Hohe Geschwindigkeit bei SChrittmotoren

[hansihopper]

Hallo zusammen.

Ich habe eine Schrittmotorsteuerung aufgebaut wie Sie im Datenblatt des L297 auf der ersten Seite unten beschrieben ist. Soweit Funktioniert alles doch leider macht mein Motor nur so um die 5 Umdrehungen pro sek.. Wenn ich softwaremäßig eine höhere Drehzahl einstelle verliert der Motor Schritte bzw. dreht sich gar nicht mehr. Kann es sein, dass die Selbst- bzw Gegeninduktive Spannung so hoch wird, dass der Motor kein Drehmoment mehr aufbauen kann? Der Motor wird mit 24V angesteuert, zieht aber nur einen Strom von ca. 200 mA. Ich steuer ihn bipolar und im Vollschritt an.
Auf der anderen Seite kann 5 Umdrehungen nicht die max. Geschwindigkeit sein, da ein Druckermotor ja auch schneller ist.
Also was mache ich nur Falsch?

Der Schrittmotor 200 Schritte pro Umdrehung und hat die Kenndaten 4V und 1.2 A. Er trägt die Bezeichnung ST4209S1006 B und ist von der Firma Nanotec.

mfg
hansi

[Manf]

Der Strom wird ja durch die Strombegrenzung der Ansteuerschaltung eingestellt.
Wie hoch ist denn der Spannungsabfall am Shunt und die Spannung Uref?
Manfred

[hansihopper]

Vshunt = 150 mV

Vref = 1,5 V

[Manf]

Ja, ich nehme an das sind die Mittelwerte. Ich wollte nur erst einmal auf die Stelle aufmerksam machen.

Der Motor scheint sich ja nach der Drehzahlkennlinie bei dem geringen Strom ganz gut zu verhalten.

Die Stromregelung schaltet zu früh ab. Ist der Schuntwiderstand zu groß, ist eine längere Verbindung mit induktiver Wirkung beim Shunt?
Kannst Du auch den Spannungsverlauf am Shunt ansehen?
Manfred

[hansihopper]

Ja richtig, das sind Mittelwerte.
Ich habe jetzt nochmal den Zeitlichenverlauf auf nem Skope angeschaut. Die max. Spannung am Shunt (0,5 Ohm) beträgt so ca. 800 mV es sei denn ich gehe mit der Drehzahl runter. Dann kommt er in die Strombegrenzug rein, z.B. bei n= 0. Da hat er ja nur das Haltemoment und zieht den maximalen Strom. Wenn ich die Drehzahl erhöhe dann sinkt der Strom.

Die Leitungen sind eigentlich auch nicht so lang gewählt.

Gruß
hansi

[Manf]

Er soll ja eigentlich erst bei Uref abschalten. Dann hat er wohl einen anderen Bezugspunkt als das Oszilloskop für seinen Komparator und nimmt noch eine andere Spanung mit.
Kannst Du Dir den Fall noch einmal ansehen?
Masse Oszilloskop auf Masse des L297?
Manfred

[hansihopper]

Achso der soll erst bei Uref abschalten. Deswegen heißt das dann auch Konstantstromquelle, weil die immer 1A liefern soll. Tut sie aber nicht. Ich habe jetzt nochmal gemessen und bei einer Drehzahl von etwa 120 1/min
eine Spannung am Shunt von 600 mV sprich einen Strom von 300 mA gemessen.
Soll ich meinen Schaltplan mal hochladen?

Gruß
pommes

[Manf]

Schaden kann es nicht mit dem Hochladen, ich bin mir andererseits nicht sicher ob eine parasitäre Induktivität (oder auch nur Widerstand) dann auch zu erkennen ist.
Aber irgendwie muss es ja weitergehen.
Manfred

[hansihopper]

Ich hoffe mal Eagle Dateien sind für dich in Ordnung.

[hansihopper]

´so jetzt aber.

JPEG geht.

[Manf]

Auf dem Board Bild sehen die Masseverbindungen etwas dünn aus.
Ist das Verhalten bei allen 3 Schaltungen gleich? Ich nehme es an.

Dann könntest Du für einen Test die Massen eines Pärchens Shunt mit der Masse des L297 verbinden um zu sehen ob sich dadurch etwas verbessert.

