Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik BLDC Motorcontroller für weiten Drehzahlbereich


von Wulf D. (holler)


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Ich möchte mit einem Motor eine kleine Material–Förderschnecke 
antreiben. Als Maximaldrehzahl genügen etwa 1000 U/min. Kritischer ist 
die Minimaldrehzahl die bis 10 U/min heruntergehen soll, um punktgenau 
anzufahren. Drehmoment ca 10 Ncm, also genügt ein kleiner, wenige Watt 
starker Motor. Steuerung mittels uC, bevorzugt AVR.
Dachte erst an einen DC Getriebemotor mit 5:1 Untersetzung, bin aber 
unsicher ob man den so weit runtersteuern kann, ohne dass das Drehmoment 
komplett einbricht.
Sinnvoller scheint mir ein BLDC mit Hallsensoren. Reichelt hat da einige 
im Angebot.
Kenne mich mit den BLDC nicht gut aus, wollte deshalb einen Treiber 
wählen, der viel selbst erledigt, z.B. den TI DRV8308.
Der unterstützt Hall-Sensoren, Überstromschutz und mehrere Varianten zur 
Drehzahlvorgabe. Günstig ist der auch noch, nur etwas schwer 
beschaffbar.

Hat jemand Erfahrung mit dem Treiber?
Insbesondere interessiert mich ob man den auf geringste Drehzahlen, also 
unter 1 Umdrehung pro Sekunde, runtersteuern kann und wie der mit den im 
Fast–Stillstand stark ansteigenden Motorströmen umgeht?
Kann man sich einfach auf die parametrierbare Strombegrenzung verlassen, 
die dann in jedem PWM-Zyklus die Treiber bei erreichen des Max-Stroms 
einfach abschaltet oder ist das Murks und man muss da ganz anders 
rangehen?

: Verschoben durch Moderator
von Chris V. (nagut)


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Mit diesem speziellen Treiber habe ich keine Erfahrungen.

Ich konnte jedoch mit dem bei China-Modulen weit verbreiteten 
einfacheren Controller JY01 etwas Erfahrung sammeln, siehe ggf.
https://www.insightcentral.net/attachments/jy01_v3-5_2018-english-pdf.83073

Geschwindigkeiten unter etwa 100 U/min werden mit einem der typischen 
3-poligen Motoren und Block-Kommutierung mittels Hallsensoren schwierig. 
Ich bezweifele, dass das für Deine Anwendung gut funktionieren wird, und 
würde auch hier zu einem Getriebe raten.

Die Alternative ohne Getriebe wäre dann wohl eine Vektorsteuerung. Das 
scheint mir allerdings ein unverhältnismäßig hoher Aufwand:
https://www.st.com/en/applications/industrial-motor-control/3-phase-field-oriented-control-foc.html

von Matthias S. (Firma: matzetronics) (mschoeldgen)


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Chris V. schrieb:
> Das
> scheint mir allerdings ein unverhältnismäßig hoher Aufwand:

So hoch ist der Aufwand gar nicht, wie die alte Application Note AVR447 
(heute AN8010(?) zeigt:
https://ww1.microchip.com/downloads/en/Appnotes/doc8010.pdf
Wer allerdings ncht selber baut, hats schwer, denn FOC Controller in 
klein sind selten. Mit AVR447 sind sehr geringe Drehtahlen kein Problem. 
Ich habe damit DD Plattenspielermotoren mit 10 U/min antreiben können.
Bei Github gibts mittlerweile ein Projekt zu AVR447:
https://github.com/TrystanLea/BLDC_Controller/

von Mi N. (msx)


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Wulf D. schrieb:
> Kritischer ist
> die Minimaldrehzahl die bis 10 U/min heruntergehen soll, um punktgenau
> anzufahren.

'Punktgenau' geht es mit einem Schrittmotor und 1000 UPM sollten auch zu 
schaffen sein.

von Oliver S. (oliverso)


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Es gibt im RC-Modellbau für geländegängige Automodelle brushless-Motoren 
mit Hallsensoren und die dazu passenden Controller, die sollten das 
können.

Oliver

: Bearbeitet durch User
von Rainer D. (rainer4x4)


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Ein DC Servomotor mit zusätzlichem Encoder im Vierquadrantenbetrieb kann 
auch bei der Drehzahl Null das max Drehmment zur Verfügung stellen, und 
dadurch seine exakte Position halten. Fremdkühlung vorrausgesetzt.

von Wulf D. (holler)


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@Chris: danke für den Hinweis zum JY01. Sieht von der Funktion ähnlich 
dem TI DRV8308 aus, nur fehlen dem die Gate-Treiber und die 
Konfiguration wird einfach über die Pins statt SPI-Interface 
vorgenommen. Hat auch ein paar Funktionen weniger, können aber beide 
nicht nur Blockkommutierung, sondern auch Sinussynthese. Ob man damit 
aber bis fast 0 U/min runterkommt, kann ich dem sparsamen Blatt leider 
nicht entnehmen.

