Tutorial zum Thema schrittmotoren
Vor Jahren habe ich hier Fragen zum Thema Schrittmotoren und Schrittmotorsteuerung gestellt, da ich damals plante auf der Basis eines Schrittmotors eine Winde in einem Segelbootmodell zu ersetzen. Jetzt, Jahre später, habe ich einiges Wissen zum Thema Schrittmotoren mir erworben und habe in den entsprechenden Schiffsmodellbauforen dieses Wissen an Dritte weitergegeben. Nach der alten Weisheit, je mehr man weiß, desto mehr gibt es was man noch nicht weiß, habe ich klar vor Augen zu welchen weiteren bereichen ich mich noch vorarbeiten werden.
Gekauft habe ich mir damals die Schrittmotorsteuerung von Robotikhardware.de und war mit dieser hochgradig unzufrieden, da ich den für den bau der Winde vorgesehenen 3Nm drehmoment-Schrittmotor damit nicht zum laufen gebracht habe. natürlich zweifelt man und ich insbesondere dann zuerst an mir und so habe ich mich in die Tiefen des Internet zu noch nie vom Menschen besuchte Weiten begeben und mir dort einige Jahre später von der Familie zu Weihnachten die stepRocker karte von Trinamic gekauft, die man heute, wie auch andere Produkte der fabless Halbleiter Firma aus Hamburg bei reichelt.de kaufen kann.
Die Komponenten von Trinamic, insbesondere der Einsatz der stepRocker Karte in Verbindung mit der kostenlosen IDE von Trinamic, erlaubt im Experiment die Wirkung der vielfältigsten Parameter, welche den Betrieb eines Schrittmotors beeinflussen zu studieren. Unter anderem war dann klar warum mein Schrittmotor unter den Betriebsbedingungen der Schrittmotorsteuerung von Robotikhardware nicht funktionierte. der letzte Schritt der mich bewog mich mit meinen gewonnen Erkenntnissen der kritischen „Öffentlichkeit” der Experten in diesem Forum zu stellen, war bei der Rechersche vor dem Starten dieses Beitrages in diesem Forum der jetzt schon etwas ältere Beitrag von "Besserwessi" von etwa 1000 Schritten pro Sekunde ohne last und etwa 200 Schritte pro Sekunde oder 1 Hz Umdrehungen von 2008!
http://youtu.be/nopezWBlDL0
Die Entwicklung der Technik in der Steuerung von Schrittmotoren hat gerade bei Trinamic und in seinen Produkten niedergeschlagen, eine so gewaltige Entwicklung genommen, ja auch das Verständnis und die Steuerbarkeit der Parameter, welche den Betrieb eines Schrittmotors enorm stark beeinflussen hat enorm zugenommen, gerade unter dem Aspekt der Energieeinsparung beim Betrieb von Elektromotoren, welche durch ihre immense Stückzahl und durch ihre immer breiter Verwendung einen enormen Beitrag am Energieverbrauch und der Erzeugung von CO2 und der Belastung der Umwelt haben.
Aus diesem Grund stelle ich meinen Tutorial zu Schrittmotoren hier ein und hoffe auf zahlreiche Kritik, damit mein Halbwissen und vermutlich zahlreich vorhandenen Denkfehler hier aufgedeckt werden und ich so mein Wissen oder Unwissen in seiner Qualität verbessern kann!
Weiterhin möchte ich darauf hinweisen, dass ich dieses Tutorial so aufbaue, dass möglichst geringes Vorwissen angenommen wird und so auch jeder die Möglichkeit hat, falls er es wünscht mir zu folgen. Fragen sind erwünscht, Kritiken und Lobe werden auch dankbar genommen.
Das Video oben ist aus einem Experiment genommen, welches ich erst viel später im Tutorial verwenden werde, aber es soll im Lichte der Aussage des von mir sehr geachteten Experten Besserwessi von 2008, die enorme Entwicklung verdeutlichen! Weiterhin ist es so, dass ich die Querverbindungen zu meinem Hobby des Schiffsmodellbaues aufzeige, damit so hoffentlich deutlich wird, dass ein gut verstandener Schrittmotor enorme Möglichkeiten im Modellbau eröffnet!
