Mit ‘Spannung’ getaggte Artikel

Betrachtungen zur Leistung von Schrittmotoren

Montag, 06. Juni 2011

Da mich immer wieder Anfragen zur Auslegung von Netzteilen für Schrittmotor-Steuerungen erreichen, habe ich vor einigen Jahren angefangen, mich etwas intensiver mit dem Thema auseinander zu setzen. Eine Anfrage bei verschiedenen Herstellern von Schrittmotoren, wie denn die Leistungsaufnahme von Schrittmotor und –Endstufe zu berechnen sei, stieß überwiegend auf Achselzucken. Die einzigen Aussagen zum Thema waren, dass so etwas normalerweise nicht berechnet, sondern in der jeweiligen Anwendung gemessen würde. Das mag für Serienanwendungen sicherlich die einfachste Lösung sein. Für den Sondermaschinenbauer, der nur eine Anlage baut, ist diese Herangehensweise aber nicht befriedigend. Und selbst für die Serienanwendung ergibt sich der Nachteil, dass man zunächst den Aufbau eines Prototypen abwarten muss. In Zeiten, wo möglichst das gesamte Anlagenverhalten schon vor dem Abschluß der Konstruktion simuliert werden soll, stellt sich also die Frage, ob es eine theoretische Herangehensweise an das Problem gibt. Wie ich nach einiger Beschäftigung mit dem Thema feststellen musste, ist eine exakte Berechnung von Leistungsaufnahme oder abgegebener mechanischer Leistung tatsächlich alles andere als trivial. Es lassen sich aber durchaus Abschätzungen treffen. Da die Materie so komplex ist, werde ich dem Thema in nächster Zeit mehrere Beiträge widmen. Im ersten Teil möchte ich zunächst einen allgemeinen Überblick geben.

Eine häufig getroffene Annahme von meinen Kunden zur Netzteilauslegung sieht etwa so aus: Strom pro Phase * 2 Phasen pro Motor * Anzahl der Motoren = Gesamtstrom. Das führt dann dazu, dass in einer Anlage mit 4 Motoren a 2A Phasenstrom ein Netzteil mit 16A Nennstrom bei 40V, also stolzen 640VA eingeplant wird. Bei größeren Motoren mit höheren Strömen würde das Netzteil entsprechend noch dicker ausfallen. Das ein einzelner Nema23 Motor (Flanschmaß 56mm, Länge 76mm) keine 160W Dauerleistung umsetzen kann, sollte aber schon auf den ersten Blick klar sein. Ein entsprechender Gleichstrommotor hat bei vergleichbarer Leistung bereits einen Durchmesser von 83mm bei 167mm Länge, z.B. der Engel GNM 5440E

Tatsächlich darf man die Ströme der Motoren nicht einfach addieren, da stromgeregelte Endstufen ähnlich wie Schaltnetzteile arbeiten. Die PWM sorgt für ein ständiges Ein- und Ausschalten der Wicklung, wodurch tatsächlich nur in einem kleinen Intervall Strom vom Netzteil in die Wicklung fließt. Für den statischen Fall (also n=0, d.h. der Motor dreht sich nicht), könnte man über das Verhältnis von Versorgungsspannung zu Motor Nennspannung auf das Einschaltverhältnis schließen. Bei einem Motor mit 4V Nennspannung dürfte die Wicklung bei 24V Betriebsspannung also nur 1/6 der Zeit eingeschaltet sein. Entsprechend würde der Strom vom Netzteil nur 1/6 des Nennstroms betragen. Tatsächlich kommt man mit dieser groben Näherung nicht weit, weil man die Verluste in der Endstufe vernachlässigt und im Allgemeinen auch keinen Motor benötigen würde, wenn er sich nicht auch drehen sollte. Man sieht aber bereits hier, dass der Strom vom Netzteil wohl niedriger sein muss als die Summe der Phasenströme.

