Closed loop stepper dmv glaslineaal?

[DaBit]

Ik ben nieuw hier, dus mocht dit niet in het juiste subforum staan: vergeef me.

Korte introductie: nadat ik mijn Chinese bouwmarkt-kolomboormachientje gesloopt heb door 'm als armeluis-frees te gebruiken was ik in de markt voor wat anders. Kruistafeltje leek me wel handig om op nauwkeurige onderlinge afstand gaten te boren, en als d elagering tegen frezen zou kunnen zou dat ook wel handig wezen. Nu, de vervanger is de jullie waarschijnlijk niet onbekende HBM BF20 geworden. En zoals zovelen raak ik ook de tel kwijt als ik veel aan die wieltjes moet draaien en lijkt een conversie naar CNC me wel wat.

Inmiddels ben ik dus spulletjes bij elkaar aan het sprokkelen om dit te doen. Initieel worden dit 4Nm stappenmotoren op de X- en Y-as (Z doe ik nog wel even met de hand; is in het begin wat veiliger) en LinuxCNC voor de aansturing. En dan langzaam uitbreiden.

De stepperdrivers zijn eigen ontwerp, PCB's zijn momenteel in de maak.



Waarom eigenbouw? Nou, fatsoenlijke stepperdrivers zijn best dure dingen, ik heb het merendeel van de componenten op de plank liggen, en ik wil graag toegang tot de firmware van de driver. In de huidige bestukking zijn deze drivers goed voor maximaal 90V voedingsspanning, 5Amp per spoel en maximaal 32 microsteps. Maar meer spanning of hogere stromen zijn in principe geen probleem mocht dat ooit nodig zijn.

Aangezien de bordjes in feite niet veel meer zijn dan een redelijk rappe microprocessor met een 4-tal vermogenstrappen is er trouwens ook geen reden waarom ik ze in de toekomst niet zou kunnen gebruiken voor servo's/BLDC motoren/sturen van verwarmingen/etc.

Wat ik er ook mee kan doen is bijvoorbeeld een closed-loop systeem maken met terugkoppeling van een glaslineaal of zo'n HBM lineaal. Dan verdwijnen of verminderen er een hoop 'problemen' zoals afwijking in de spindelspoed, het bewust lager moeten houden van acceleratie en loopsnelheid ivm eventuele missende stapjes, resonantie, backlash, etc. Een 'stap' vanuit LinuxCNC word dan door de driver omgezet in een verplaatsing van bijv. 0,01mm van de as. Of een ander programmeerbaar nummertje.

Ik zie eigenlijk in de praktijk nooit een terugkoppeling op basis van een lineaire verplaatsings/afstandsmeting. Waarom niet?

[Leeuwinga]

Ik vindt het vooral erg dapper om dit te doen.
Ziet er ook heel professioneel uit.
Om bruslees motoren aan te sturen moet je drie uitgangstrappen hebben.
Daarnaast een "hall" generator aansluiting om snelheid te meten en natuurlijk
een digitale enoder met kanaal A en B.
De moderne servodrivers hebben meestal een communicatie mogelijkheid
om PID funkties in te stellen en te tunen.

Terug koppelingen van stappenmotoren / drivers komen echt wel voor.
Echter daarmee kan men nooit een echt closed loop systeem vormen. Daarvoor moet
er direct terug gekoppeld kunnen worden van uit de controller.
De meeste (hobby) controllers kunnen dat niet. De professionele zoals
Fanuc, Siemens ed. wel.
Wat ik weet van terug koppelingen naar de drivers is dat men altijd als
terugkoppeling het signaal van de encoder neemt die op de as zit.
Ik neem aan als men dat via een lineaal doet dat er te veel instabiliteit
komt in de regelkring naar de servomotor.