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Ich mache mal weiter! ich möchte darauf hinweisen, dass ich zur Erläuterung in Form von Bildern gerne auf das hier im Forum verfügbare Material zurückgreifen möchte, sollten dafür Genehmigungen erforderlich sein, werde ich diese mir dann auch von wem auch immer erbitten.
Der Anfang ist trivial und wird, da hier auch schon bestens dokumentiert, kurz halten. Ich werde mich aber nur auf die bipolaren Schrittmotoren beschränken, da ich dort, aus meiner Beschäftigung mit den Trinamic-Produkten, am meisten berichten kann!
Ich fange damit am ein paar Bilder von Schrittmotoren zu zeigen, damit man weiß wovon ich spreche, damit man einen Blick für die Vielzahl der z. T. kostenlos zu bekommen Motoren erhält.
Bild hier
Dieses ist ein kleiner, 12 mm Durchmesser x 12 mm Höhe Schrittmotor der früher den Lesekopf eines CD-Laufwerkes bewegt hat. Leider verlangt die labile Wellenmontage im Motor entweder die im Bild aus dem Laufwerk stammende Wellenhalterung, oder etwas vergleichbares.
Bild hier
Hier ein aus meinem alten Canon Drucker stammenden Schrittmotor. Diese Motoren sind sogenannte Permanentmagnetmotoren, zu welchen die von Trinamic stammende Aufnahme, ich besitze die schriftliche Genehmigung von Trinamic ihre Bilder und Graphiken zu verwenden, ihre Vorzüge und nachteile kurz nennt:
Bild hier
Dann kommen die anderen häufig verwendeten Schrittmotoren, genannt hybride Schrittmotoren, da sie durch die Kombination zweier Schrittmotortechniken sowohl ein hohes Drehmoment, wie auch sehr feine Schrittauflösungen ermöglichen:
Bild hier
Es ist diese letztere Art der Schrittmotoren, welche besonders von den im folgenden beschriebenen Funktionen der Trinamic-Komponenten am meisten profitieren! NEMA ist eine weit verbreitete Gehäuseart, weiteres ist dem Bild zu entnehmen!
Bild hier
Dieser idealisierte sehr einfache Schrittmotor wird zur Erläuterung verwendet. Es zeigt einen einfachen bipolaren Schrittmotor mit den 2 Schaltkreisen, Phase A und Phase B, einmal in der Form eines Bildes, wobei hier die Welle durch eine Kompassnadel ersetzt wurde, rechts das Gleiche als Graphik mit der Kompassnadel und dem blauen Nordpol, und dem roten Südpol.
Jetzt ein Bild aus diesem Forum:
Bild hier
Eine der Fragen die sich personellen stellen, welche sich erstmals mit Schrittmotoren beschäftigen, z. B. weil sie gerade ihren alten Drucker kannibalisiert haben, ist was zum Teufel so viele Leitungen aus dem Motor kommen. Sonst kennen wir ja eigentlich nur 2 Leitungen, an welche wir eine Spannungsquelle anschließen und diese dann den Motor zum Drehen bringt. Nun ja, ganz so anders ist das bei Schrittmotoren eigentlich auch nicht, nur da es hier ein schrittmotor ist, ist die Folge eine andere! :)
Bild hier
Das Foto zeigt ein einfaches Experiment. Ich schließe die beiden Schaltkreise A und B an eine kleine Alkalibatterie an, bzw. trenne diese von den Schaltkreisen. versucht man dann die Welle des Schrittmotors zu drehen, erkennt man den Unterschied! Mit angeschlossener Batterie zeigt die welle einen Widerstand sich drehen zu lassen, mit getrennter Batterie ist ein deutlicher Unterschied festzustellen! Ein Schrittmotor macht Schritte und das Anlegen einer Spannung bewirkt, dass der Schrittmotor ein Drehmoment erzeugt, welches sich widersetzt, sollte man versuche die Welle zu drehen, man nennt es Haltemoment, und hier hat der schrittmotor fast sein größtes Drehmoment anzubieten.