Funktionsweise der PWM-Stromregelung

Funktionsweise der Stromregelung mittels PWM. CH1: Spannung an einem Wicklungsende (gegen Masse gemessen), CH3: Motorstrom über LEM-Wandler gemessen (0,6V/1A Phasenstrom). Einschaltzeit: ca. 25%

Betrachtet man die Situation etwas systematischer, wird klar, dass man die Netzteilauslegung nur über die erforderlichen Leistungen machen kann. Die Gesamtleistung für den Antrieb setzt sich wie folgt zusammen:

Ptotal=PV,End+PV,Mot+PMech

Dabei sind PV,End die Verluste in der Endstufe (z.B. Spannungsabfall an den Leistungstransistoren), PV,Mot die Verluste im Motor (Kupferverluste) und PMech die mechanisch abgegebene Leistung. Bevor ich weiter ins Detail gehe (und den Beitrag unnötig in die Länge ziehe) zunächst mal ein paar Ergebnisse aus der Praxis. Die theoretischen Überlegungen spare ich mir dann für den nächsten Teil. Für den Praktiker reichen u.U. schon die nachfolgend angestellten Überlegungen.

Als Beispielmotor wird nachfolgend der KH56QM2-951 von Nidec Servo (früher Japan Servo) verwendet. Das Datenblatt finden Sie hier: Motor-Datenblatt KH56QM2-951

KH56QM2 Drehmoment Kennlinie

Drehmoment Kennlinie KH56QM2-951. Die Pulse-Rate geteilt durch 200 ergibt die Drehzahl U/s.

Aus dem Nennstrom von 2A und dem Wicklungswiderstand von 2R lassen sich die Motorverluste nach P=I²*R*2 (Faktor 2 wegen der 2 Wicklungen) zu insgesamt 16 Watt abschätzen, wenn man annimmt, dass die Wicklungen tatsächlich konstant mit 2A bestromt werden. Spätestens bei höheren Drehzahlen ist diese Annahme nicht mehr gültig und der Motorstrom fällt deutlich niedriger aus.

Die mechanisch abgegebene Leistung kann man aus der Drehzahl-Drehmoment Kennlinie im Datenblatt zurückrechnen. Hier gilt: PMech=2*π*n*M (Achtung, n in 1/s einsetzen!). Leider ist die Kennlinie vom KH56QM2 linear und nicht logarithmisch über die Drehzahl aufgetragen. Das Fehlen von Peaks (=Resonanzen) deutet außerdem darauf hin, dass die Werte nachträglich geglättet wurden. So lassen sich für Drehzahlen <2,5U/s leider keine brauchbaren Werte ablesen. Bei 5U/s kann man eine mechanisch abgegebene Leistung von ca. 25 Watt ermitteln. Diese Werte gelten natürlich nur unter den Bedingungen, unter denen die Kennlinie aufgenommen wurde. Insbesondere eine Variation der Versorgungsspannung führt zu deutlich abweichenden Verhältnissen. Höhere Spannungen ergeben mehr Drehmoment im oberen Drehzahlbereich und damit auch mehr abgegebene Leistung.

Die Verlustleistung der Endstufe soll zunächst über eine Messung größenordnungsmäßig abgeschätzt werdeb. Hierzu habe ich den Motor an zwei verschiedenen Endstufen betrieben und den Strom vom Netzteil gemessen. Um sicherzugehen, dass die vom Netzteil angezeigten Ströme korrekt sind, habe ich Vergleichsmessungen mit Stromsensoren gemacht (Typ LEM LA 25-NP). Offensichtlich ist die Anzeige des verwendeten Netzteils (EA PS2332-025) genau genug, so dass keine Abweichungen festgestellt werden konnten, obwohl der Strom zumindest bei drehendem Motor einen deutlich Oberwellenanteil hatte.

Mit der 3D-Step auf Basis der bipolaren H-Brücke L298 ergab sich eine Stromaufnahme von 1,43A. Bei 24V ergibt sich die gesamte Leistungsaufnahme zu 34,42W. Durch die separate Logikversorgung mit 5V muss man fairer weise weitere 1,5W hinzurechnen. Bei der Slider SFX auf Basis des deutlich moderneren Allegro A3959 liegt die Stromaufnahme vom Netzteil bei nur 0,92A, entsprechend 22,08W. Da die Messung bei Stillstand des Motors erfolgte, ist die mechanisch abgegebene Leistung gleich Null. Die gemessene Leistung wird also vollständig in Motor und Endstufe umgesetzt. Schon diese Messung zeigt, welche Vorteile eine moderne MOSFET-Endstufe mit niedrigem Einschaltwiderstand bieten kann. Alleine bei einem Motor reduziert sich die Verlustleistung um 14W. Hochgerechnet auf drei Achsen ergibt sich sogar ein Einsparpotential von 42W.

