Tutorial zum Thema schrittmotoren

[Ostermann]

Hallo Helmut!

Ich will dein Tutorial nicht schlecht reden, aber ich denke du versuchst zu viel auf einmal zu erklären. Von den absoluten Basics (was ist ein Schrittmotor und wie funktioniert er grundsätzlich) bis zu speziellen Themen wie Wicklungsauslegung und Leistungsbetrachtung alles in einem Beitrag unterbringen zu wollen, stiftet am Ende mehr Verwirrung als es nützt. Ich merke das selbst bei meinen Blogbeiträgen [1], dass es sehr schwer ist, den Beitrag nicht zu lang werden zu lassen, obwohl ich mich dabei immer nur mit einem Teilabspekt des Schrittmotors beschäftige. Es hat schon seinen Grund, das andere Leute ganze Bücher zum Thema Schrittmotoren geschrieben haben.

Inhaltlich sind in deiner Darstellung dadurch einige Punkte zu ungenau bzw. oberflächlich dargestellt:

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!

Hier betrachtest du zum einen nur die elektrischen Verluste in der Wicklung, und nicht die mechanisch an der Welle abgegebene Leistung. Zum anderen stimmt die Rechnung natürlich nicht, weil dank der PWM des Stromreglers im zeitlichen Mittel eben keine 40V an der Wicklung anliegen. P=I²*R wäre hier die bessere Näherung, bleibt aber auch eine Näherung, weil ein quasistatisches Verhalten unterstellt wird (Vernachlässigung der Rotordrehung und der Schaltvorgänge). Nicht vergessen werden darf, dass sich durch die Änderung der Wicklung auch der Widerstand ändert.

Darüber hinaus ist auch die Drehmomentkonstante der beiden Motoren unterschiedlich, so dass eben nicht das 5-fache Moment erzeugt wird. Man muss sich nur mal die Kennlinien von Motoren aus einer Serie mit gleicher Größe mit unterschiedlichen Wicklungen ansehen[2]. Das Haltemoment variiert kaum, lediglich im oberen Drehzahlbereich gibt es Unterschiede.

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.

Das stimmt so nicht. So lange man den für die Parallelschaltung erforderlichen, höheren Strom bereit stellt, sind im unteren Drehzahlbereich beide Beschaltungen gleichwertig. Im mittleren bis oberen Drehzahlbereich hat die Parallelschaltung klar die besseren Eigenschaften. Anders sieht es beim Vergleich zwischen unipolarem (6 Litzen) und bipolarem Betrieb (4 Litzen) aus. Da gibt es tatsächlich Unterschiede beim erreichbaren Drehmoment.

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.

Hier überlagern sich eigentlich zwei Effekte:
Zum einen steht die Induktivität der Spule dem Stromanstieg bei den immer schneller werdenden Umpolvorgägen entgegen. Das ist erstmal unabhängig von der Rotordrehzahl und z.B. auch der Grund dafür, warum Motoren mit 0,9° Vollschrittwinkel bei gleicher Wicklungsauslegung langsamer sind als Motoren mit 1,8° Vollschrittwinkel.
Zum anderen gibt es beim Schrittmotor wie bei jedem anderen Motor auch eine induzierte Gegenspannung (EMK), die abhängig von der Drehzahl ist und dafür sorgt, dass die effektiv wirksame Spannung über der Wicklung mit steigender Drehzahl immer kleiner wird.
Beide Effekte zusammen führen dazu, dass man trotz der logaritmischen Darstellung der Kennlinie einen deutlichen "Knick" in der Kurve erkennen kann.