Aber zurück zu der Graphik mit den diversen Konfigurationen der Schrittmotoren und der daraus resultierenden Anzahl der Kabel die aus dem Schrittmotor kommen. Verwendet man ein Multimeter und misst den Widerstand zwischen den diversen Kabeln die aus dem Motor kommt, so kann man, sollte man kein Datenblatt finden, die Kabel den Spulen und den Schaltkreisen zuordnen. Ansonsten gibt die Graphik eine Menge Detailinformation.
Hinweisen möchte ich auch auf ein weiteres Merkmal, welches hier im Forum schon häufig beschrieben wird, aber so wesentlich ist, dass ich es hier trotzdem noch kurz erwähne:
Was ist der "bessere Schrittmotor", wenn ich 2 Schrittmotoren gleicher Leistung vergleiche? Ich verwende zur Verdeutlichung gerne die Gleichung für die Leistung.
P [W] = U [V] * I [A]
Motor 1:
12 W = 6 VDC * 2 A
Motor 2:
12 W = 1,2 VDC * 10 A
Der bessere Motor zeichnet sich durch eine leistungsfähigere physikalische Realisierung aus. Hier kann der Motor 2 durch den Stromwert von 10 A einen deutlichen Hinweis geben. Ich habe die werte bewusst so extrem gewählt, damit der Unterschied deutlich wird!
Die im Datenblatt angegebenen Werte kann man Näherungsweise auch als die Werte nennen, wo die Erwärmung des Schrittmotors im Betrieb einen dauernden Einsatz ermöglicht und erlauben durch den einsatz der ohmschen Gleichung auch einen Rückschluss auf den statischen Innenwiderstand der Leitungen der beiden Schaltkreise im Motor, Phase A und Phase B! ich spreche von statischen Innenwiderstand deshalb, weil im Betrieb, wenn der Schrittmotor eine bestimmte von „0” verschiedene Schrittfrequenz ausgesetzt ist auch ein dynamischer Innenwiderstand hinzukommt, welcher ganz maßgebliche Auswirkungen auf den betrieb und die Leistungsdaten des Schrittmotors hat, hierzu mehr später!
Die an einen Schaltkreis angelegte Spannung führt zu einem Stromfluss, welcher durch den Innenwiderstand dieses Schaltkreises begrenzt wird.
I [A] = U [V] / R [R]
=> R = U / I
Wenden wir dieses auf unsere beiden gedachten Schrittmotoren an:
Motor 1:
R = 6 VDC / 2 A = 3 Ohm
Motor 2:
R = 1,2 VDC / 10 A = 0,12 Ohm
Wir dürfen vermuten, dass der Motor 2 Leitungen mit einem viel größeren Durchmesser hat und sich auch darin seine höhere physikalische Realisierung zeigt! Alle Schrittmotorensteuerungen besitzen eine Funktion zur Drosselung des Stromflusses, genannt PWM:
Bild hier
Hier eine Graphik die 4 verschiedene Einstellungen einer PWM zeigen. Die PWM funktioniert indem sie einen „Schalter” schaltet, welcher den Stromfluss erlaubt oder unterbindet. Mit Duty Cycle wird in Prozent in der Graphik der Zeitraum angegeben bei welcher der Strom fließen darf, bei 90% fast kontinuierlich, bei 10% wird der Stromfluss nur selten eingeschaltet. Diese Technik verwenden praktisch alle Komponenten für die Steuerung von Schrittmotoren zur Begrenzung des Stromflusses! Warum?
Erinnern wir uns daran, dass der maximale Stromfluss der auf dem Typenschild oder/und im Datenblatt angegeben wird jener ist, bei welchem die Erwärmung des Motors und seiner „Innereien” innerhalb der zulässigen Grenzen bleibt. Erinnern wir uns an die Kindheit und die alte Carrera Rennbahn. Haben wir die Versorgungsspannung erhöht, so wurden die Autos schneller, aber der Motor gab dann viel eher den Geist auf, er wurde zu heiss! Auf unseren Schrittmotor angewendet, halten wir den maximalen Strom auch dann ein, wenn wir eine höhere Spannung anlegen, so vermeiden wir eine übermäßige Erwärmung des Motors! Wenden wir dieses nun auf die Gleichung für die Leistung bei beiden Motoren an und nehmen wir als Versorgungsspannung den Wert meiner 12S1P LiFePO4 Akkus in meinem Modell an!