Ik vindt je ontwikkeling zeer interessant en ga het zeker volgen
\Succes, Cees

[henkzelf]

Waarom niet? Meten en regelen op je echte doel is niet goed haalbaar.
Backlash is niet snel genoeg te compenseren met regelen omdat de frees ook kracht uitoefent en je tafel binnen de speling zal verschuiven. In het gunstigste geval heb je toch nog trillingen.
Theoretisch zou je moeten meten tussen frees en tafel, want ook de vering van je kolom is een bron van fouten. Wil je weten wat je allemaal op je nek haalt, lees dan eerst http://www.henkzelf.nl/MijnFreesMach.htm Ja ik heb ondertussen de moeren en de lagering van de spindels verbeterd, maar nog blijft: Een gebouw is nooit stabieler dan zijn fundering, een bij een frees is dat zijn mechanica.

[DaBit]

Ik vindt het vooral erg dapper om dit te doen.
Ziet er ook heel professioneel uit.

Elektronica is ook wat ik doe in het dagelijkse leven. Helaas heb ik voor deze PCB EAGLE gebruikt omdat ik niet afhankelijk wilde zijn van de software van de baas (en de freeware editie is goed genoeg voor dit soort simpele printjes), maar daar had ik al heel gauw spijt van.

Om bruslees motoren aan te sturen moet je drie uitgangstrappen hebben.
Daarnaast een "hall" generator aansluiting om snelheid te meten en natuurlijk

Mwoah, 6 schakeltransistoren zijn genoeg voor 3-fasemotoren he? Niet dat ik ooit geprobeerd heb om een BLDC motor aan te sturen, maar volgens mij is dat gewoon een speciaal gevalletje 3-fasenmotor.

Ik heb de mogelijkheid om van 2 van de 3 'fases' stroom te kunnen meten, dus vector control moet zowiezo kunnen

Verder heb ik nog een paar vrije pinnen op de DSP. Dat kan UART (seriele poort) spelen, dat kan quadratuurencoder-interface spelen, dat kan SPI spelen, dat kan I/O spelen. Mogelijkheden genoeg dus om nog wat extra aan te sluiten, al zal ik daar in de meeste gevallen wel nog een stukje extra elektronica voor nodig hebben. Maar ik heb er bewust voor gekozen om niet meteen een schaap met 5 poten te ontwikkelen. Een stepperdriver is wat ik in de eerste instantie nodig heb.

Terug koppelingen van stappenmotoren / drivers komen echt wel voor.
Echter daarmee kan men nooit een echt closed loop systeem vormen. Daarvoor moet
er direct terug gekoppeld kunnen worden van uit de controller.

Kan in principe met LinuxCNC ook wel, maar dan zijn we alweer een paar stappen en aardig wat aantal uren achter de PC verder. LinuxCNC stap = 0,01 of 0,005mm ofzo in het echt lijkt me een aardige tussenstap tussen open loop en volledig closed loop.

Ik neem aan als men dat via een lineaal doet dat er te veel instabiliteit
komt in de regelkring naar de servomotor.

Waarom zou dat instabieler zijn dan via de as? Dat vraag ik me dus af.

[Leeuwinga]

Ik gebruik DESIGNSPARK PCB is van RScomponents
Prachtig programma incl. autorouter en kan gratis worden gedownload.
Geen beperkingen in aantal lagen of afmetingen
Cees

[Arie Kabaalstra]

Ik weet dat Bridgeport onder andere een direct meetsysteem toepast op hun freesbanken.. inderdaad een glaslineaal die als positieencoder wordt gebruikt voor de aansturing van de motor.. Backlash lastig te compenseren?.. vast wel.. maar dan zorg je er toch voor dat je geen backlash hebt?.. Voorspanning Baby Yeah!..

[DaBit]

Waarom niet? Meten en regelen op je echte doel is niet goed haalbaar.

