Kugelventil:Funktionsnachweis
Armin Rohnen, 13.05.2022
Es muß die Dichtheit im Endanschlag für die Kombination AVS Römer Drosselventil (Teile Nr. RFD-058-P315-6ff, 635636) mit dem Schrittmotor Nema 17 17HS4417 ermittelt werden.
Testen des Servomotors
Nachdem der Versuchsaufbau einsatzbereit war, konnte mit dem Testen der Komponenten begonnen werden. In der folgenden Abbildung ist der Aufbau mit eingespanntem Servomotor und Kugelventil zu sehen. Die beiden Komponenten sind mit dem per 3D-Druck gefertigten Adapter aus PLA sowie dem mitgelieferten Aufsatz des Servomotors verbunden.
Mit diesem Test sollte evaluiert werden, ob der Servomotor genug Drehmoment zur Betätigung des Kugelhahns aufbringen kann und wie genau das Kugelventil justiert werden kann. Dafür wurde ein Raspberry Pico auf einem Steckbrett angebracht, der als Microcontroller fungiert.
Mit folgendem Programmcode wurde der Servomotor dann betätigt. Bevor mit den Tests begonnen werden konnte, musste erst der Null- und Endpunkt bestimmt werden. Der Nullpunkt liegt in diesem Fall bei 0° und der Endpunkt bei 90°, um die maximal erforderliche Drehung und damit die vollständige Öffnung und Schließung des Kugelhahns zu gewährleisten. Für die Bestimmung des Nullpunkts wurde ein Arm des mitgelieferten Aufsatzes des Servomotors markiert und vertikal ausgerichtet. Der vorliegende Wert wurde als Nullpunkt notiert. Anschließend konnte sich mithilfe mehrerer Testläufe dem Wert für eine Drehung von 90° ausgehend vom Nullpunkt angenähert werden. Auf diese Weise wurde bestimmt, dass der Nullpunkt des Servomotors bei einem Wert von 7700 und der Endpunkt bei 4600 liegt. Diese Werte wurden im Folgenden dann in den Programmcode übernommen.
Nachdem der Start- und Endpunkt der Drehung bestimmt waren, konnte evaluiert werden, ob der Servomotor das Kugelventil je nach Bedarf öffnen und wieder vollständig schließen kann.
Nach den Tests konnte geschlussfolgert werden, dass der Servomotor grundsätzlich für die Betätigung des Kugelventils geeignet ist und per PWM-Signal vergleichsweise einfach angesteuert werden kann. Auch der 3D-Druck-Adapter für das Kugelventil konnte dem entstehenden Drehmoment während des Betriebes widerstehen, obwohl für den Adapter nur ein vorläufiger Prototyp aus PLA verwendet wurde. Sollten weitere Tests zeigen, dass der Servomotor im Vergleich am besten für die Betätigung des Ventils geeignet ist, muss noch eine günstigere Alternative für die Anbindung des Servomotors an das Ventil gefunden werden. Eine weitere Möglichkeit wäre es, die Wellenkupplung mit dem Servomotor zu verbinden.
Die Wellenkupplung aus Aluminium konnte jedoch bis zum jetzigen Stand des Projektes noch nicht in Kombination mit dem Servomotor getestet werden, da das Stecksystem des Servomotors zu kurz ist, um von der Madenschraube in der Wellenkupplung fixiert zu werden. Das Stecksystem des Motors ist ein metallenes Zahnrad mit 26 Zähnen, das eine Länge von 4 mm und einen Durchmesser von 5 mm besitzt. Um dieses Stecksystem mit der Wellenkupplung zu verbinden wäre noch ein separater Adapter notwendig, der zur Verlängerung auf das Stecksystem gesteckt wird und so genügend Kontaktfläche für die Madenschraube bietet. Eine Möglichkeit wäre, einen solchen Adapter per 3D-Druck herzustellen. Da die Zähne des Stecksystems mit einer Höhe von 0,25 mm jedoch sehr klein sind, wird die Auflösung eines gewöhnlichen FDM-3D-Druckers nicht ausreichend sein, um diesen Adapter zu fertigen.
Die mitgelieferten Aufsätze des Servomotors bestehen aus glasfaserverstärktem Kunststoff und sind wahrscheinlich per Spritzguss gefertigt. Diese Aufsätze besitzen bereits eine geeignete Aufnahme für das Stecksystem des Servomotors, deren Form lässt sich jedoch nicht mit der Wellenkupplung kombinieren. Sie sind daher ohne Anpassung ebenfalls nicht dafür geeignet, die Wellenkupplung mit dem Servomotor zu verbinden.
Soll die Wellenkupplung definitiv als Verbindungsteil verwendet werden, bietet sich als letzte Alternative an, nach einem anderen Servomotor in der gleichen Preisklasse mit ähnlichen technischen Eigenschaften zu suchen, der einen längeren Schaft oder ein anderes Stecksystem aufweist und sich damit besser mit der Wellenkupplung verbinden lässt.
Testen des Schrittmotors
Um eine Aussage über die Eignung der bestellten Schrittmotoren treffen zu können, ist es nötig, auch die Schrittmotoren im Betrieb zu testen. Das ist dahingehend erforderlich, da vor allem die NEMA 17- Schrittmotoren über ein maximales Haltemoment von 40 bis 50 Ncm verfügen, sodass je nach verwendetem Kugelventil nicht sicher gesagt werden kann, ob die Kraft des Motors zur Betätigung ausreicht, oder ob noch ein zusätzliches Getriebe zur Übersetzung erforderlich ist.
