) montiert.

P.S. meine FU Lösung hat auch Nadelstopp

Gruß, Achim

[Edit} 0,5Nm Nenndrehmoment, Maximal 1,2 Nm

[pfroehlich]

Hallo Achim,

klasse, genau nach diesen Daten wollte ich Dich fragen, nachdem ich mir die Videos noch einmal angesehen habe, vielen Dank!

Damit ergeben sich dann an der Maschine ein Dauerbetriebsmoment von 3Nm und ein maximales Moment von 7,2Nm, sowie - unter der Annahme, dass der BLDC-Treiber die 4.000 rpm bringt, eine Nähgeschwindigkeit von 670 Stichen pro Minute.

Darf ich nochmal zur FU-Lösung nachfragen? Ich würde die Kupplung am Kobold-Motor festsetzen (Feder, Gewicht am Kupplungshebel oder Verspannen). Dann fehlt aber die mechanische Bremse. Nutzt Du einen Bremswiderstand am FU und ist das Bremsen ähnlich wie bei BLDC oder deutlich schlechter? Wieso bevorzugst Du die BLDC-Lösung gegenüber der FU-Lösung (gemessen an der Zahl Deiner Umbauten)?

Danke!
Gruß Peter

[js_hsm]

Darf ich nochmal zur FU-Lösung nachfragen? Ich würde die Kupplung am Kobold-Motor festsetzen (Feder, Gewicht am Kupplungshebel oder Verspannen). Dann fehlt aber die mechanische Bremse. Nutzt Du einen Bremswiderstand am FU und ist das Bremsen ähnlich wie bei BLDC oder deutlich schlechter?

Nein, ich fahre die Frequenz in steiler Rampe runter und die Doppelnadel-Langarmmaschine steht recht schnell (geschätzt 20--30° an der Armwelle).

Wieso bevorzugst Du die BLDC-Lösung gegenüber der FU-Lösung (gemessen an der Zahl Deiner Umbauten)?

Kompakter und vor allem preiswerter.

Gruß, Achim