Bisher wurde hier nur der statische Fall ohne Last betrachtet. Wie im nächsten Beitrag anhand von Messungen gezeigt wird, steigt die Verlustleistung des Gesamtsystems über die Drehzahl jedoch kaum an. Zu den zuvor genannten Leistungsdaten muss also für eine überschlägige Abschätzung der insgesamt benötigten Leistung nur noch die mechanisch abgegebene Leistung addiert werden, so dass sich bei voller Last je nach Endstufe ein Leistungsbedarf von 45-60W je Motor ergibt. Für kleinere Motoren und niedrigere Spannungen fällt der Bedarf entsprechend kleiner aus, für größere Motoren und höhere Spannungen kann die Leistungsaufnahme aber auch deutlich höher liegen…

Seriell oder parallel? Alles eine Frage der Drehzahl, oder?

Dienstag, 24. Mai 2011

Über die Unterschiede von unipolaren und bipolaren Schrittmotoren wurden bereits einige Worte verloren. Aber wie sieht es bei Motoren mit 8 Anschlüssen aus, sollte man hier die Wicklungen seriell oder parallel verschalten? Das ist in erster Linie eine Frage der geforderten Drehzahl, aber auch des Geldbeutels. Der folgende Beitrag widmet sich den Vor- und Nachteilen beider Beschaltungsarten.

Warum sich bei einem unipolaren Motor die Wicklungsinduktivität vervierfacht, wenn man die Wicklungen bipolar betreibt (also in Reihe schaltet), wurde ja bereits hergeleitet. Dieser Zusammenhang gilt natürlich auch für einen Schrittmotor mit 8 Anschlüssen. Aus dem gleichen Grund ändert sich die Induktivität gegenüber dem uniolaren Fall nicht, wenn man die Wicklungshälften parallel schaltet. Für den Wicklungswiderstand gelten dagegen die bekannten Zusammenhänge für Reihen- und Parallelschaltung, also doppelter Widerstand im seriellen Betrieb und halber Widerstand bei parallelem Betrieb. Oder anders ausgedrückt: Beim Wechsel von parallel auf seriell vervierfacht sich der Widerstand. Und das hat Auswirkungen auf die elektrische Zeitkonstante der Wicklung (tau=L/R). Sie bleibt nämlich in beiden Fällen gleich.

Trotzdem gibt es erhebliche Unterschiede in der Perfomance des Motors. Dieser Effekt ist durch die Spannung zu erklären. Legt man die gleiche Spannung an einen Schrittmotor mit parallel geschalteten Wicklungen an und an einen mit seriell geschalteten Wicklungen, liegt an den Teilwicklungen des ersten Motors die volle Spannung an, wärend die seriell geschalteten Wicklungen eine Art Spannungsteiler bilden, so dass jede Teilwicklung nur die halbe Betriebsspannung “sieht”. Und da eine höhere Betriebsspannung zu einem schnelleren Stromanstieg führt, erreicht ein Motor mit parallel geschalteten Wicklungen deutlich höhere Drehzahlen (bzw. bei gleicher Drehzahl mehr Drehmoment, zumindest im oberen Bereich der Kennlinie).

Die folgenden Kennlinen verdeutlichen den Unterschied. Während der seriell beschaltete Schrittmotor bei 24V= und 200 U/min nur noch 0,7N, erreicht, schafft der parallel verschaltete Motor mit 1,7Nm noch mehr als das Doppelte. Die Kennlinien gelten übrigens auch für den PK268-E2.0, bei PK268PDA und PK268PA ist lediglich die serielle bzw. parallele Verdrahtung schon werksseitig vorgenommen worden. Einen ähnlichen Effekt wie der Wechsel von serieller zu paralleler Beschaltung hat übrigens eine Anhebung der Betriebsspannung, wie der 2. Satz Kennlinien deutlich macht. Wegen der unterschiedlichen Spannungen (36V vs. 48V) sind jetzt beide Beschaltungsarten allerdings nicht mehr direkt vergleichbar.

Kennlinen PK268

Drehzahl Drehmoment-Kennlinien beim PK268 (oben parallel, unten seriell).