Für das Testen ist es geplant, den erforderlichen Motortreiber für die bestellten Schrittmotoren behelfsmäßig selbst zu bauen. Da die benötigte Betriebsspannung des Schrittmotors jene Spannung übersteigt, die ein per USB-Schnittstelle angeschlossener Microcontroller liefern kann, werden zusätzliche Motortreiber mit Leistungsstufen für höhere Spannungen benötigt. Folgende zwei Möglichkeiten wurden auf fachspezifischen Websites zum Eigenbau eines Schrittmotor-Treibers in Kombination mit einem Raspberry Pi Pico erläutert.
Eine Möglichkeit ist es, auf dem Steckbrett eine Leistungsstufe wie das Darlington Array ULN2003A als DIL-Bauteil (Dual in-line package) anzubringen und den Schrittmotor dann über einen Raspberry Pi Pico zu betreiben. Eine solche Schaltung mit Darlington Array ist laut Online-Tutorials für unipolare Schrittmotoren mit sechs Leitungen geeignet.
Des Weiteren sind auch fertige ULN2003 Treibermodule als Zukaufteil verfügbar, die für die Versuche verwendet werden können. Diese fertigen Treibermodule sind sowohl ohne als auch mit separatem Schrittmotor verfügbar und kosten je nach Ausführung zwischen 2 und 10 €.
Eine andere Möglichkeit ist es, für die Treiber eine Schaltung mit L298N oder L293D-Bauelementen zu verwenden, die für bipolare Schrittmotoren mit vier Leitungen geeignet ist. Bei dem L298N handelt es sich um einen zweifachen Vollbrückentreiber für hohe Spannungen und hohe Ströme, der zur Ansteuerung induktiver Lasten wie Relais, Magnete, DC-Motoren oder Schrittmotoren dient.
Die für dieses Projekt bestellten Schrittmotoren besitzen alle vier Leitungen, sind damit bipolar und sollten von daher mit diesen Treibern betrieben werden können. Im Labor liegen bereits einige Yoi It SBC-MotorDriver2 und einige L293D Bauelemente, die für die Versuche der Schrittmotoren verwendet werden.
Felix Kistler, 05.03.2022
Ein Treiber mit dem L298N war bereits in Betrieb, jedoch konnten bislang nur weniger als 200 Schritte je Umdrehung erreicht werden. Des Weiteren wies der getestete Schrittmotor nur eine einseitige Drehrichtung auf und heizte sich schnell auf.
Bis zum jetzigen Stand am 05.03.2022 war es nicht möglich, die Schrittmotoren in gewünschtem Maße betreiben zu können. Im weiteren Verlauf der Entwicklung muss eine Lösung für die oben genannten Probleme gefunden werden. Dafür wird ein detaillierter Schaltplan und ein geeigneter Treiber benötigt, um die vorliegenden Schrittmotoren als Aktuator im System des zu entwickelnden Dosierventils verwenden zu können.
Armin Rohnen, 27.03.2022
Mit der Kombination AVS Römer Drosselventil (Teile Nr. RFD-058-P315-6ff, 635636, Stückpreis € 8,87) mit dem Schrittmotor Nema 17 17HS4417 (Einzelstückpreis € 9,51) und einer Wellenkupplung (Einzelstückpreis € 2,55) wurden die ersten Versuche durchgeführt.
Die Ansteuerung erfolgte einmal über eine L298N Schrittmotorsteuerung (joy-it MotoDriver2, Einzelpreis € 5,70) und ein weiterer Versuch über das Bauelement L293D (Einzelpreis € 3,10). Beides ist aktuell nur in sehr begrenzten Stückzahlen im Markt verfügbar. Für Versuche ist von beiden etwas im Bestand.
Benötigt werden vier digital I/O PINs einer MCU zur Ansteuerung des Schrittmotors über den Treiberbaustein. Der Schrittmotor benötig für eine Umdrehung 200 Schritte. Das ist eine Auflösung von 1,8 °. Eine Ansteuerung in 1/2-Schritten ist möglich, so dass eine Auflösung von 0,9 ° zustande kommt.
Von Anschlag zu Anschlag werden bei AVS Römer Drosselventil 11 Umdrehungen benötigt.
Ergebnis
Auch mit dem Treiberbaustein L293D lässt sich das Drosselventil in den Endanschlag einfahren und wieder herausfahren. Es geht allerdings auch beim herausfahren Drehwinkel verloren.
Ausblick
- In einem Testaufbau am Boiler muss die Dichtheit im erreichbaren Endanschlag geprüft werden.
- Erstellung von Programmcode für die Ansteuerung via MATLAB®
Vergleich mit zuverlässigen Servoantrieb
Kosten Schrittmotor inkl. Elektronikmehrkosten - € 12,61
Kosten Linearservo (Kunststoffgetriebe) - € 13,60
Kosten Servo mit Metallgetriebe - € 13,60
Die Serveantriebe weisen allerdings nur einen begrenzten Verstellweg auf. Für die Adaption an die Servos müssen die modellbautypischen Arme verwendet werden.
Der Schrittmotor erscheint damit auch für das Ausschwenken des Entnahmerohr bei Espressomaschinen mit unten liegenden Tank als geeignet.