@Matthias: schaue mir die App.-Note an, da gibt es viel zu lesen. Glaube 
noch immer, dass ein Synchronmotor die richtige Wahl wäre. Die 
Ansteuerung ist halt um Welten aufwändiger und wenn man zum Debuggen der 
SW den uC anhält, muss man etwas gegen zu hohe Motorströme unternehmen.

"Punktgenau" war evtl die falsche Wortwahl, eine Positioniergenauigkeit 
brauche ich nicht. Deshalb sollte es ohne Schrittmotor gehen. Wobei ein 
Synchronmotor auch nicht so weit davon entfernt ist.

Es geht darum, mit der Förderschnecke Behälter sehr präzise zu füllen. 
Die stehen auf einer Waage, die 2x pro Sekunde einen Messwert liefert. 
Der Füllvorgang sollte in 30s abgeschlossen sein. Damit das klappt, muss 
Anfangs eine hohe Drehzahl her und zum Schluss immer langsamer gefördert 
werden. Es kommt auf eine Umdrehung an.

An den Modellbau hatte ich auch schon gedacht, bis ich bei Reichelt 
passende Motoren sah. Liegen so um die 25€:
https://cdn-reichelt.de/bilder/web/xxl_ws/C300/ACT_57BL03.png
Warum die bürstenlose Gleichstrommotoren statt Synchronmotor heißen, 
verstehe ich allerdings nicht.

von Mi N. (msx)


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Wulf D. schrieb:
> Es kommt auf eine Umdrehung an.

Gut, das ist nicht so schwer zu erreichen.
Wenn Du Dich schon bei Reichelt umsiehst, dort gibts es auch fertige 
Treiber-Motor Angebote: 
https://www.reichelt.de/all-in-one-schrittmotor-nema-17-1-8-2-55-v-act-17hs44172802-p260763.html?&trstct=pol_0&nbc=1
Die Ansteuerung mit einem AVR sollte einfach sein, ich will Dich von 
BLDC aber nicht unbedingt abbringen.

von Peter D. (peda)


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Bei Modelleisenbahnen wurde früher gerne der Ruckelbetrieb verwendet. 
Über Phasenschieber wurde festgelegt, wann die positive und wann die 
negative Halbwelle zum Motor gelassen wurde. In Mittelstellung bekam der 
Motor 50Hz Wechselstrom und brummte nur vor sich hin. Wurde eine 
Halbwelle etwas gesperrt, bewegte er sich langsam, je nach 
Zeitverhältnis der beiden Halbwellen. Er ruckelte schnell hin und her 
und überwand so die Haftreibung.

Dosierventile werden auch oft gepulst. Jeder Puls entspricht dabei einer 
kleinen Fördermenge. Ventile lassen sich nur schwer linear ansteuern, da 
die Ventilklappen eine hohe Haftwirkung haben.

von Wulf D. (holler)


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Beim Ruckelbetrieb hat man sicher auch Maßnahmen gegen zu große 
Motorströme getroffen. Die Gegen-EMK ist ja drehzahlabhängig.

Ich vermute bei Nutzung einer der im Thread genannten BLDC-Controller 
kommen bei geringer Drehzahl automatisch Pulse zu Stande, da die 
Strombegrenzung eingreift. Wäre erwünscht, dann sollte auch das 
Drehmoment fast bis zum Stillstand erhalten bleiben.

Muss mir noch die Atmel App-Note ansehen. Auf den ersten Blick fiel mir 
keine Strombegrenzung auf, die müsste man ergänzen.

von Chris V. (nagut)


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Wulf D. schrieb:
> @Chris: danke für den Hinweis zum JY01. (...)
> Ob man damit
> aber bis fast 0 U/min runterkommt, kann ich dem sparsamen Blatt leider
> nicht entnehmen.

Ich war vom JY01 mittelmäßig enttäuscht, und würde ihn nur dann nochmal 
einsetzen, wenn die Entwicklung schnell gehen muss und ich das in der 
Zeit nicht selber machen kann.

Für eine meiner Anwendungen brauchte ich eine hochaufgelöst einstellbare 
Drehzahl zwischen 0,5 und 1,5 Umdrehungen pro Sekunde bei kaum 
Drehmoment, aber einer hohen Wiederholgenauigkeit nach Powercycle. Das 
war mit dem JY01 + PI-Regelung im vorgeschalteten Mikrocontroller nicht 
zu erreichen.



> "Punktgenau" war evtl die falsche Wortwahl, eine Positioniergenauigkeit
> brauche ich nicht. Deshalb sollte es ohne Schrittmotor gehen. Wobei ein
> Synchronmotor auch nicht so weit davon entfernt ist.