Mit freundlichen Grüßen
Thorsten Ostermann

[1] http://www.schrittmotor-blog.de/
[2] http://www.ostermann-net.de/electron..._kennlinie.htm

[oberallgeier]

Hallo Helmut,

eine hübsch vollständige Vorstellung Deines Projektes. Kennst Du die beiden Tutorials vom RoboterNetz-Wissen (Wiki) und von Mikrocontroller.net ?
http://www.rn-wissen.de/index.php/Schrittmotor
http://www.mikrocontroller.net/articles/Schrittmotoren

Mal meine einfache Frage: was ist an diesen (beiden) Tutorials schwach oder verbesserungswürdig? Du verwendest ja für Dein Tutorial auch vorhandene Zeichnungen. Praktischer fände jedenfalls ich es, wenn Du Dein Tutorial in ähnlicher Weise wie vorhandene in ein passendes Wiki einbindest - das machen wir hier viel und erfolgreich. Vorteil wäre dabei, dass auch andere ihren Senf dazu geben können und so eine ziemlich runde Wissensbasis entsteht. So ein Tutorial in Threadform ist ja nicht ganz so übersichtlich - ist auch nicht so gestaltbar - wie diese redigierbaren Wiki-Formen.

[Hellmut]

Sorry Leute, habe die letzten 2 Wochen im Krankenhaus verbracht und habe jetzt die Ehre einen Herzschrittmacher zu tragen. Eben viel Leidenschaft für Technik, so dass ich mir jetzt Hardware in den Körper habe operieren lassen.

Ganz kurz nur. Dieser Tutorial verfolgt mehrere Ziele:

1. Im Schiffsmodellbau, wo ich schwerpunktmäßig agiere ermöglichen Schrittmotoren ganz neue Lösungen und da muss ich bei den Lesern eben auch grundsätzliches schreiben.
2. Ich verwende die Komponenten von Trinamic und dort kann man mit der kostenlosen IDE und der bei Reichelt.de beziehbaren Karte "stepRocker" eine größere Anzahl Parameter "einstellen, was die Leistungsdaten und das Verhalten von Schrittmotoren ganz wesentlich beeinflussen, was ich mit Experimenten nachvollziehe. Dabei erarbeite ich mir das Wissen welche Wirkung diese Parameter haben.
3. Nichts hilft mehr ein Thema tiefer gehend zu verstehen, als der Versuch dieses zu erläutern. Deshalb sind die Tutorials auch für mich sehr wertvoll. Ich schreibe jede Version vom Tutorial neu.
4. Nicht ohne Grund habe ich als dieses Forum als letztes gewählt. Ich bin mir der profunden Kenntnisse der Mitglieder bewußt und bin mir sicher Fehler werden hier aufgedeckt, womit die Qualität meines Wissens steigt. Leider ist der Fortschritt beim Tutorial in diesem Forum durch meine Gesundheit beeinträchtigt. Schon vor der "Krise" mit einem Herzstillstand der so lang war, das im CT um die feinen Adern im Cortex die Ärzte Sauerstoffmangel registriert haben, aber dort keine Schäden feststellen konnten. Ich auch nicht, aber das würde ich in diesem Fall vermutlich selber kaum wahrnehmen. Jetzt trage ich seit 3 Tagen einen Herzschrittmacher und muss gerade die ersten 6 Wochen sehr aufpassen. Wenn meine Gesundheit es ermöglicht werde ich meinen jetzigen Erkenntnisstand bis Weihnachten in das Tutorial einpflegen und freu und danke Euch allen schon im voraus für das Aufdecken von Fehlern!

Es in der Art eines Wikipedia Eintrages zu machen verlangt zuviel Lernen in Bereichen die mit meinem Ziel meinen "schwimmenden Roboter" noch vor meinen Antritt an der Himmelspforte segeln zu lassen.

@oberallgeier: Ja ich kenne die beiden Tutorials und gerade deshalb beschreitet mein Tutorial Neuland, welches sich unmittelbar mit den Parametern befasst, welche bei Trinamic Komponenten beeinflussbar sind. Keiner dieser Tutorials beschäftigt sich mit diesen Parametern. Hier kann man sich in interesanten YouTube Videos von Trinamic einen Einblick verschaffen, es ist wirklich ein Quantensprung gegenüber dem Inhalt herkömmlicher Tutorials zu Schrittmotoren und erlaubt Dinge die gerade in Systemen mit Akkubetrieb, aber auch grundsätzlich einen hohen Nutzen bieten!

Nun auch noch eine Thrombose zu verkraften, war wieder 6 Tage im Krankenhaus!