Ja, en dat is dus wat ik me afvraag.
Stel dat we een Zeer Nauwkeurige Dure Freesbank hebben, zeer stijf met spelingsvrije schroeven voor XYZ en servo's op die schroeven. In dat geval resulteert elke beweging van de schroef in beweging van de tafel, en andersom als de schroef dat toelaat.

In dat geval is een encoder op de servo-as identiek aan lineair meten. En blijkbaar kun je dat wel sturen.

Backlash is niet snel genoeg te compenseren met regelen omdat de frees ook kracht uitoefent en je tafel binnen de speling zal verschuiven.

In dat geval is het hooguit niet beter dan een open-loop systeem, toch? Onstabiel word het er niet van (en anders moet je de parameters van de positieregeling beter instellen).

Theoretisch zou je moeten meten tussen frees en tafel, want ook de vering van je kolom is een bron van fouten.

Uiteraard, maar mijn doel is niet een machine met een nauwkeurigheid van +/-1um die 10 kilo metaal per seconde kan verwijderen. Als het nauwkeurig moet, dan mag het best langzaam gaan. Zijn de krachten op de machine kleiner, en dus de buiging ook.

Het is meer dat als ik rondlees dat ik dingen tegenkom als 'software backlash compensation', 'screw mapping', enzovoorts. Door de daadwerkelijke positie terug te koppelen verminder je een hoop van die problemen. En als je 't mij vraagt tot op het punt dat je met onnauwkeurigheid en speling om kunt gaan door slim het freespad te programmeren.

Ik ga het overigens nog niet doen hoor. Ik vroeg me gewoon af waarom het zo weinig gebruikt word. En ik ben nog niet overtuigd (jullie kennen me nog niet zo goed, maar ik neem niet gauw iets zomaar aan en ooit duurt het even voor het kwartje valt)

Ik begin gewoon met limit-switches en stappenmotoren in open-loop op de parallelle poort van een PC. Eerst een kijken hoe dat bevalt. En het zou best kunnen dat dat voldoende blijkt te zijn. Acceleratie en maximaal bruikbaar toerental kun je nog aardig oppeppen door de motorspanning op te voeren, mits de processor op de driver het bij kan benen.

Buiten dat zijn 3 glaslinealen geen goeiekope grap, en heb ik hier thuis ook te maken met een financiele directie.

Wil je weten wat je allemaal op je nek haalt, lees dan eerst http://www.henkzelf.nl/MijnFreesMach.htm

Interessant stukje leesvoer, waarvoor dank! Overigens maakt het gebruik van stappenmotoren in een closed-loop regeling de zaken wel een heel stuk eenvoudiger dan jouw regeling voor DC-motoren.

Ik gebruik DESIGNSPARK PCB is van RScomponents
Prachtig programma incl. autorouter en kan gratis worden gedownload.
Geen beperkingen in aantal lagen of afmetingen
Cees

Ik eens kijken of dat me beter bevalt dan EAGLE :)

Ik weet dat Bridgeport onder andere een direct meetsysteem toepast op hun freesbanken.. inderdaad een glaslineaal die als positieencoder wordt gebruikt voor de aansturing van de motor..

Aha, als een fabrikant als Bridgeport dat doet dan moet er wat inzitten.
Wat bedoel je trouwens met 'onder andere'?

Backlash lastig te compenseren?.. vast wel.. maar dan zorg je er toch voor dat je geen backlash hebt?.. Voorspanning Baby Yeah!..

Heb ik inderdaad ook al aan zitten denken ja. Paar luchtcylinders met een vaste druk erop ofzoiets die de speling eruit duwen.

Magoed, eerst maar eens stap A, en dan B. Voordat ik computergestuurd een circeltje kan frezen zijn we alweer een aardig tijdje verder schat ik zo.