Für die oben angesprochene Anwendung nutze ich jetzt einen flachen 
NEMA17 Schrittmotor und ein Treibermodul mit TMC2208. Das funktioniert 
hervorragend! Ich brauche die Möglichkeit der Absolut-Positionierung 
dabei ja auch nicht. Der TMC2208 hat die Endstufen schon on-Chip, 
arbeitet mit einer Stromregelung für die Wicklungen und schaltet bei 
Übertemperatur selbstständig ab.

Dank dem 3D-Drucker-Hype ist das sogar noch eine ziemlich günstige 
Lösung. :-)

von Dieter D. (Firma: Hobbytheoretiker) (dieter_1234)


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Chris V. schrieb:
> Treibermodul mit TMC2208

Der sinusfoermige Verlauf wird durch 256-Schritte nachgebildet. Nur so 
laeuft der Motor rund bei niedrigen Drehzahlen.

von Wulf D. (holler)


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Ok, danke euch für die zahlreichen konstruktiven Rückmeldungen!
Die Tendenz darin geht eher zum Schrittmotor. Werde es erstmal damit 
versuchen.

Hoffe das uns nicht der Versuchsaufbau vom Labortisch vibriert und dass 
die 1000U/min erreichbar sind.

Der TMC2208 wird überwiegend auf einem DIL Adapter angeboten, finde ich 
persönlich etwas hässlich. Bei Mouser gibt’s den im QFN Gehäuse, da 
übersteigen die 20€ Versandkosten den Warenwert um ein Vielfaches. Mal 
schauen.

von Mi N. (msx)


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Falls Du Interesse hast, ich habe noch Platinen zu dieser Schaltung: 
Beitrag "Schrittmotoransteuerung mit A4982 und ATmega328"
und auch den A4982.
Programme dafür gibt es auch, sodaß ein Test schnell erledigt wäre.

von Wulf D. (holler)


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Danke für das Angebot. Werde aber selbst eine PCB mit dem benötigten 
Display-Kontakten und Tastern für ein UI entwerfen. Da kann ich einiges 
auch von der SW von anderen Projekten wiederverwenden.

Habe gerade gesehen, dass es bei Reichelt ein Upgrade des TMC2208, den 
TMC2209 für nur 3,30€ gibt.

Das Angebot an Schrittmotoren erschlägt mich aber total. Allein im 
Preisbereich bis von 10€ - 50€ sind es 66 Stück. Die Größen variieren.
Aber worauf sollte man sonst noch achten?
Auf ein paar 10 Euro kommt es mir nicht an.

Wulf

von Mi N. (msx)


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Na ja, die übliche Empfehlung für hohe Schrittfrequenz ist eine niedrige 
Induktion der Spulen, was niedrige Spannungs- und hohe Stromwerte 
bedingt.
Ein NEMA17 Motor müßte reichen und wenn das Datenblatt vorhanden ist, 
kann man daraus Drehzahl und Drehmoment entnehmen.
Eine günstige Variante wäre diese: 
https://www.reichelt.de/hybridschrittmotor-nema-17-1-8-1-7-a-2-6-v-act-17hs4417l2x2-p237909.html?&trstct=pos_4&nbc=1
Wegen maximaler Schrittauflösung habe ich selber immer 0,9° Motore 
verwendet, die etwas ruhiger laufen aber höhere Schrittfrequenzen 
brauchen. Als Beispiel: 
https://www.reichelt.de/hybridschrittmotor-nema-17-0-9-2-4-a-2-4-v-act-17hm5424-p237911.html?&trstct=pos_8&nbc=1

Wenn Du selber eine Leiterplatte mit nacktem Treiber aufbaust, achte auf 
Schutzdioden an den Ausgängen und unbedingt auf Schutz vor Überspannung, 
wenn der Motor bremst. Andernfalls bekommt man die Treiber ICs auch gut 
kaputt.
Diese TMCxyz klingen sehr verlockend, sind für Dein Vorhaben aber eher 
Last anstatt Lust. Einfache Treiber von Allegro A89... oder STM L64..., 
die sich einfach handhaben und bestücken lassen, würde ich bevorzugen.
Wichtig ist noch eine Betriebspannung von >= 24 VDC.

Ergänzung: Der Phasenstrom muß nicht auf den Maximalwert eingestellt 
werden. Das wäre nur wichtig, wenn bei niedriger Drehzahl das maximale 
Drehmoment benötigt wird. Bei hohen Drehzahlen sinkt der Phasenstrom auf 
Grund der Induktion der Spulen. Hier hilft allein eine hohe 
Versorgungsspannung, noch hinreichend Strom für hohes Drehmoment fließen 
zu lassen.

