Archive for the ‘Allgemein’ Category

Stromregler als Ursache für Positionierfehler im Mikroschritt

Sonntag, September 4th, 2016

Schrittmotor-Treiber ICs werden immer leistungsfähiger, kleiner und preiswerter. Mikroschrittauflösungen von 1/16 oder 1/32 sind heute bereits Standard, Auflösungen bis 1/256 eines Vollschritts sind ebenfalls verfügbar. Dass diese höhere Auflösung nicht mit der erreichbaren Positioniergenauigkeit gleichzusetzen ist, wurde hier bereits im Beitrag „Die Bedeutung des Lastwinkels bei Schrittmotoren“ diskutiert. Neben den mechanischen Einflüssen wie der angetrieben Last und der Fertigungsqualität des Schrittmotors gibt es aber einen weiteren, nicht zu unterschätzenden Einflussfaktor: Die Schrittmotorsteuerung selbst.

In verschiedenen Foren zu den Themen 3D-Druck und low-cost CNC finden sich Hinweise, dass es speziell bei einigen mit A4988 oder DRV8825 bestückten „Shields“, z.B. von Pololu und deren Nachbauten (z.B. StepStick), Genauigkeitsprobleme bei langsam laufenden Motoren gibt. Dabei scheint der Motor einen Mikroschritt auszulassen bzw. zu überspringen. Besonders kleine Motoren mit niedrigen Strömen sind für diesen Effekt anfällig. Eine kontroverse Diskussion dazu findet sich z.B. im deutschen Teil des Reprap-Forums unter dem Titel „A4899 / DRV8825 Decay Hack“ (Achtung, Zahlendreher im Thread-Titel. Richtig ist A4988!). Ein übersprungener 1/16-Schritt scheint auf den ersten Blick kein großes Problem zu sein. Der dabei entstehende Winkelfehler beträgt lediglich 0,1125°, was besonders bei mechanisch einfachen Aufbauten wenig erscheint. Wie sehr sich dieser Fehler z.B. beim 3D-Druck auf die Oberflächen-Qualität auswirken kann, zeigt das Beispiel des Reprap-Users „lukie80“ aus o.g. Diskussion. Anhand der gedruckten Musterbeispiele erkennt man deutlich den Einfluss der Treiber-Einstellungen auf die Bauteilqualität, wenn der Extruder von einem Treiber angesteuert wird, der das hier besprochene Problem aufweist.

Durch Mikroschritt-Abweichungen verursachte Artefakte beim 3D-Druck [Quelle: Reprap-Forum, user

Durch Mikroschritt-Abweichungen verursachte Artefakte beim 3D-Druck [Quelle: Reprap-Forum, user „lukie80“]

Was ist nun eigentlich die Ursache für dieses Problem? Vereinfacht gesagt schafft es das Treiber-IC nicht, den Wicklungsstrom in der Nähe des Nulldurchgangs fein genug zu regeln. Der für den ersten Mikroschritt nach dem Nulldurchgang nötige geringe Strom fällt dadurch zu hoch aus, so dass der Motor bereits beim ersten Mikroschritt weiter dreht als eigentlich gewünscht. Beim nächsten Mikroschritt fällt die Bewegung entsprechend kleiner aus. Neben der Positionsabweichung kann der ungleichmäßige Lauf auch zu störenden Geräuschen und Vibrationen der angetrieben Mechanik führen. Allegro MicroSystems weist im Datenblatt des A4988 explizit auf diese Problematik hin und liefert gleich eine mögliche Lösung mit. Einen Hinweis darauf gab es bereits 2012 im Blog von Hydraraptor. Die dort diskutierte Verlängerung der Ausschaltzeit t_off führt dazu, dass der Stromregler so langsam wird, dass er im hörbaren Bereich arbeitet. Beim A3977 oder dem in der Tiny-Step II verwendeten Nachfolger A3979 kann dagegen über ein RC-Glied auch die minimale Einschaltzeit (und die Dauer der Fast-Decay Phase) beeinflusst werden, wodurch die Schaltfrequenz höher ausfallen kann und der Effekt abgemildert wird.