[henkzelf]

Je hebt het begrepen. Een stabiele machine met reproduceerbare "fouten" kun je nog beter maken.
Als mechanische stabiliteit niet verder haalbaar is of zeer kostbaar, dat is extra meten en meer software een optie. Uitlijn- en productie toleranties heb ik in mijn werkzame leven vaak met software kunnen compenseren.
Gammele hardware alleen als je tijdverlies accepteert zoals 'probeer opnieuw' bij een harddisk en internet communicatie. Maar een gat wat op de verkeerde plaats is geboord kun je niet opnieuw boren.

[hugo stoutjesdijk]

Even een beetje olie op het vuur
De eerste series CNC machines ( toen het gemeengoed begon te worden ) hadden gelijkstroom motoren, met een closed loop regeling op de snelheid (via een tacho op de motor, =dynamo=analoog signaal) in de servo versterker, en een positie regeling via linealen of encoder. De keuze linealen / encoders was natuurlijk puur een prijskwestie, de 'betere' hadden allemaal linealen. Met linealen zit je er gewoon dichter bij. Maar ook bij linealen zou je nog een correctie tabel kunnen toepassen, die hebben nl. ook nog enige afwijking (komen we wel in het micrometer gebied ). Latere machines kregen AC-servomotoren, is gewoon kwalitatief beter, geen koolborstels e.d. Hierin zit een soort encoder die er voor zorgt dat de versterker precies weet waar de rotor zit om het draaiveld juist te plaatsen. Daarnaast kun je uit een encoder signaal een snelheidssignaal afleiden, wat veel regelingen doen. En dan is het weer een economische kwestie of je dat encoder signaal goed genoeg vind voor je positie-regeling. Encoder zit op de kogelomloop ( natuurlijk met voorgespannen moeren, anders hoeven we deze hele diskussie niet te voeren ) Bij een beetje versnelling en lengte van de kogelonloopspil zal deze torderen, en ook nog opwarmen door de bewegingen, allemaal extra onbekende afwijkingen dus. Het grappige is dat wat nu met microstepping gebeurd, bijna gaat lijken op de draaiveld sturing in een AC motor, dus het komt uiteindelijk misschien toch bij elkaar. Het heeft natuurlijk ook te maken met de vooruitgang in rekenkracht waardoor er nu meer mogelijk is dan in het DC tijdperk. ( regellus snelheid van 10ms naar 0.1ms of kleiner )

[DaBit]

Je hebt het begrepen. Een stabiele machine met reproduceerbare "fouten" kun je nog beter maken.
Als mechanische stabiliteit niet verder haalbaar is of zeer kostbaar, dat is extra meten en meer software een optie.

Ja, en uiteindelijk: waar hebben we het over. Ik wil er gewoon onderdeeltjes voor vanallesennogwat mee maken; kastje voor een stukje elektronica, rempedaaltjes/beugeltjes/whatever voor motorfietsen waar ik de slijptol in zet om er wat van te maken waar het nooit voor bedoeld is, reparatie van wat die kleine guppen thuis allemaal slopen, enzovoorts. Heb ik daarvoor toleranties nodig van +/- 0,005mm of beter? Nee. Of tenminste 'nog niet'.

De reden achter de stappenmotoren op de bank is voornamelijk omdat ronde, vloeiende curves best lastig te maken zijn met draaien aan een wieltje, het spaart een lamme arm bij het uitfrezen van een bakje, en verder sparen die stappenmotoren+PC initieel een DRO uit.

Gammele hardware alleen als je tijdverlies accepteert zoals 'probeer opnieuw' bij een harddisk en internet communicatie. Maar een gat wat op de verkeerde plaats is geboord kun je niet opnieuw boren.

Jawel, maar ik heb geen gammele hardware. Zo'n BF20 is best een acceptabel ding voor in de hobbyschuur en met z'n beperkingen kan ik prima leven. Ik ben zowiezo een aanhanger van de 'it's a poor workman who blames his tools'-school. Laat ik eerst maar eens leren werken met dat freesspul; da's immers ook gewoon een vak en niet iets dat je met een uurtje onder de knie hebt.

en een positie regeling via linealen of encoder.