P = U * I
Nach Typenschild:
Motor 1: P = U * I = 6 VDC * 2 A = 12 W
Motor 2: P = U * I = 1.2 VDC * 10 A = 12 W
Bei 40 VDC:
Motor 1: P = U * I = 40 VDC * 2 A = 80 W
Motor 2: P = U * I = 40 VDC * 10 A = 400 W
Motor 2 kann also jetzt die 5-fache Leistung liefern, also das 5-fache Drehmoment vom Motor 1, aber mehr als die 33-fache Leistung als nach der Typenschildangabe. Da dieses verfahren allgemein bekannt ist, geben Schrittmotorhersteller auch schon gelegentlich einen Betrag für die höchste zulässige Spannung an, da natürlich auch hier Betriebsgrenzen des Motors erreicht werden können!
Bei Schrittmotoren mit 8 Kabeln z. B., der im Video gezeigte Schrittmotor ist ein solcher, kann man die Spulen parallel oder in reihe schalten, so dass man so auf die 4 Anschlüsse für den Motor einer Schrittmotorsteuerung kommt. Ich habe mich wegen des stabileren Verhaltens im Betrieb für das Parallelschalten entschieden, bei Reihenschaltung kann ein größeres Drehmoment erzielt werden.
Gehen wir aber weiter mit den Grundlagen zum Schrittmotor:
Bild hier
Mir gefällt an der hier gezeigten Graphik, gerade in Kombination mit der nächsten Graphik, das man aus dieser bei weiteren Fragestellungen bildlich sich mehr vorstellen kann.
Bild hier
Beide Graphiken zeigen unseren einfachen idealisierten Schrittmotor mit nur 4 Vollschritten pro 360° Umdrehung, wie er seine 4 schritte vollzieht und so eine volle 360° Umdrehung als Folge der 4 schritte vollzieht! Die erste Graphik zeigt farblich wie durch die angelegte Spannung an den Phasen A und B die Flussrichtung des Stromes ist, wie sich die beiden magnetischen Pole jeder Spule ergeben und wie die Kompassnadel sich dann jeweils einen Schritt weiter so dreht, dass diese ihren magnetischen Nord-. bzw. Südpol dort hat, wo der andere Pol, durch die Spulen erzeugt, sein Maximum hat! gerade aus der 2. Graphik ist zu sehen, dass für Vollschritte nur die Polung der Versorgungsspannung jeweils so an die Phase A oder B angelegt erfolgt, wie es für die gewollte Schrittposition benötigt wird.
Hier können nun einige Informationen zusätzlich gegeben werden:
Ein Schrittmotor nimmt, durch die Polung der angelegten Spannung, später auch durch den Betrag des durch den Schaltkreis fliessenden Stromes bestimmt, eine ganz bestimmte Schrittposition ein! Ein Schrittmotor „kennt” also seine Schrittposition! Ich nutze diese Eigenschaft des Schrittmotors für meine Schotsteuerung, wo ich den im Video gezeigten Schrittmotor einsetze. davon vielleicht später mehr!
Ein Leser meines Tutorials in spanischer Sprache, er verwendet Schrittmotoren in großer Zahl seit Jahren im Büro, charakterisierte seine Kenntnis über Schrittmotoren so, dass es solche sind, die sehr heiß werden und wo er sich schon mehrmals den Unterarm daran verbrannt hatte! Ich kann nur sagen kein Wunder, da Schrittmotoren häufig immer mit „Vollgas” eingesetzt werden, also immer mit dem maximalen zulässigen Strom, welcher im Allgemeinen durch einen Widerstandswert in der Schaltung bestimmt wird. Das kann bei den Komponenten von Trinamic anders sein, Stichworte hier „StallGuard" und „Coolstep”. Hierdurch kann der Schrittmotor mit „angepasstem Gas” betrieben werden, ja sogar kurzfristig das Drehmoment auf 120% erhöht werden, ohne das Schrittfehler häufiger als üblich werden, ja eigentlich sogar unwahrscheinlicher, aber überwacht, ohne externe Sensoren! Um das zu vermitteln, muss ich aber, dass ist ein Ziel des Tutorials, die Grundlagen erklären!
