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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Problem?: Einfluss der Spulen eines Mototrs auf die Ausgangsspannung des Schrittmotorteiber


Autor: Felix P. (skorpion710)
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Hallo liebe Elektroniker Gemeinde!

Eigentlich bin ich Physik-Ingeneur und habe selber bisher wenig mit dem 
Auslegen/Auswählen und dem Betrieb von Schrittmotoren zu tun gehabt.

Für meine aktuelle Arbeit möchte ich eine kleine Box zusammenstellen mit 
der ich drei Schrittmotoren steuern kann.

Immoment mache ich dies mit drei Pololu Fertigbausteinen A4988 (siehe 
auch Pololu_A4988.png) die auf einem RAMPS-Board stecken 
(http://www.reprap.org/wiki/RAMPS_1.4).

Als Steuereinheit verwende ich naheliegenderweise ein Arduino Mega (da 
dieser die Basis für das RAMPS-Board bildet).

Als Eingangsspannung verwende ich 12 V DC bei maximal 60 Watt.

Soweit die Rahmenbedingungen.

Mein Problem ist jetzt :

Wenn ich mir den unbelasteten (also ohne Schrittmotor) Spannungsverlauf 
an den Ausgangspinns mit einem Oszilloskop (Messkopf 1:10) anschaue sehe 
ich genau das was ich sehen möchte. Bilder dazu reiche ich am Montag 
nach!

Hier erst mal ein Excel Screenshot (Phasengang.png) über den Verlauf 
(Bitte beachten: Dies ist der Vollschrittmodus. Außerdem soll die 
Y-Achse hier die Schritte der einzelnen Pololu Ausgänge von 0 auf 12 V 
darstellen!). Sobald ich jedoch meinen bipolar Schrittmotor:

-  1,8° Phasen Winkel
-  0.67A Phasenstrom (eingestellt über den Poti auf dem Pololu)
-  6.8 Ohm Leitungswiederstand
-  4.8 mH Iduktivität

anschließe wird mein Spannungssignal total zerhaun. Ich erkenne zwar 
noch ein Rechtecksignal auf dem Oszilloskop aber das ist ziemlich 
hochfrequent zerhackt (Wie gesagt Bilder am Montag).

Meine Idee dazu war:

1. Wenn ich mit einem Rechteck Signal (Welches nach Fouriersynthese aus 
unendlich vielen höher frequenten Sinusschwingunen zusammen gesetzt 
werden kann.) auf eine Spule gehe Induziere ich große hochfrequente 
Spannungen in der Spule die der Spannung des Rechecksignals 
entgegengerichtet sind.

2. Wenn das so wäre würde dieses Problem aber ja bei allen 
Schrittmotoren auftreten. Ist das der Fall?

3. Und wenn das oder auch wenn das nicht der Fall ist was kann ich 
dagegen machen ?

4. Oder hab ich am Pololu Element eine Einstellmöglichkeit? Im 
Datenblatt wird von einem sogenannten Mixed Decay Mode gesprochen der 
als Default Modus eingesetzt wird um den Ausgangsstrom zu begrenzen.

Vielen Dank für das lesen und das es eine Comunity gibt die sich so 
intensiv über Elektronik austauscht!

Mit besten Grüßen
skorpion710

Autor: Wolfgang A. (Gast)
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Felix P. schrieb:
> Wenn ich mir den unbelasteten (also ohne Schrittmotor) Spannungsverlauf
> an den Ausgangspinns mit einem Oszilloskop (Messkopf 1:10) anschaue sehe
> ich genau das was ich sehen möchte. Bilder dazu reiche ich am Montag
> nach!

Schrittmotoren werden mit Strom und nicht mit Spannung betrieben. Der 
A4988 ist bei richtiger Beschaltung ein Stromregler. Mit offenem Ausgang 
kann der nicht (sinnvoll) arbeiten.

> (http://www.reprap.org/wiki/RAMPS_1.4).
Mangels Lesbarkeit konnte ich der graphisch unterstützten Netzliste auf 
die Schnelle nicht entnehmen, ob die SenseX-Eingänge dort entsprechend 
Datenblatt richtig beschaltet sind.

Autor: MaWin (Gast)
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Felix P. schrieb:
> wird mein Spannungssignal total zerhaun. Ich erkenne zwar noch ein
> Rechtecksignal auf dem Oszilloskop aber das ist ziemlich hochfrequent
> zerhackt (

Super, der Stromchopper regelt auf 0.67A Strom (man könnte, für volle 
Leistung, auf Microschritt mit 0.95A einstellen, dann werden die Motoren 
ca. 65 GradC wärmer als die Umgebung und bringen ihr Drehmoment laut 
Datenblatt).