OK, dus het is inderdaad niets nieuws.

En dan is het weer een economische kwestie of je dat encoder signaal goed genoeg vind voor je positie-regeling.

Blijkbaar wel, anders zag ik wel meer linealen in de zelfbouw. Dat HBM-iGaging spul kost een paar tientjes per as, en bij de enige die ik ooit aan een microcontroller gehangen heb zat de jitter op de meetwaarde beneden de 0,01mm. Past prima bij een zelfbouw-CNC van MDF ofzo.
(voor die BF20 vind ik een meetresolutie van maar net iets beter dan 0,01mm wat aan de krappe kant)

Het grappige is dat wat nu met microstepping gebeurd, bijna gaat lijken op de draaiveld sturing in een AC motor, dus het komt uiteindelijk misschien toch bij elkaar.

Met een 3-fase stepper is sturen van het draaiveld precies wat je doet. Ik had graag 3-fasen steppers gehad; die dingen lopen toch een stuk mooier rond. Maar omdat ze minder gangbaar zijn ligt de prijs ook meteen een stuk hoger. Met een 2-fase stepper stuur je net zo goed een 'draaiveld', alleen zijn dat maar 2 vectoren die niet lekker over de circel verdeeld zijn.

[DaBit]

Printjes waren vandaag binnen en ik kon het niet laten om er twee te solderen:



Ik mis helaas wel nog een paar onderdeeltjes, dus prik kan er nog niet op.

[Baksteen]

Ik ben heel benieuwd hoe dat gaat werken. De moeilijkheid zit in het dynamisch gedrag van de machine. Alle 'simpele' regeltechniek gaat er van uit dat het systeem lineair is. Zodra je backlash hebt is het echter gedaan met de lineariteit, je moet dan een regelaar ontwerpen die weet waar in de hystereselus je je bevindt. Doe je dat niet dan is er een variabel verschil tussen het moment dat je gaat bijsturen op de lineaal en het moment dat dat bijsturen effect heeft op de positie van de lineaal. Er ontstaat dus een onzeker faseverschil tussen actuatie en respons hetgeen bij hogere frequenties de zaak grondig in de war stuurt (oscillaties), temeer omdat je 'ruis' op de lineaal zult hebben door het verspanen. Daarom zul je een (software) laagdoorlaatfilter in je regeling moeten opnemen. Om te weten waar je in de backlashhystereselus zit heb je zowel de spindelhoek als de lineaalpositie nodig (en de posities/richtingen van de asomkeringen).

[Linki]

Er zijn besturingen die lossen dit op door gebruik te maken van een z.g. dual loop systeem.
De encoder achter op de motor voor de snelheids informatie, en de encoder op de glaslinaal voor de positie informatie.

[DaBit]

De moeilijkheid zit in het dynamisch gedrag van de machine. Alle 'simpele' regeltechniek gaat er van uit dat het systeem lineair is. Zodra je backlash hebt is het echter gedaan met de lineariteit, je moet dan een regelaar ontwerpen die weet waar in de hystereselus je je bevindt.

Ja OK, maar dat is een kwestie van slim(mer) regelen. In de praktijk zijn vrijwel alle systemen niet-lineair, al is het maar omdat de hoeveelheid bijsturing in de echte wereld beperkt is.

Neem een simpele temperatuurregeling bijvoorbeeld. Een regelaar die een 1kW verwarming aanstuurt om temperatuur te regelen kan op een gegeven moment wel 10kW willen om een fout weg te werken, maar die 10kW is er gewoon niet, dus weg lineariteit. Moet je zelfs bij een simpele PI(D)-controller al met windup-compensatie aan de gang.

Je hoeft in dit geval eigenlijk ook geen generieke controller voor 'onbekende lineaire systemen' zoals klassiek PID te gebruiken, maar je kunt een model inbrengen.