(Quelle: Katalog 2-Phasen Schrittmotoren, Fa. Oriental Motor)

Da beide Teilwicklungen mit dem Nennstrom betrieben werden sollen, erreicht man die höhere Leistung im Parallelbetrieb (wir erinnern uns: P=ω*M, also Leistung ist Drehmoment mal Drehzahl) letztlich durch einen höheren Strom. Und damit benöigt man unter Umständen eine leistungsstärkere Schrittmotorsteuerung (bzw. -endstufe), die dann entsprechend teurer ausfällt. Ob sich der Leistungssprung lohnt, ist also auch eine finanzielle Frage. Ob eine höhere Betriebsspannung für genügend Drehmoment-Reserve sorgt, muss im Einzelfall geprüft werden, z.B. durch Simulationen oder Messungen. Bei Serienanwendungen ist es nicht unüblich, vom Motorhersteller Kennlinien für die konkreten Betriebsbedingungen messen zu lassen. Unter Umständen erreicht man aber auch erst mit einer kundenspezifisch angepassten Wicklung ein optimales Ergebnis. Es kann sich also lohnen, einen externen Berater hinzuzuziehen…

Übersicht über gängige integrierte Schrittmotor-Treiber

Mittwoch, 27. April 2011

Soll für eine Anwendung eine neue Schrittmotor-Steuerung entwickelt werden, geht die Suche nach den geeigneten Treiber-Bausteinen los. Neben den “alten Bekannten” wie z.B. L293D, L297/L298 oder PBL3717A gibt es heute eine interessante Auswahl an voll integrierten Lösungen mit Mikroschritt und vielen weiteren interessanten Funktionen. Die folgende Tabelle gibt eine Übersicht über die bekanntesten ICs und deren wichtigeste Eigenschaften. Nicht zu allen Bauteilen sind über die Hersteller Demo-Boards erhältlich. Daher sind, soweit bekannt, exemplarisch einige Produkte aufgeführt, in denen die genannten ICs enthalten sind. Um die Darstellung übersichtlich zu halten, sind nur die Basisdaten genannt. Eine umfangreichere Darstellung steht zum Download zur Verfügung.

 

 

 

 

 

Bauteil Hersteller max.
Mikrostep
Nennstrom Spannung I/O Anmerkungen
Produkte
Amis30624 On Semi 0,57A 7-29V I²C int. Motioncontroller
Amis30522 On Semi 1/32 1,5A 6-30V Takt-/Dir,
SPI f. Konfig.
mit Stalldetection
A3959
(=IMT-903)
Allegro Micro beliebig 3,0A 10-50V Takt/Dir Slider SFX,
SMCI33
A3977
A3979
Allegro Micro 1/8 / 1/16 2,5A 8-35V Takt/Dir Tiny-Step II
A3986 Allegro Micro 1/16 >5,0A 12-50V Takt-/Dir HEM-545,
SMCI47-S
LMD18245 National Semi beliebig 3,0A 12-55V Brake/Dir
L293 ST - 1,0A 5-36V parallel, incl. Enable
L297 ST Voll/Halb - - Takt/Dir f. externe H-Brücken
3D-Step
L298 ST - 2,0A 8-46V parallel, incl. Enable 3D-Step
L6506 ST beliebig - - Takt/Dir f. externe H-Brücken
HP-Step.pro
L6201/L6202
L6203
ST - 1,5A/4,0A 12-48V parallel, incl. Enable HP-Step.pro
L6208 ST Voll/Halb 2,8A 12-52V Takt/Dir µStep m. ext. DAC
L6219 ST 1/4 0,75A 10-46V Phase/Current µStep m. ext. DAC
PBL3717A ST, Ericsson 1/4 1,0A 10-46V Phase/Current µStep m. ext. DAC
PBL3770A
UC3770A
Ericsson, TI Voll/Halb 1,5A 10-40V Phase/Current
TA8435H
(=IMT-901)
Toshiba 1/8 1,5A 24V Takt/Dir Step3N (Fa. Lewetz)
TB62201
(=IMT-902)
Toshiba 1/16 1,2A 20-34V parallel, incl. Enable
TB6560A Toshiba 1/16 3,0A 5-34V Takt/Dir Imax f. HQFP: 1,5A
TMC236
TMC246
Trinamic 1/16 1,5A 7-34V SPI (12-bit) TMC246 m. Stalldetection
TMC239
TMC249
Trinamic 1/16 >4,0 7-34V SPI (12-bit) TMC249 m. Stalldetection
TMC261
TMC262
Trinamic 1/256 1,2A/>5,0A 9-59V Takt/Dir,
SPI f. Konfig.
lastabhängiger Strom