Zu guter Letzt dieses Beitrages jetzt, eine kurze Einführung zu den dynamischen Widerständen und warum diese dazu führen, dass Schrittmotoren ihren fast größten Drehmoment als „Haltemoment” aufweisen und das das vom Schrittmotor bereitgestellte Drehmoment umso geringer wird, je höher die Schrittfrequenz ist, also umso schneller der Schrittmotor dreht, weshalb Schrittmotoren nicht für solche Anwendungen geeignet sind, wo eine hohe Drehzahl gefordert wird!
Bild hier
Dieser Graph zeigt das Drehmoment für einen in der Graphik angegebenen Schrittmotor bei einer festen Versorgungsspannung. Grund für dieses Verhalten sind die induzierten Spannungen in den Spulen. Erinnern wir uns an den Physikunterricht in der Schule. Eine induzierte Spannung entsteht in einer Spule, wenn der Betrag der angelegten Spannung sich verändert. Diese induzierte Spannung hat eine Polarität, welche der angelegten Spannung entgegengesetzt ist und wird umso größer im Betrag, je schneller eine Spannungsänderung an der Spule erfolgt. Erhöhe ich also die Schrittfrequenz, siehe Graph, erhöht sich der Betrag der induzierten invertierten Spannung, wodurch aus der Summe der beiden Spannungen eine immer kleinere resultierende Spannung ergibt. Da das Drehmoment proportional zur Leistungsabgabe des Schrittmotors ist, wird auch der Betrag des erzeugten Drehmoments immer geringer, bis er zum Verschwinden des Drehmoments führt. Schon viel früher kommt der Schrittmotor aus dem „Tritt” und der allseits bekannte Effekt des vibrierenden, Krach machenden aber nicht drehenden Schrittmotors entsteht! Genau hier ist es wichtig die Gründe zu verstehen, die Einstellungen der Parameter zu finden, welche der dem Schrittmotor gestellten Aufgabe am besten entspricht. Hier ermöglicht die kostenlose IDE von Trinamic wahre Wunder mit einer graphischen GUI und dem bei Reichelt erhältlichen stepRockerkarte und einem Schrittmotor wie im Video die Parameter kennenzulernen, ihre Wirkung zu studieren und die für die geplante Anwendung besten Einstellungen zu finden.
Um hier die Verbindung mit meinem Modell zu verdeutlichen:
Bild hier
Es geht bei meinem Modell um einen Segler, wo ich als Fernziel habe diesen einen Regattakurs eigenständig zu fahren und um welchen herum ich meine Arbeiten ausrichte. Der Weg ist das Ziel! Ich möchte die Schotsteuerung wie im Bild aus dem original aus dem Anfang des letzten Jahrhunderts realisieren. Bei den Abmessungen meines Seglers und der Segel ist hierfür ein Verstellweg der Schot con 8,4 Meter, also 8400 mm notwendig. Die üblichen Verfahren wie Flaschenzug und große Trommeln führen zu einem Verlust des Drehmoments, weshalb auch wirklichkeitsnahe Modelle für das Fahren auf eine einfache Schotführung zurückgreifen.
Bild hier
Bild hier
Ich mache mir mehrere Besonderheiten von Schrittmotoren zu nutze und diese 8400 mm Schotverstelllänge mit geringstem Drehmomentverlust zu erreichen. Einerseits die Positionsinformation, dazu an anderer Stelle später mehr, und die tatsache, das bei geringerer Schrittfrequenz das vom Schrittmotor bereitgestellte Drehmoment höher ist. Ich verwende die im Rohbau zu sehende Trommel
Bild hier
die auf der Lauffläche der Trommel einen Umfang von 400 mm haben wird. Damit können die 8400 mm in nur 21 Umdrehungen erreicht werden, was langsame Schrittfrequenzen ermöglicht.