Autor: Olaf (Gast)
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> 1. Wenn ich mit einem Rechteck Signal (Welches nach Fouriersynthese aus
> unendlich vielen höher frequenten Sinusschwingunen zusammen gesetzt
> werden kann.) auf eine Spule gehe Induziere ich große hochfrequente
> Spannungen in der Spule die der Spannung des Rechecksignals
> entgegengerichtet sind.

Man merkt, du bist Physiker. Die koennen auch keinen Toaster 
anschliessen ohne vorher die Impedanz einer Steckdose berechnet zu 
haben. :-D

Schrittmotoren werden ueblicherweise mit einem konstanten Strom 
betrieben. Wegen des besseren Wirkungsgrades sind Schrittmotortreiber 
Schaltregler welche den Ausgangsstrom regeln. Die mittlere Spannung die 
du dann am Motor messen kannst haengt zum einen vom Motor, zum anderen 
aber auch von seiner Drehzahl ab. Dein Motortreiber sollte es 
ermoeglichen den Ausgangsstrom einzustellen. Dann musst du das passend 
zu deinem Motor einstellen.
Es kann ausserdem sein das dein Treiber den Strom im Stillstand absenkt.

Und das ganze ist jetzt noch stark vereinfacht weil es im Betrieb noch 
interessante Nebenbedingungen geben kann. Z.b Resonanzen vom 
Motor/Mechanik.

Im Prinzip sollte es reichen wenn du das Datenblatt des A4988 und 
eventuell noch eine Applikation vom Hersteller liesst. Schrittmotoren 
sind bei Bastlern deshalb so beliebt weil man sich da trotz ihrer 
grossen Nachteile (Wirkungsgrad, Geschwindigkeit, Dynamik) die 
theoretische Betrachtungen meistens sparen kann. Bei Servomotoren ist 
das anders.

Olaf

Autor: Georg (Gast)
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Felix P. schrieb:
> anschließe wird mein Spannungssignal total zerhaun. Ich erkenne zwar
> noch ein Rechtecksignal auf dem Oszilloskop aber das ist ziemlich
> hochfrequent zerhackt

Genau so muss das sein. Vielleicht solltest du dich mal mit Grundlagen 
der Regelung, insbesondere Schaltregler, befassen.

Georg

Autor: Wolfgang A. (Gast)
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Olaf schrieb:
> Es kann ausserdem sein das dein Treiber den Strom im Stillstand absenkt.

Wie soll das seinn können?

IMHO ist auf dem Schaltplan keine Möglichkeit zur Änderung von V_ref zu 
erkennen und der A4988 kann von sich aus keine Stromabsenkung bei 
stehendem Motor (abgesehen vom Totalabschaltung der Endstufe bei 
\Enable=high oder Sleep).

Autor: Christian M. (Firma: magnetmotor.ch) (chregu) Benutzerseite
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Felix P. schrieb:
> Ingeneur

Ja klar! :-))

Gruss Chregu

Autor: Georg (Gast)
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Olaf schrieb:
> Schrittmotoren werden ueblicherweise mit einem konstanten Strom
> betrieben.

Das sagt einem Physiker natürlich nix, da musst du schon bei tieferen 
Grundlagen ansetzen: Was ist Spannung? Was ist Strom?

Georg

Autor: Wolfgang (Gast)
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Christian M. schrieb:
> Felix P. schrieb:
>> Ingeneur
>
> Ja klar! :-))

In Zeiten des Fachkräftemangels nimmt man schon mal jeden, der 
halbwegs mit Lesen und Schreiben zurecht kommt ;-)

