Schrittmotor ESB, Verständnisfragen

[axel88]

Hallo,

für einen CNC-Fräsen-Controller entwickle ich grad eine neue Platine. Dabei sind mir ein paar fragen zu meinen Berechnungen aufgefallen.

1.) Wie Berechnet man die Wirkleistung eines Schrittmotors? Im Datenblatt finde ich eine Angabe zum R und zum L wobei das L nur eine Scheinleistung verursacht, und das R die Verlustleistung in der Windung. Wo kommt dann die Mechanische Leistung her, die der Motor abgibt?
Wenn man sich nun ein Ersatzschaltbild vorstellt, braucht man doch irgendeine Gegenspannungsquelle o.ä. ?

2.) Ich hatte mir zur Dimmensionierung des Netzteils, die üblichen Ansteuerungen (L297,L29 einfach als Tiefsetzsteller vorgestellt, die idealisierter weise die Eingangsleistung in die Ausgangsleistung=U_Motor*I_Motor umwandelt. Das würde dann aber nur die ohmschen Wicklungsverluste berücksichtigen.

Habe ich da jetzt irgendwo einen Denkfehler, oder wie muss man sich das Vorstellen und Berechnen?

Gruß Axel

[Ostermann]

Hallo Axel!

1.) Im ESB hat man tatsächlich eine Gegenspannungsquelle. Da der Motor auch als Generator wirken kann ist das auch einleuchtend. Das vereinfachte 1-phasige ESB sieht für Hybrid-Schrittmotoren genauso aus wie für Synchronmotoren und fremderregte Gleichstrommotoren.

2.) "Tiefsetzsteller" ist ein typisches Beispiel für Siemens-Deutsch Du meinst vermutlich einen Stepdown-Regler. Die mechanisch abgegebene Leistung kannst du nur berechnen, wenn Du eine passende Motorkennlinie hast, oder wenn du die Last kennst und die Konstante für die Gegen-EMK kennst. Die könnte man ja messen, wenn man den Motor z.B. mit einem Akkuschrauber antreibt. Die Drehzahl lässt sich aus der Frequenz der induzierten Spannung ermitteln.

Ich habe mal angefangen, ein paar Überlegungen zum Thema zusammen zuschreiben. Ich muss da in den nächsten Tagen mal weitermachen:
http://www.schrittmotor-blog.de/?p=77

Mit freundlichen Grüßen
Thorsten Ostermann

[axel88]

Danke für die Erklärungen. Da die Motoren jetzt schon verbaut sind geht das mit dem Akkuschrauber wohl nicht. Außerdem wollte ich die Karte allgemein für Schrittmotoren bis 4A Phasenstrom dimmensionieren, um sie flexibel einsetzen zu können.

Bei meinem "Motor-Datenblatt" ist keine Drehmoment-Kennlinie angegeben. Wobei ich mich frage, warum das Drehmoment nicht konstant sein sollte, solang der Motornennstrom fließt?

Muss ich mit großen Abweichungen rechnen, wenn ich meine mechanische Leistung aus dem maximalen Drehmoment (Datenblatt) und der maximalen Geschwindigkeit berechne?

Gruß Axel

[Ostermann]

Hallo Axel!

Bei meinem "Motor-Datenblatt" ist keine Drehmoment-Kennlinie angegeben. Wobei ich mich frage, warum das Drehmoment nicht konstant sein sollte, solang der Motornennstrom fließt?

Das ist genau der Punkt. Das tut er ja nicht. Du hast ja immer einen Bereich, in dem der Strom ansteigt, dann einen konstanten Abschnitt und dann einen Bereich, wo der Strom wieder abgebaut wird, wenn die Wicklung umgepolt wird. Mit steigender Frequenz wird der konstante Abschnitt immer kleiner, bis nur noch ein dreieckförmiger Verlauf übrig bleibt. Ab da ist man im Konstantspannungsbereich und der Strom und damit das Moment fallen noch stärker ab.