schrittmotortreiber.pdf

Die Sache mit der Spannung

Sonntag, 24. April 2011

Eine der häufigsten Fragen, die mir durch Kunden von mechapro in E-Mails gestellt wird, lautet sinngemäß etwa so: “Ich habe einen Schrittmotor mit einer Nennspannung von 2,8V, in der Dokumentation zu Ihrer Schrittmotor-Endstufe ist aber von einem Spannungsbereich von 15-42V die Rede. Kann ich den Motor trotzdem an Ihrer Karte betreiben?”. Die Antwort ist “ja”. Aber warum ist das so, bzw. warum ist die Motornennspannung soviel niedriger als die Versorgungsspannung des Schrittmotor-Treibers?

Die Motornennspannung ergibt sich aus dem Wicklungswiderstand und dem maximal zulässigen Wicklungsstrom durch Anwendung des Ohmschen Gesetzes (R=U/I bzw. U=R*I). Oder anders ausgedrückt: Will man einfach nur Spannung an die Wicklung legen (ohne Stromregelung, PWM o.ä.), darf diese maximal so groß sein wie die Motornennspannung, da sonst der zulässige Wicklungsstrom überschritten werden kann. Diese Betriebsart wird auch als Konstantspannungsbetrieb bezeichnet, da die Spannung konstant gehalten wird. Zur Ansteuerung eines 2-phasigen Schrittmotors werden lediglich 4 Transistoren (unipolarer Motor) bzw. 2 H-Brücken (bipolarer Motor) benötigt. Es handelt sich also um ein sehr einfaches und preiswertes Verfahren. Bedeutender Nachteil sind die Einschränkungen bei der erreichbaren Drehzahl bzw. beim Drehmoment im oberen Drehzahlbereich. Außerdem ist kein Mikroschritt möglich. Das sind auch die Gründe dafür, dass dieses Verfahren heute nur noch bei low-cost Anwendungen eingesetzt wird, bei denen diese Einschränkungen keine Rolle spielen. Die wohl verbreitetste, aber nicht unbedingt bekannteste Anwendung ist der Einsatz von Schrittmotoren in Zeigerinstrumenten, vor allem im Automobil-Sektor.

Tacho Porsche 911

Instrumenteneinsatz Porsche 911(996), Hersteller VDO

Schrittmotor aus Porschetacho

Zeigerinstrument mit Schrittmotor aus Posche 911(996)

Wesentlich verbreiteter ist die sogenannte Konstantstromansteuerung. Hierbei wird durch einen Stromregler dafür gesorgt, dass der Motor unabhängig von der Versorgungsspannung mit höchstens dem eingestellten Wicklungsstrom betrieben wird. Durch den Stromregler kann die Versorgungsspannung deutlich höher gewählt werden als die Motornennspannung. Dies führt zu einem deutlich beschleunigten Stromanstieg und damit letztlich dazu, dass das Drehmoment des Motors erst bei deutlich höheren Drehzahlen bzw. Pulsraten abnimmt.

Simulation Stromanstiegszeit

Simulation der Stromanstiegszeit für einen PK268-E2.0 bei Konstantspannungs- und Konstantstrombetrieb

Das oben gezeigte Simulationsergebnis macht den Vorteil des Konstantstrombetriebes sehr plakativ deutlich. Bei Konstantspannungsbetrieb (U=3,18V) dauert es 8-10ms, bis der Wicklungsstrom annähernd den Nennstrom erreicht hat. Wird der Motor mit einer Pulsrate von 200 Schritten/s (entsprechend einer Umdrehung/s bzw. 5ms Pulsbreite) betrieben, liegt der mittlere Strom in der Wicklung bei nur noch etwas mehr als 1A, so dass das erreichte Moment gegenüber dem Haltemoment mehr als halbiert ist. Im Konstantspannungsbetrieb ist die Zeit zum Erreichen des Nennstroms je nach verwendeter Spannung hingegen kleiner als eine halbe Millisekunde, so dass erst bei ca. 10-facher Geschwindigkeit das Drehmoment soweit abfällt wie bei Konstantspannungsbetrieb.

Hinweis: Die Schaltzeiten der Transistoren wurden in der Simulation nicht berücksichtigt, da sie gegenüber den betrachteten Effekten klein sind.