Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Schrittmotor: Drehmomentkurven bei unterschiedlichen Mikroschritt-Modi


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von Marco L (Gast)


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Hallo zusammen,

Kann mir jemand Literatur oder Quellen nennen in denen der Zusammenhang 
zwischen Drehmomentkurve bei Vollschritten und bei Mikroschritten bei 
einem Schrittmotor beschrieben werden?

Mich interessiert die Frage, reduziert sich das Drehmoment mit 
zunehmenden Mikroschritten und wenn ja wie ist der Formale Zusammenhang.

Danke

von Dieter F. (Gast)


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Wenn ich so etwas lese frage ich mich immer, ob Google schon wieder down 
ist ...

z.B.

http://www.omega.de/prodinfo/schrittmotoren.html

von Wolfgang A. (Gast)


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Marco L schrieb:
> Mich interessiert die Frage, reduziert sich das Drehmoment mit
> zunehmenden Mikroschritten und wenn ja wie ist der Formale Zusammenhang.

Warum sollte sich beim Mikroschrittbetrieb irgendetwas am Drehmoment 
ändern. Die Schritte werden lediglich feiner aufgetreilt, d.h. du musst 
die Schrittfrequenz entsprechend dem Schrittmodus korrigieren. Bis auf 
Laufruhe und dadurch bedingte Verringerung von Resonanzanregungen ändert 
sich nichts, i.e. es kommt auf den Motor und auf das, was dran hängt, 
an.

von Theor (Gast)


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Eine Quelle, die ausdrücklich den Zusammenhang herstellt und beschreibt 
kenne ich nicht. Allerdings würde ich, in der selben Situation erstmal 
"Elektrische Schrittmotoren und Antriebe", Hrsg. Wilfried Bartz lesen.


Aus allgemeinen Überlegungen ergibt sich, dass das Drehmoment neben der 
Winkelabhängigkeit auch einen relativ einfachen Zusammenhang mit der 
Differenz der Ströme in den jeweiligen Wicklungen hat. Ausserdem ergibt 
sich aus dem Verfahren selbst, der allgemeinere Schluss, dass das 
Integral des Drehmoments geringer als beim Vollschrittbetrieb ist. Im 
Detail hängt das aber von dem Stromverlauf ab, für den es ja bei 
Mikroschritt einige Varianten gibt.
Mit ein bisschen Algebra und notfalls etwas Analysis sollte das aber 
recht einfach gehen, vermute ich jetzt mal ins Blaue.

von Thorsten O. (Firma: mechapro GmbH) (ostermann) Benutzerseite


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Hallo Dieter,

der Beitrag in dem Link liefert leider keine nachvollziehbare Begründung 
für die These, dass bei Halb- und Mikroschritt ca. 30% weniger 
Drehmoment zur Verfügung stehen. Meiner Erfahrung nach hat man nur dann 
weniger Drehmoment, wenn man den Strom nicht entsprechend anpasst. Der 
Motornennstrom ist ja auf den Vollschrittbetrieb (beide Wicklungen 
bestromt) bezogen. Bei Mikroschritt muss dann der Spitzenstrom auf 141% 
des Nennstroms eingestellt werden, damit in den Vollschrittpositionen in 
beiden Wicklungen der Nennstrom fließt.

Mit freundlichen Grüßen
Thorsten Ostermann

von Thorsten O. (Firma: mechapro GmbH) (ostermann) Benutzerseite


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Hallo Wolfgang,

> Marco L schrieb:
>> Mich interessiert die Frage, reduziert sich das Drehmoment mit
>> zunehmenden Mikroschritten und wenn ja wie ist der Formale Zusammenhang.
>
> Warum sollte sich beim Mikroschrittbetrieb irgendetwas am Drehmoment
> ändern. Die Schritte werden lediglich feiner aufgetreilt, d.h. du musst
> die Schrittfrequenz entsprechend dem Schrittmodus korrigieren.

Jain. In der Theorie gebe ich dir recht. In der Praxis hängt das davon 
ab, wie gut der Treiberchip die idealen sinusförmigen Ströme in die 
Wicklungen einprägen kann. Gerade bei älteren Mikroschritt-Treibern 
stellt man dann doch fest, dass man mit steigender 
Mikroschritt-Auflösung geringere Maximaldrehzahlen erreicht. Und das ist 
nicht irgendwelchen Begrenzungen bei der Takterzeugung geschuldet, um 
die Vermutung gleich vorweg zu nehmen. Bei meinen Versuchen mit dem 
DRV8711 von TI hängen die erzielten Ergebnisse stark von der 
Konfiguration des Chips ab. Das schöne ist allerdings, dass der 
vielfältige Einstellmöglichkeiten hat, so dass man das Verhalten gut an 
den verwendeten Motor anpassen kann [1].