Schau Dir mal Kennlinien anderer Motoren an. z.B. vom PK296. Das Drehmoment ist meist ein Stück niedriger als das Haltemoment oder fällt sehr schnell ein Stück darunter. Man kann also keinesfalls davon ausgehen, dass das volle Haltemoment über einen
breiten Drehzahlbereich zur Verfügung steht.
http://www.mechapro.de/pdf/pk296-e.pdf

Wenn es nur um eine Pi*Daumen Netzteilauslegung geht, kannst du nach meinen Erfahrungen bei 4A Wicklungsstrom und Versorgungsspannung bis 45V von ca. 50-70W pro Motor ausgehen. Das kommt natürlich auch auf die Last und den Wirkungsgrad des Treibers an.

Mit freundlichen Grüßen
Thorsten Ostermann

[Ostermann]

Nachtrag: Für die Auslegung der Endstufe ist die Leistungsaufnahme des Motors eigentlich egal, das ist nur für's Netzteil relevant. Einen 4A-Treiber würde ich übrigens nicht mit dem L297 aufbauen. Mit Halbschritt machen stärkere Motoren zu viel Lärm und Resonanzen.

Mit freundlichen Grüßen
Thorsten Ostermann

[axel88]

Also meine bisherige Platine basiert auf dem L297 und zwei L6203. Sowohl bei einer Schaltfreunz von 20kHz als auch von 40kHz hört man selbst bei stehendem Motor ein "Rauschen", würde das mit einer anderen Schaltung verschwinden?
Mit welcher Schaltung würdest du 4A Motoren betreiben?

Ferner bin ich mir grad über die Maximalgeschwindigkeit meiner Motoren unklar. Kann man für die maximale Schaltfrequenz für Leerlauf die Gegenspannungsquelle vernachlässigen und den Strom als Dreieckförmig betrachten?
Dann würde unter vernachlässigung des Widerstandes fmax= U /(4* I * L) gelten.
Also bei 40V und 4A und L=3,2mH ungefär 750Hz bzw. 3,75 U/s

Gibt es eigentlich irgendwo geeignetet Literatur zu Schrittmotoren, oder werden diese nur als eine Unterart der Synchronmotoren abgetan?

Gruß Axel

[Ostermann]

Hallo Axel!

Es geht nicht um das Rauschen, sondern um das Betriebsgeräusch bei laufendem Motor. Da machen die Motoren deutlich mehr Lärm in Voll- und Halbschritt als bei Mikroschritt.

Ich habe Schaltungen mit L6506 und L6203 (plus µC) im Programm, und etwas moderner und mit weniger Rauschen vom Stromregler (dann aber nicht zum Selbstbasteln) mit dem A3986 und externen FETs: http://www.mechapro.de/hem545.html

Literatur gibt es nur wenig. Rummich wäre ein Autor, viele andere Bücher sind nur noch gebraucht zu bekommen, z.B. Schörlin, Prautzsch oder Takashi Kenjo (auf englisch).

Mit freundlichen Grüßen
Thorsten Ostermann

[axel88]

Wenn dann kommt nur ein Eigenbau in Frage. Den A3986 habe ich gestern auch schon gefunden, leider kann ich dazu keine Bezugsquellen finden. Der A3977 den es bei Farnell gibt kann leider nur 2,5A, das wäre mir etwas zu schwach. Ich werde mal noch etwas recherchieren wie ich dann eine Mikroschrittsteuerung realisieren kann. Möglichst ohne µC das ist mir dann doch zuviel Debugging^^

Woher kommt eigentlich das Rauschen der Motoren? Die 20kHz sollte man eigentlich nicht hören können und sie sind ja auch nur ein kleiner Rippel auf dem Strom?

[Ostermann]

Hallo Axel!

Die 20kHz kann man normalerweise nicht hören. Wenn aber aufgrund von Spikes mal früher und mal später geschaltet wird, gibt es subharmonische, die man dann schon hören kann. Auch da verhalten sich moderne Treiber deutlich besser, auch weil die mit definierten Flanken schalten usw.

Mit freundlichen Grüßen
Thorsten Ostermann