Zelfde geintje met m'n stepperdrives trouwens. Gisteravond maakte de motor z'n eerste stapjes, wat betekent dat de stroomregeling voor de spoelstromen z'n werk goed doet. Die regellus is nu ook gebaseerd op een PID-controller (yep, inclusief de D), simpelweg omdat ik daar stevig geoptimaliseerde code voor had.

Opzich een acceptabele manier van spoelstroom regelen, en al vele malen beter dan dat 'mixed decay'-gekunstel van de meeste stappenmotordriver-IC's die helemaal geen voorkennis van het systeem hebben. Maar het is zeker niet de slimste manier. Je weet immers de huidige stroom door de winding, de stroom die je graag zou willen, de inductie van de winding, de weerstand van de winding, de busspanning en de back-EMF van de motor.
Dan weet je dus eigenlijk alles wat er nodig is om 'precies' te kunnen berekenen hoe je die motorwinding aan moet sturen om zo rap en nauwkeurig mogelijk op de gewenste stroom uit te komen binnen de fysieke grenzen van het systeem.

De reden dat ik het niet doe is (behalve omdat ik lui ben en de noodzaak nog niet inzie) dat het executeren van een PID-regelaar-stap maar grofweg een microseconde in beslag neemt. Met de rest van de administratie en rekenwerk erbij kan ik de 2 winding-stroomregelaars makkelijk op ca. 70kHz draaien en nog genoeg processortijd overhouden voor de andere taken zoals de stapinterpolator (lage stapfrequenties -> stappen interpoleren en meer microsteppen -> soepelere motorloop. Hoge stapfrequenties -> minder microsteppen -> langer behoud van motorkoppel).

Ga ik over op een compleet motormodel voor de stroomsturing ipv een simpele PID, dan heb ik geheid meer rekenwerk nodig per stap, gaat de bandbreedte van de regeling alsnog omlaag omdat ik minder vaak 'bij kan sturen', en schiet ik er per saldo niks mee op.

Doe je dat niet dan is er een variabel verschil tussen het moment dat je gaat bijsturen op de lineaal en het moment dat dat bijsturen effect heeft op de positie van de lineaal. Er ontstaat dus een onzeker faseverschil tussen actuatie en respons hetgeen bij hogere frequenties de zaak grondig in de war stuurt (oscillaties), temeer omdat je 'ruis' op de lineaal zult hebben door het verspanen.

Bij (vrijwel) alle regelingen met negatieve terugkoppeling moet je ervoor zorgen dat de gain van systeem+controller kleiner dan 1 is op het punt/frequentie dat de totale fasedraaiing de 180 graden bereikt.

Daarom zul je een (software) laagdoorlaatfilter in je regeling moeten opnemen.

Da's 1 manier om te voorkomen dat je bij 180 graden faseverschuiving een gain>1 hebt. Maar dat als enige maatregel gebruiken is wederom niet slim; word je systeem traag en gevoelig voor overshoot van.

Om te weten waar je in de backlashhystereselus zit heb je zowel de spindelhoek als de lineaalpositie nodig (en de posities/richtingen van de asomkeringen).

Er zijn besturingen die lossen dit op door gebruik te maken van een z.g. dual loop systeem.
De encoder achter op de motor voor de snelheids informatie, en de encoder op de glaslinaal voor de positie informatie.

Spindelhoek weet je, want stappenmotor. Missschien heeft die een stapje gemist of wat dan ook, maar onzekerheden en het omgaan daarmee zijn zowiezo onderdeel van elk 'echte wereld' systeem.
Lineaalpositie weet je ook.

Ik zit me alleen te bedenken dat je de regeling tegelijk op alle assen uit wilt voeren, en niet op losse assen onafhankelijk van elkaar. Als er 1 as door z'n hystereselus aan het regelen is moeten de anderen daar ook op reageren omdat anders je XYZ positie niet meer is wat je verwacht.

Hmm....