Mit freundlichen Grüßen
Thorsten Ostermann

[1] http://www.mechapro.de/smoover-drv.html

von Marco L (Gast)


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Thorsten O. schrieb:
> Bei meinen Versuchen mit dem
> DRV8711 von TI hängen die erzielten Ergebnisse stark von der
> Konfiguration des Chips ab. Das schöne ist allerdings, dass der
> vielfältige Einstellmöglichkeiten hat, so dass man das Verhalten gut an
> den verwendeten Motor anpassen kann

Genau diesen Treiber (EVALBoard) verwende ich für die 
Schrittmotorenansteuerung!
Ich benutze zwei Schrittmotoren für eine Kolbenpumpe, abwechslungsweise 
stösst der eine oder andere Kolben Flüssigkeit aus, was einen 
pulsationsfreien Fluss gewährleisten soll.
Im Halbschrittbetrieb, wo mir "Drehmomentkurven" der Hersteller 
vorliegen, ist die Pumpe nicht zu gebrauchen, Resonanzen, Geräusche, 
weshalb ein Mikroschrittbetrieb nahe lag (-> gleichmässigere Bewegung, 
Unterdrückung von mech. Resonanzen).
Bei unseren Messungen (hohe Mikroschrittauflösungen) haben wir nun 
festgestellt, dass sich die Umkehrpunkte der Kolbenpositionen, gemessen 
mit einem linearen magnetischen Encoder (Auflösung 2um), sich 
verschieben. Was ein Indikator für Schrittverluste ist. Mit immer 
gröberen Schritten funktionierte die Pumpe bei gewissen Betriebspunkten 
dann wieder besser bis gut. Deshalb meine Frage ob Mikroschrittbetrieb 
die Drehmomentkurve beeinflusst, da in den Datenblättern ausschliesslich 
die Drehmomentkurve im Halbschritt angegeben wird und die Resonanzen 
meist unterschlagen sind. (Natürlich hängen diese auch vom Aufbau ab, 
mich überrascht aber, dass es hier kein Norm für die Vermessung gibt??)

Danke für die rege und schnelle Beteiligung!!! Top!

von Dieter F. (Gast)


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Thorsten O. schrieb:
> der Beitrag in dem Link liefert leider keine nachvollziehbare Begründung
> für die These, dass bei Halb- und Mikroschritt ca. 30% weniger
> Drehmoment zur Verfügung stehen

Hallo Thorsten,

nicht mein Betrag - sondern der verlinkte Beitrag ...

Aber es gibt auch nocht andere, hier sogar mit Begründung:

http://www.haydonkerk.de/128/produkte/downloads/schrittmotor-theorie.htm

(übrigens alles auf der 1. Google-Trefferseite)

Ich bin kein Profi (wie Du) und kann mich nur auf die Aussagen solcher 
verlassen.

Das hier

http://www.controllersandpcs.de/pdfs/schrittmotoren.pdf

(S. 24) ist übrigens auch interessant und deckt sich mit Deiner Aussage

Thorsten O. schrieb:
> Bei Mikroschritt muss dann der Spitzenstrom auf 141%
> des Nennstroms eingestellt werden, damit in den Vollschrittpositionen in
> beiden Wicklungen der Nennstrom fließt.

Bleiben, nach deren Aussage, noch ca. 5 % Drehmomentverlust.

Gruß
Dieter

von Simon B. (nomis)


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Hier hat sich mal jemand intensiver mit Microstepping 
auseinandergesetzt. Ich bin jetzt gerade nicht sicher wie gut das die 
Fragestellung abdeckt, aber es sieht aus als wäre es ein interessanter 
Lesestoff:

http://hackaday.com/2016/08/29/how-accurate-is-microstepping-really/

Viele Grüße,
        Simon

von Thorsten O. (Firma: mechapro GmbH) (ostermann) Benutzerseite


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@Dieter:
Die von dir genannten Beiträge beziehen sich beide nur auf den 
Halbschrittbetrieb. Haydon geht davon aus, dass in den 
Halbschritt-Positionen der gleiche Wicklungsstrom verwendet wird wie in 
den Vollschrittpositionen. Dann hat man natürlich ein niedrigeres 
Drehmoment. Moderne Mikroschritt-Treiber passen auch in den 
Halbschritt-Positionen den Motorstrom entsprechend an. Und auch der 
guten alten L297/L298 Kombination kann man das beibringen [1, Seite 
3-4]. Im 2. Beitrag ist das Diagramm dazu aus einer Applikation Note von 
TI entnommen, welche ich z.B. bei meiner 3D-Step schon vor rund 15 
Jahren umgesetzt habe.

@Simon:
Interessanter Beitrag, dass deckt sich mit dem was ich auch schon 
geschrieben habe [2, 3].