Abweichung vom Stromsollwert nach dem Nulldurchgang bei Slow-Decay [Quelle: Datenblatt A4988].

Abweichung vom Stromsollwert nach dem Nulldurchgang bei Slow-Decay [Quelle: Datenblatt A4988].

Ob dieses Problem auftritt, hängt also davon ab, welche Art der Stromregelung das verwendete IC in welcher Phase benutzt. Moderne Treiber-ICs unterstützen verschiedene Betriebsarten der Stromregelung (Slow-, Mixed- und Fast-Decay) und müssen vom Schaltungsentwickler entsprechend auf den jeweiligen Motor angepasst werden. Bei der Entwicklung universell einsetzbarer Schrittmotorsteuerungen (die also nicht für einen konkreten Motor entwickelt werden), muss ein geeigneter Kompromiss zwischen den Vor- und Nachteilen der verschiedenen Betriebsarten gefunden werden. Eine nachträgliche Anpassung durch den Anwender ist in der Regel nicht vorgesehen und würde viele Benutzer wohl auch überfordern. Beim L297 konnte man den Effekt beim Wechsel von slow decay auf fast decay (dort noch Phase bzw. Inhibit chopping genannt) leicht durch Ausprobieren herausfinden, z.B. auf der 3D-Step durch Änderung des Jumpers „MODE“. Heutige Treiber unterstützen deutlich mehr unterschiedliche Einstellungen, die z.T. durch Anpassen von Bauteilwerten justiert werden müssen. Die Unterschiede im Regelungsverhalten treten außerdem nicht mehr so deutlich zu Tage wie beim L297.

Bei den Motorshields mit A4988 und DRV8825 wurden die Hinweise in den Datenblättern offenbar übersehen, nicht verstanden oder aus anderen Gründen nicht umgesetzt. Im Blog von Cabristor findet sich eine Problemanalyse zum Thema. Als Abhilfe-Maßnahme werden dort zusätzliche Dioden in den Zuleitungen zum Motor eingesetzt, was aber entsprechende Verluste in den Dioden verursacht, die effektiv an der Wicklung liegende Spannung reduziert und somit letztlich die Dynamik des Motors reduziert. Wirksamer ist unter Umständen eine Anpassung direkt auf dem Motorshield. Anwendern der betroffenen Module bleibt damit die Möglichkeit, selbst zum Lötkolben zu greifen und die Shields zu patchen, wie es auch im Reprap-Forum beschrieben ist. Beim A4988 muss der Pin ROSC auf Masse (GND) gelegt werden, um Mixed-Decay auch in Phasen des Stromaufbaus zu aktivieren. Diesen Betrieb unterstützt der DRV8825 nicht. Es bleibt nur die Möglichkeit, vollständig auf Fast-Decay umzuschalten, indem Pin19 (DECAY) auf +5V gezogen wird. Nachteil ist ggf. ein höheres Betriebsgeräusch der Motoren durch den höheren Ripple-Anteil im Motorstrom. Bei offenem Pin arbeitet der Treiber zwar mit Mixed-Decay, allerdings nur in Phasen in denen der Strom abgebaut werden soll.

Inzwischen sollen Motorshields mit den genannten Treibern erhältlich sein, die bereits entsprechend geändert sind. Ob die Änderungen für größere Schrittmotoren ebenfalls optimal sind, muss man im Zweifelsfall ausprobieren. Bei Motor-Treibern mit Konfigurationsmöglichkeit über eine digitale Schnittstelle (wie SPI oder I²C) bieten sich je nach konkreter Realisierung der Schrittmotorsteuerung auch für den Endanwender Möglichkeiten, den Treiber an den verwendeten Motor anzupassen. Bei ICs mit externer H-Brücke bzw. externen FETs kann sogar das Zeitverhalten der H-Brücke angepasst werden. Interessante Konfigurationsmöglichkeiten bietet z.B. der DRV8711 von TI, den ich auf meinem neuen Schrittmotor-Treibermodul smOOver.drv einsetze. Durch die guten Einstellmöglichkeiten ergibt sich bei optimaler Anpassung auf den verwendeten Motor ein besonders weicher und ruhiger Motorlauf.