Einfach Drähtchen 0,6-0,8mm auf die Lötpunkte dazu setzen.
Manfred

[hansihopper]

Die 3 Anschlüsse verhalten sich alle 3gleich. Ich habe habe jetzt auch, wie du mir geraten hast, die Masseleitungen verbreitert, doch das bringt nur wenig bis gar nichts.
Nur um jetzt noch mal Klarheit zu schaffen, du meinst, dass der Motor die ganze Zeit ca. 1 A ziehen sollte?

hansi

[Manf]

Das ist die Funktion des L297, was gäbe es sonst? Man könnte wenn keine Schritte gemacht werden sollen die Referenzspannung senken?
Der Motor wird mit Nennstrom betrieben, die 24V Quelle liefert den Strom nur sehr kurzzeitig über PWM und er fließt dann im Motor weiter damit ist der Mittelwert an der Quelle viel geringer ...

Die 3 Schaltungen so wie sie im Bild dargestellt ist habe relativ dünne Leitungen die ich nicht alle verfolgt habe.

Wenn es um eine Fehleranalyse gehen soll dann sollte man eine der Schaltungen, die nahe an der Referenz liegt, herausgreifen die Spannungen mit Kondensatoren blocken und die Masseleitungen verstärken. Es ist sonst nicht zu erklären, dass Komparator so schnell abschaltet.
Manfred

[hansihopper]

Ich habe hier mal ein paar Messwerte aufgenommen:

24V
Parameter Software = Drehzahl

200 = 180 1/min
150 = 198 1/min
140 = 207 1/min
Wenn ich weiter herunter gehe bleibt der Motor stehen.


48V
200 = 156 1/min
150 = 234 1/min
140 = 250 1/min
130 = 266 1/min
Wenn ich weiter herunter gehe bleibt der Motor stehen.

[Manf]

Du weißt sicher auf welche Weise der Parameter in eine Ansteuerung umgesetzt wird.
Die Schrittmotoransteuerung arbeitet ja mit Taktimpulsen die möglichst regelmäßig die Schritte weiterzählen sollen und deren Frequenz man angeben kann.
(U/min)/60*200
Manfred

[hansihopper]

Ich versteh jetzt nicht so ganz was du mir sagen möchtest,deswegen erklär ich jetzt einfach mal was ich gemacht habe und wie ich auf die Ergebnisse komme.

Die Parameter der Software stellen die Clock Frequenz am L297 ein, mit der der Schrittmotor pro steigende Flanke einen Schritt weiter geht.

Um die Drehzahl heraus zu bekommen habe ich mir einen Ausgang der Verstärkerstufe angesehen. Die sich daraus resultierende Periodenzeit (T) durch 4 geteilt, da in einer Periodenzeit 4 Schritte gemacht werden. Jetzt habe ich die Zeit, die für einen Schritt gebraucht wird. Das ganze mal 400, weil 400 Schritte eine Umdrehung sind und ich habe die Zeit die für eine Umdrehung gebraucht wird. Jetzt das ganze ^(-1) und ich bekomme die Frequenz heraus * 60 und ich hab 1/min.

Meinst du so in etwa?

Gruß
hansi

[Manf]

Es gibt sicher einen Parameter in der SW der zu einer Frequenz führt. Da Du die Frequenz am Ausgang messen kannst liegt die Umsetzung aber höchstwahrscheinlich außerhalb des Problembereichs.

Hauptsache der Treiberbaustein erhält einen Takt der einigemaßen sauber aussieht und nicht zu schnell in der Frequenz springt.
Dann sollte der Schrittmotor eine höhere Drehzahl erreichen können als bis jetzt. So habe ich das Thema verstanden.

