Verständnisfrage: Funktionsweise von Schrittmotor-Treibern

Rene Gast 10.11.2015 20:52 #4344687

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Hallo!

Ich beschäftige mich gerade mit Schrittmotoren und fertigen 
Treiber-Bausteinen. Aus Kostengründen habe ich mir Pololu A4988 Treiber 
( < 1€ / Stk), wie sie z.B. in 3D-Druckern oder Laserplottern eingesetzt 
werden, angeschafft.

Beim lesen des Datenblattes ist mir aber die Funktion innerhalb des 
Treiberbausteins nicht so richtig klar geworden.

Ich verstehe die Funktion von Schrittmotor-Treibern so, dass in den 
Motortreiber integrierte DAC’s (Digital-Analog-Wandler) dazu den Strom 
zu jedem Mikroschritt einstellen, der Stromkreis wird dann nach 
erreichen der Spulenspannung über eine simple H-Brücke geschlossen. Da 
die Schalter der H-Brücke per MosFET realisiert sind und diese eine 
bestimmte Gate-Spannung benötigen um schalten zu können, sind zugehörige 
Ladestufen für die Eingangssignale, sogenannte „charge pumps“, verbaut. 
Diese Ladestufen laden schneller, je höher die Versorgungsspannung ist. 
Eine höhere Versorgungsspannung ermöglicht daher ein schnelleres 
Anpassen des Motorstroms. Der Motor reagiert deutlich schneller auf die 
Ansteuerung.

Verstehe ich das so richtig?

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Tom E. Gast 10.11.2015 20:58 #4344700

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Rene schrieb:
> Diese Ladestufen laden schneller, je höher die Versorgungsspannung ist.
> Eine höhere Versorgungsspannung ermöglicht daher ein schnelleres
> Anpassen des Motorstroms.

Nein, das Laden der Ladestufen begrenzt nicht die Änderung des 
Motorstromes, sondern die Induktivität der Spulen, genauer die 
Gegeninduktionsspannung bei Stromänderungen.

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Rene Gast 10.11.2015 21:13 #4344722

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Tom E. schrieb:
> Rene schrieb:
>> Diese Ladestufen laden schneller, je höher die Versorgungsspannung ist.
>> Eine höhere Versorgungsspannung ermöglicht daher ein schnelleres
>> Anpassen des Motorstroms.
>
> Nein, das Laden der Ladestufen begrenzt nicht die Änderung des
> Motorstromes, sondern die Induktivität der Spulen, genauer die
> Gegeninduktionsspannung bei Stromänderungen.

Wie hängt das dann mit der Versorgungsspannung zusammen? Wenn ich den 
Schrittmotor an 24V statt an 12V betreibe, habe ich deutlich mehr 
"Kraft".
Da aber Spannung ja nichts mit dem erzeugten Magnetfeld der Motor-Spulen 
zu tun hat, dachte ich, dass liegt an der schnelleren Umsetzung der 
Schritte?!

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Helmut S. (helmuts) 10.11.2015 21:15 #4344726

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Der Satz am Anfang ds Datenblattes sagt schon das wesentliche.

https://www.pololu.com/file/download/A4988.pdf?file_id=0J450
The A4988 includes a fixed off-time current regulator which has the 
ability to operate in Slow or Mixed decay modes.erzeugt.

Mit den internen DACs wird die Vergleichsspannung für die 
Stromabschaltung erzeugt.
Der Strom wird als Spannungsabfall an den externen Sense-Widerständen 
gemessen.

Start
    Fets einschalten
    Wenn Spannung am Sensewiderstand > DAC-Spannung, dann Fets 
ausschalten
    Off-Zeit abwarten
Wieder bei Start beginnen

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Rene Gast 10.11.2015 21:23 #4344739

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Genau. So verstehe ich das auch.

Und wie hängt die Versorgungsspannung nun damit zusammen?

Das Magnetfeld in den Spulen (also die Kraft des Motors) ist ja nur vom 
Strom abhängig, nicht von der Spannung.

Trotzdem bewegt sich der der Motor "härter" an 24V als an 12V.

Oder bilde ich mir das ein und die Spannung ist egal?

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Axel G. (axelg) 10.11.2015 22:51 #4344850

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Rene schrieb:
> Genau. So verstehe ich das auch.
>
> Und wie hängt die Versorgungsspannung nun damit zusammen?
>
> Das Magnetfeld in den Spulen (also die Kraft des Motors) ist ja nur vom
> Strom abhängig, nicht von der Spannung.

Das ist Richtig.

Wegen der Gegeninduktion kannst du diesen Strom aber irgendwann (nämlich 
wenn

$U_{gegen} >= U_{Versorgung}$

 ist) nicht mehr in die Spule einprägen.

Nimmst du also 24 V statt 12 V kannst du eine höhere Gegeninduktion 
überwinden und damit ein stärkeres Magnetfeld erzeugen.

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Dietrich L. (dietrichl) 11.11.2015 10:07 #4345141

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Vielleicht sollte man noch ergänzen:

Axel G. schrieb:
> Nimmst du also 24 V statt 12 V kannst du eine höhere Gegeninduktion
> überwinden und damit ein stärkeres Magnetfeld
     ... in der zur Verfügung stehenden Zeit ...
> erzeugen.

Hat man beliebig viel Zeit wird der Strom (= Kraft) nur durch den 
ohmschen Widerstand der Spulen begrenzt.
Will man aber den Motor schnell bewegen, muss der Strom auch schnell 
ansteigen. Die Anstiegsgeschwindigkeit wird aber durch die Induktivität 
der Spulen begrenzt und hängt direkt von der Spannung ab:

                       di/dt = U/L

Gruß Dietrich