Schrittmotor-Blog als Top-Ingenier-Blog ausgezeichnet

Mittwoch, März 16th, 2016

Mein Blog auf Schrittmotor-blog.de wurde als hilfreicher Ingenieurs-Blog ausgezeichnet. Die Auszeichnung wird im Rahmen der Initiative „Top Ingenieur-Blogs“ von der Firma Walcher GmbH & Co KG vergebenen, die im Bereich Wasserkraft und regenerative Energien tätig ist. Vielen Dank für die Auszeichnung meiner Arbeit!

Resonanzen mal anders – Musizieren mit Schrittmotoren

Freitag, Juni 21st, 2013

Normalerweise sind Resonanzen bei Schrittmotoren unerwünscht. Man kann sich Resonanzeffekte aber auch zu Nutze machen.

Durch das schrittweise weiterschalten des Rotors im Schrittmotor wird die umgebende Mechanik (einschließlich des Stators) zum Schwingen angeregt. Dieser Effekt tritt im Vollschritt Betrieb besonders deutlich auf. Die dabei erzeugten Frequenzen sind abhängig von der Drehzahl des Motors. Die Grundschwingung entspricht der Taktrate, also der Anzahl der Vollschritte pro Umdrehung. Variiert man die Ansteuerung des Motors geschickt, lassen sich mit dem Motor Melodien abspielen. In gewissen Grenzen kann man sogar die Amplitude dynamisch anpassen, wenn man den Phasenstrom variiert.

Einige ausgewählte Beispiele die ich besonders interessant finde habe ich in der nachfolgenden Linksammlung zusammen gestellt:

James Bond theme – 8-stimming mit Diskettenlaufwerken

Smoke on the waters – 8-stimming mit Diskettenlaufwerken

Starwars imperial march

Nochmal imperial march – 8-stimmig und mit Backlight

Depeche Mode – Enjoy the silence

Tetris auf einer CNC-Maschine

Spiegel Online über Musik mit CNC-Fräsen:
http://www.spiegel.de/netzwelt/web/maschinenmusik-so-krass-roehrt-die-cnc-fraese-a-620661.html

Ausgewählte Eindrücke von der SPS/IPC/Drives

Sonntag, Dezember 2nd, 2012

In diesem Artikel stelle ich einige ausgewählte Eindrücke von der diesjährigen SPS/IPC/Drives vor. Die SPS ist die weltweit größte und bedeutende Messe für Automatisierungs- und Antriebstechnik und findet jährlich in der letzten Novemberwoche in Nürnberg statt. Da ich mich vorwiegend mit dem Thema Antriebstechnik beschäftige, interessiert mich natürlich der „Drives“-Teil der Messe am meisten…

Wer schon immer mal wissen wollte, wie ein Planetengetriebe funktioniert, oder Schwierigkeiten mit der räumlichen Vorstellung der Zahnradbewegungen hat, für den könnte das folgende Video hilfreich sein. Gesehen auf dem Stand der Firma Framo Morat in Halle 1.

Planetengetriebe

Einen interessanten Einblick gewährte der aufgeschnittene EC-Servomotor (die man übrigens auch als BLDC-Motor bezeichnet) auf dem Stand der Firma Ott Antriebstechnik in Halle 1. Von links nach rechts zu sehen: Getriebe, Motor-(wicklung), Haltebremse, Leistungselektronik, Encoder.