Mit freundlichen Grüßen
Thorsten Ostermann

[1] 
http://www.mechapro.de/pdf/Funktionsbeschreibung_3D-Step_20120819.pdf
[2] 
http://www.schrittmotor-blog.de/positioniergenauigkeit-von-schrittmotoren/
[3] 
http://www.schrittmotor-blog.de/die-bedeutung-des-lastwinkels-bei-schrittmotoren/

von Thorsten O. (Firma: mechapro GmbH) (ostermann) Benutzerseite


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Hallo Marco,

>> Thorsten O. schrieb:
>> Bei meinen Versuchen mit dem
>> DRV8711 von TI hängen die erzielten Ergebnisse stark von der
>> Konfiguration des Chips ab. Das schöne ist allerdings, dass der
>> vielfältige Einstellmöglichkeiten hat, so dass man das Verhalten gut an
>> den verwendeten Motor anpassen kann
>
> Genau diesen Treiber (EVALBoard) verwende ich für die
> Schrittmotorenansteuerung!
...
> Bei unseren Messungen (hohe Mikroschrittauflösungen) haben wir nun
> festgestellt, dass sich die Umkehrpunkte der Kolbenpositionen, gemessen
> mit einem linearen magnetischen Encoder (Auflösung 2um), sich
> verschieben. Was ein Indikator für Schrittverluste ist.

Das glaube ich nicht. Bei Schrittverlusten steigt der Motor deutlich 
hörbar aus. Wenn einzelne Schritte "verloren" gehen, ist das meist auf 
EMV-Probleme zurückzuführen. Eine reproduzierbare Verschiebung in den 
Umkehrpunkten deutet dagegen auf Abweichungen beim Drehmoment hin 
(s.u.).

> Mit immer
> gröberen Schritten funktionierte die Pumpe bei gewissen Betriebspunkten
> dann wieder besser bis gut.

Probier mal verschiedene Einstellungen für den Decay-Mode (Register 
0x4). Das hat erfahrungsgemäß großen Einfluss auf den Stromverlauf. Ggf. 
musst du auch das PWM-Timing anpassen. Am einfachsten kann man die 
Optimierung machen, wenn man den Phasenstrom per Hallsensor am 
Oszilloskop sichtbar macht. Es gibt auch eine Applicaton-Note von TI zu 
diesem Thema ("DRV8711 Decay Mode Setting Optimization", SLVA637), da 
sind hilfreiche Tipps zu verschiedenen Kurvenverzerrungen drinn.

> Deshalb meine Frage ob Mikroschrittbetrieb
> die Drehmomentkurve beeinflusst, da in den Datenblättern ausschliesslich
> die Drehmomentkurve im Halbschritt angegeben wird und die Resonanzen
> meist unterschlagen sind. (Natürlich hängen diese auch vom Aufbau ab,
> mich überrascht aber, dass es hier kein Norm für die Vermessung gibt??)

Da macht jeder Hersteller seins, je nach Firmenphilosopie wird mehr oder 
weniger stark geglättet oder mit Dämpfern optimiert. Leider werden auch 
immer weniger Kennlinien in logaritmischer Darstellung erstellt.

Mit freundlichen Grüßen
Thorsten Ostermann

von Marco L (Gast)


Angehängte Dateien:

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Thorsten O. schrieb:
> Probier mal verschiedene Einstellungen für den Decay-Mode (Register
> 0x4). Das hat erfahrungsgemäß großen Einfluss auf den Stromverlauf. Ggf.
> musst du auch das PWM-Timing anpassen.

Hallo Herr Ostermann,

Ich hatte zu Beginn die Stromregelungsparameter eingestellt. Ich habe 
heute beim entsprechenden Betriebspunkt die beiden Phasenströme 
aufgezeichnet. Sie sind dem Post angehängt.
Den beiden Strömen ist nicht anzusehen, dass irgendetwas nicht stimmt. 
Wenn Sie EMV-Probleme vermuten, würde sie als erstes die Strecke 
zwischen Treiber und SM verkürzen (also SM-Kabel kürzen)?
Wie sind ihre Erfahrungen mit der Hardware des EVALBoards zu den 
DRV8711-Treibern.

Mit freundlichen Grüssen
Marco

von Thorsten O. (Firma: mechapro GmbH) (ostermann) Benutzerseite


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Hallo Marco,

die Ströme sehen absolut sauber aus. Ich sehe da keinen Grund für 
Positionierfehler.

Ich würde mal versuchen, den Motor so anzubauen, das die Umkehrposition 
des Kolbens möglichst genau auf eine Vollschritt-Position fällt. Und 
dann die Messung bei verschiedenen Schritteinstellungen wiederholen. 
Mehr als ein Vollschritt wird die Position doch auch nicht gewandert 
sein, oder?

Mit freundlichen Grüßen
Thorsten Ostermann

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