(Du hast recht es sind 400 Schritte pro Umdrehung.)
Manfred

[hansihopper]

Das Problem ist,dass ich zwar am Ausgang eine hohe Frequenz hinbekomme ca. 72000 step/s = 10 800 U/min. Aber der Motor einfach bei höheren Freqequenzen stehen bleibt und brummt.

hansi

[Manf]

Du kannst ja die Spannungen mit dem Oszilloscope überprüfen.
Du hast im Test erst einmal einen Motor im Betrieb?
Wie sieht die 24V aus, es ist ja nur ein kleiner Kondensator auf dem Board, gbt es deutliche Einbrüche der Spanung?
Manfred

[hansihopper]

Ja ich hab immer erstmal nur einen Motor angeschlossen und die Spannung bleibt immer konstant, da ich ein gutes Netzteilangeschlossen habe.

pommes

[Manf]

Wenn es um eine Fehleranalyse gehen soll dann sollte man eine der Schaltungen, die nahe an der Referenz liegt, herausgreifen die Spannungen mit Kondensatoren blocken und die Masseleitungen verstärken. Es ist sonst nicht zu erklären, dass Komparator so schnell abschaltet.
Im Datenblatt des L297 ist auch der Ablauf der PWM Phase beschrieben. Es wird die Spannung an die Motorwickung geschaltet bis am Shunt die Referenzspannung erreicht wird, dann schaltet der Baustein ab und der Strom fließt über die Freilaufdioden weiter.
Der Vorgang ist auch in Chopper_Betrieb beschrieben. https://www.roboternetz.de/wissen/index.php/Chopper_Betrieb
Kommst Du mit dem Oszilloskop an die stellen dran: Stromverlauf am Shunt...

[hansihopper]

ok.

Meine Spannung sieht wie folgt aus:

/ / /
/ / /
/ / /
____ / ____/ ____ /


mit einer Amplitude von 450 mV dies entspricht ca. 900 mA

und einem di/dt = 900 mA/ms

bei einer mittleren Drehzahl.

hansi

[hansihopper]

hier unten sah das noch normal aus.

Kannst du dir vorstellen wie ich das meine?

Erst eine parallele zur x Achse, dann eine gerade mit der Steigung di/dt

sorry
hansi

[Manf]

Mit U= L * di/dt
gibt es bei 4mH und di/dt =900mA/ms eine wirksame Spannung von

U = 3,6V

zu Beginn des Stromanstiegs.

Es kommt später dann die Wirkung des Spulenwiderstands und des Shunts dazu, das ist bei 900mA ein Abfall von (4,2Ohm + 0,5 Ohm) * 0,9A = 4,2V

Die induzierte Spannung wird ja multipliziert mit dem Strom in mechanische Leistung umgesetzt und muss ohne Lastmoment recht klein bleiben.

Wo ist der Rest der Spannung?
Es sollen doch 24V sein denke ich.
Bei Betrieb mit 5V wäre immerhin das Verhalten des Motors erklärbar.
Manfred

[hansihopper]

Da ist irgendwas oberfaul!!!

Deine Rechnung ist total einleutend und logisch, aber wenn du meinst, dass ich mich mit den Spannungen vertan habe, muss ich dich leider enttäuschen. Es gehen zum Motor 24V hohe Spannungsimpulse.

Ich weiß einfach nicht wo der Hund begraben ist.


Gruß
pommes

[Manf]

Mit einem Oszilloskop sollte es möglich sein die Spannung am Motor und den Stromverlauf bei gleicher Phase darzustellen. Man sollte damit die Induktivität der Motorwicklung verifizieren können.

Man kann ja auch noch einmal nachmessen ob die Spannung direkt am Schunt genauso groß ist wie die Spannung ist die der L297 als Shuntspannung an seinen Pins gegen GND angeliefert bekommt. Ob also der 0,5 Ohm Shunt durch die Verdrahtung vergrößert wird.

Uref ist sauber, direkt am L297er pin gegen L297er GND?

Manfred

[hansihopper]

Ich habe mich jetzt mal an das Oszi ran gemacht und ein paar Ergebnisse Fotografiert, damit ich die Graphen nicht beschreiben muss.

Ich weiß aber nicht wie ich die Induktivität jetzt anhand des 1. Bildes heraus bekomme. Vielleicht kannst du mir da helfen.

Beim 2. Bild fällt mir auf, dass die Ströme bzw. die Spannungen zwar gleich groß sind aber auch Phasenverschoben. Kommt das durch die Leitungsinduktivität?

Nur zur Erinnerung der Shunt beträgt 0,5 Ohm, damit du den richtigen Strom bekommst.

Gruß
hansi