Geöffneter BLDC-Motor mit Getriebe und Encoder

Einblick in einen EC-Servomotor

Eine etwas andere Messedemo mit hohem Aufmerksamkeitswert gab es in Halle 3 am Stand der Firma Stöber Antriebstechnik zu sehen. 30 über Servomotoren angetriebene Zahnstangen formen einen „mechanischen“ Spektrumanalyser. Über den Nutzwert eines solchen Aufbaus eines solchen Aufbaus kann man sicherlich streiten, allerdings ist das für eine Messedemo mal eine erfrischende Abwechslung zu den üblichen 2-5 synchronisierten Antrieben, die kollisionsfrei miteinander interagieren.

Spektrumanalyser

Am 28.11. um 17 Uhr wurde am Stand des Vogel-Verlages der erste App-Award für die Automatisierungstechnik vergeben. In drei Kategorien „Corporate“, „Katalog“ und „Technik“ wurde die jeweils beste App ausgezeichnet. Neben dem Votum der Jury fand im Vorfeld ein Leservoting statt, außerdem wurden die Bewertungen in den Appstores berücksichtigt. eDrives, die App zur Antriebsauslegung, konnte sich im Leservoting gegen die durchaus namenhafte Konkurrenz durchsetzen. Leider reichte es in der Kategorie Technik trotzdem nicht ganz für den Sieg, die App von National Instruments hatte in den Augen der Jury die Nase vorn.

App-Award der Elektrotechnik.

Besichtigung der Motorenfertigung bei Schneider Electric in Lahr

Donnerstag, September 27th, 2012

Ich hatte letzte Woche die Gelegenheit, die Motorenfertigung bei Schneider Electric in Lahr (ehemals Berger Lahr) zu besichtigen. Berger Lahr entwickelte 1958 den ersten Schrittmotor [1]. Heute werden Schrittmotoren fast ausschließlich in Asien produziert. Umso erstaunlicher ist es, dass in Lahr auch heute noch 3-phasige Schrittmotoren hergestellt werden. Die Fertigungstiefe dürfte über die Jahrzehnte allerdings etwas abgenommen haben. So werden die Blechstanzteile für die Statorpakete nicht mehr in Lahr hergestellt, dort allerdings noch zusammengesetzt und verbacken. Leider war es in der Produktion nicht erlaubt, Fotos zu machen (mit einer Ausnahme, siehe unten). Daher kann ich die Maschine, auf der die Motorwicklungen in den Stator eingebracht werden, hier leider nicht zeigen.

Auch wenn Lahr die Wiege des Schrittmotors ist, werden dort inzwischen überwiegend Servomotoren in allen Leistungsklassen gefertigt. Auch hier ist die Fertigung auf die wesentlichen Schritte beschränkt worden, um wettbewerbsfähig bleiben zu können. Statorgehäuse, Wicklungspakete und elektrische Anbauteile (Bremsen, Drehgeber) sowie Lager und andere mechanische Teile werden zugeliefert. Trotzdem bleiben genügend interessante Prozessschritte übrig, z.B. das Einschrumpfen der Wicklungskörper in das Statorgehäuse, das anschließende Vergießen der Wicklung, das Lackieren der Gehäuse und die Endmontage. Im Bereich der Endmontage durfte ich dann noch ein Bild machen. Zu sehen sind hier einige Servomotoren in größerer Bauform vor dem Einbau des Rotors in den Stator:

Links: Die Rotoren mit Permanentmagneten (unten) sowie vormontierter Bremse, oben ist der Sitz für den Encoder vorbereitet. Rechts: Statorgehäuse, im Inneren sind die Weicheisen-Füße des Wicklungsträgers zu erkennen, die das elektrische Feld zum Rotor leiten.