Autor: Martin S. (sirnails)
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Felix P. schrieb:
> Hallo liebe Elektroniker Gemeinde!
>
> Eigentlich bin ich Physik-Ingeneur und habe selber bisher wenig mit dem
> Auslegen/Auswählen und dem Betrieb von Schrittmotoren zu tun gehabt.
>
> Für meine aktuelle Arbeit möchte ich eine kleine Box zusammenstellen mit
> der ich drei Schrittmotoren steuern kann.
>
> Immoment mache ich dies mit drei Pololu Fertigbausteinen A4988 (siehe
> auch Pololu_A4988.png) die auf einem RAMPS-Board stecken
> (http://www.reprap.org/wiki/RAMPS_1.4).
>
> Als Steuereinheit verwende ich naheliegenderweise ein Arduino Mega (da
> dieser die Basis für das RAMPS-Board bildet).
>
> Als Eingangsspannung verwende ich 12 V DC bei maximal 60 Watt.
>
> Soweit die Rahmenbedingungen.
>
> Mein Problem ist jetzt :
>
> Wenn ich mir den unbelasteten (also ohne Schrittmotor) Spannungsverlauf
> an den Ausgangspinns mit einem Oszilloskop (Messkopf 1:10) anschaue sehe
> ich genau das was ich sehen möchte. Bilder dazu reiche ich am Montag
> nach!
>
> Hier erst mal ein Excel Screenshot (Phasengang.png) über den Verlauf
> (Bitte beachten: Dies ist der Vollschrittmodus. Außerdem soll die
> Y-Achse hier die Schritte der einzelnen Pololu Ausgänge von 0 auf 12 V
> darstellen!). Sobald ich jedoch meinen bipolar Schrittmotor:
>
> -  1,8° Phasen Winkel
> -  0.67A Phasenstrom (eingestellt über den Poti auf dem Pololu)
> -  6.8 Ohm Leitungswiederstand
> -  4.8 mH Iduktivität
>
> anschließe wird mein Spannungssignal total zerhaun. Ich erkenne zwar
> noch ein Rechtecksignal auf dem Oszilloskop aber das ist ziemlich
> hochfrequent zerhackt (Wie gesagt Bilder am Montag).

Was du siehst ist die Rückwirkung der Induktivität des Motors.

> Meine Idee dazu war:
>
> 1. Wenn ich mit einem Rechteck Signal (Welches nach Fouriersynthese aus
> unendlich vielen höher frequenten Sinusschwingunen zusammen gesetzt
> werden kann.) auf eine Spule gehe Induziere ich große hochfrequente
> Spannungen in der Spule die der Spannung des Rechecksignals
> entgegengerichtet sind.

"Du" induzierst gar nichts. Die Induktion wird durch die Motorwicklung 
verursacht wenn die Spannung weggenommen wird.

> 2. Wenn das so wäre würde dieses Problem aber ja bei allen
> Schrittmotoren auftreten. Ist das der Fall?

Das ist kein Problem - das ist normal.

> 3. Und wenn das oder auch wenn das nicht der Fall ist was kann ich
> dagegen machen ?

Mit einer Serieninduktivität oder LC-Filter filtern. Und jetzt rate mal 
was so ein Motor im Ersatzschaltbild ist?!

> 4. Oder hab ich am Pololu Element eine Einstellmöglichkeit? Im
> Datenblatt wird von einem sogenannten Mixed Decay Mode gesprochen der
> als Default Modus eingesetzt wird um den Ausgangsstrom zu begrenzen.

Warum solltest du etwas ändern? Solche Schaltungen filtert man nur, um 
die Störabstrahlung zu verbessern. Für die Funktionalität ist das egal.

> Vielen Dank für das lesen und das es eine Comunity gibt die sich so
> intensiv über Elektronik austauscht!
>
> Mit besten Grüßen
> skorpion710

Also nimm es mir nicht böse aber für einen Physiker klingt es so, als 
fehlten dir einige wichtige Grundlagen. Andere haben wohl auch das 
Gefühl - sonst würden sie hier nicht so herum frotzeln.

Autor: Felix P. (skorpion710)
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Vielen Dank für die schnellen Antworten! Das hat mir schon sehr 
geholfen.

Autor: Thomas O. (kosmos)
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Es kann gut sein das der Treiber die Spulen mit einem simulierten Sinus 
ansteuert sieht dann aus wie ein Treppeneffekt um einen ruhigeren Lauf 
zu ermöglichen. An einer Spule fällt der Strom immer weiter ab und an 
der anderen steigt er hingegen an.

Autor: Thorsten O. (Firma: mechapro GmbH) (ostermann) Benutzerseite
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Hallo Thomas,

deine Aussage ist zwar grundsätzlich richtig, hat aber nichts mit der 
Frage von Felix zu tun. Der nutzt ja gemäß seiner Aussage im 
Eingangsposting Vollschritt, auch wenn das meist keine gute Idee ist. 
Wie schon geklärt wurde, hatte er das Prinzip der Chopper-Stromregelung 
noch nicht ganz verstanden.

Mit freundlichen Grüßen
Thorsten Ostermann

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