[1] Geschichte von Berger Lahr, Webseite Schneider Electric

Experten für Antriebstechnik treffen sich in Nürnberg

Sonntag, November 20th, 2011

In wenigen Tagen ist es wieder soweit: In Nürnberg öffnet mit der SPS/IPC/Drives die wohl größte und bedeutendste Fachmesse für Antriebstechnik und Industrieautomatisierung ihre Pforten. Vom Schrittmotor bis zum Lineardirektantrieb, von der I/O-gesteuerten Lösung bis hin zu den diversen Echtzeit-Feldbussen, sowie von der klassischen SPS bis hin zu modernen, PC-basierten Systemen ist alles vertreten. Auf dem parallel stattfindenden Kongress trifft sich das Who-is-Who der Branche, um über die neusten Entwicklungen und Trends zu diskutieren. Doch neben den Großen der Branche findet man auf der SPS auch viele kleine aber innovative Unternehmen. Es lohnt sich also, schon vorab einen Blick in das Ausstellerverzeichnis zu werfen und den Besuch gut zu planen. Seit diesem Jahr bietet die Messegesellschaft dazu einen interaktiven Hallenplan, auf dem man sich die interessanten Messestände markieren kann.

Die Stimmung auf der Messe ist immer ein guter Indikator für das folgende Geschäftsjahr. So stand die Messe 2009 unter dem Eindruck der Wirtschaftskrise, während man letztes Jahr wieder sehr optimistisch nach vorn blickte. Ich für meinen Teil bin gespannt, wie die Stimmung dieses Jahr ausfällt. Die Anzahl der Aussteller und die zusätzlich belegten Hallen sind jedenfalls als positive Anzeichen zu werten.

Made in China – Hauptsache billig oder was?

Mittwoch, Juni 29th, 2011

Anläßlich des aktuell stattfindenden deutsch-chinesischen Gipfeltreffens in Berlin (oder sollte man besser sagen: der Handelmesse für DAX-Riesen) erinnere ich mich an eine SWR-Reportage zu den Arbeitsbedingungen in der chinesischen Elektroindustrie. Wie es im die Menschenrechte in China bestellt ist, sollte jedem politisch nur minimal interessierten Menschen klar sein. Wie die Arbeitsbedingungen konkret aussehen, war mir aber z.B. im Detail nicht klar. Welche Schlüsse man daraus zieht, bleibt jedem selbst überlassen. Ein völliger Verzicht auf Elektronik „Made in China“ dürfte ohnehin unmöglich sein, da in vielen Bereichen inzwischen fast ausschließlich in China produziert wird. Wo man aber die Wahl hat, sollte man vielleicht überlegen, ob man einem Produkt aus europäischer Produktion nicht den Vorzug gibt, auch wenn es vielleicht ein paar Prozent mehr kostet. Dafür hat man dann z.B. bei Problemen auch einen Ansprechpartner vor Ort.

SWR-Reportage ‚Hauptsache billig‘, Teil 3 bei YouTube

SWR-Reportage ‚Hauptsache billig‘, Teil 4 bei YouTube

Ergänzend dazu ein Bericht über den Gipfel bei Spiegel Online. Klar, dass Menschenrechte nur am Rande erwähnt werden, wenn man große Geschäfte machen will.

Die anderen Teile der Reportage sind übrigens auch interessant. Dort geht es um den Gemüseanbau in Portugal für Penny und die Textilherstellung für Lidl in Bangladesh…

Willkommen im Schrittmotor-Blog

Freitag, April 8th, 2011

Willkommen im ersten unabhängigen Blog rund um den Schrittmotor. Ich möchte in diesem Blog meine Erfahrungen zum Thema Schrittmotoren teilen, die ich in den über 15 Jahren gesammelt habe, seit ich mich mit Schrittmotoren beschäftige. Ich hoffe, dass ich dabei eine gute thematische Mischung finde. Mit allgemeinen Informationen für Einsteiger in das Thema auf der einen Seite, sowie technischen Details und Problemlösungen auf der anderen Seite, die auch aus meiner Praxis als Geschäftsführer der mechapro GmbH stammen. Wenn es eine Fragestellung gibt, die Sie besonders interessiert, freue ich mich über eine Nachricht von Ihnen!

 

Mit freundlichen Grüßen, Ihr

Dipl.-Ing. Thorsten Ostermann