: Bearbeitet durch User
von Wulf D. (holler)


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Danke für deine zahlreichen Hinweise und Empfehlungen, werde mich daran 
orientieren.

Mi N. schrieb:
> Wenn Du selber eine Leiterplatte mit nacktem Treiber aufbaust, achte auf
> Schutzdioden an den Ausgängen und unbedingt auf Schutz vor Überspannung,
> wenn der Motor bremst. Andernfalls bekommt man die Treiber ICs auch gut
> kaputt.

Letzteres hätte ich sicher vergessen. Die Schutzdioden und Filter fielen 
mir schon in deinem Schaltplan auf.

Den TMC würde ich doch gern einbauen, mag die QFN Bauform seit ich meine 
PCBs nicht mehr selbst herstelle (bestelle bei Aisler).
Die Komplexität könnte ein Eigentor werden, aber man muss ja nicht alle 
Optionen nutzen und es gibt anscheinend auch freie Treiber-SW.
Der TMC kann 28V / 2A Dauerstrom.

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


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Hallo,

Mi N. schrieb:
> Wegen maximaler Schrittauflösung habe ich selber immer 0,9° Motore
> verwendet, die etwas ruhiger laufen aber höhere Schrittfrequenzen
> brauchen.

Wenn es um hohe Drehzahlen geht, sind Motoren mit 0,9° Vollschritt eher 
kontraproduktiv, weil man für die gleiche Drehzahl die Wicklung doppelt 
so oft umpolen muss wie bei einem normalen 1,8° Motor. Die 0,9° Motoren 
eignen sich eher für besonders ruhigen Lauf und hohe 
Positioniergenauigkeit bei niedrigen Drehzahlen.

Mit freundlichen Grüßen
Thorsten Ostermann

von Mi N. (msx)


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Wulf D. schrieb:
> Den TMC würde ich doch gern einbauen,

Da nehme ich an, daß es nicht nur um ein Einzelstück geht.

Auf ein paar Euro kommt es Dir nicht an, sodaß ich Dir sehr empfehlen 
würde, bei der Bestellung eines Schrittmotors (von Reichelt?) auch 
testweise einen fertigen Controller/Treiber mit zu bestellen. Es reicht 
ein ACT DM430. Damit kannst Du recht schnell testen, welche Spannung, 
welcher Strom und welche Feinschritte gut passen würden. Damit hast Du 
dann eine Basis für eine eigene Schaltung.

Thorsten O. schrieb:
> Die 0,9° Motoren
> eignen sich eher für besonders ruhigen Lauf und hohe
> Positioniergenauigkeit bei niedrigen Drehzahlen.

Dafür habe ich sie auch eingesetzt und so langsam sind sie nicht.

von Dieter D. (Firma: Hobbytheoretiker) (dieter_1234)


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Bei 10U/min, also 1U/6s waere das mit 256 Steps/U ein Ruckeln mit rund 
40Hz um 1,4 Grad. Bei 100 Hz pfeift es mit 400Hz.

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


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1000U/min waren als max. Drehzahl gefordert, dass sind 16,66U/s. Das ist 
für einen "normalen" 1,8° Schrittmotor schon sportlich und erfordert 
eine entsprechend hohe Versorgungsspannung. Viel Drehmoment liefert der 
Motor da nicht mehr.

10U/min als untere Drehzahl sind bei 1,8° 33,33 Vollschritte/s bzw. 
533,3 Mikroschritte/s, wenn man 1/16 Schritt wählt. Da sehe ich kein 
Problem. Bei 1/256 Mikroschritt sind es sogar 8,5kHz. Da dürften dann 
eher jitter-freie 850kHz bei der geforderten Maximaldrehzahl zum Problem 
werden.

Mit freundlichen Grüßen
Thorsten Ostermann

von Mi N. (msx)


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Thorsten O. schrieb:
> Bei 1/256 Mikroschritt sind es sogar 8,5kHz. Da dürften dann
> eher jitter-freie 850kHz bei der geforderten Maximaldrehzahl zum Problem
> werden.

Diese Rechnung ist abstrus. Niemand wird auf die Idee kommen, hohe 
Drehzahlen mit derart feinen Mikroschritten umzusetzen. Zum einen 
schaffen viele Controller/Treiber diese 850 kHz Eingangsfrequenz 
garnicht und zum anderen würde ein Jitter der Schrittfrequenz bei 50 - 
100 kHz Chopperfrequenz der Stromregelung garnicht beim Motor ankommen.

Bei statischer Mikroschritteinstellung sind 1/8 oder 1/16 auch bei 
niedrigen Drehzahlen ein guter Kompromiss. Ein ATmega328 mit 20 MHz 
schafft inkl. Rampenberechnung etwa 50 kHz Schrittfrequenz, womit bei 
1/8 Schritt die gewünschte Drehzahl von ca. 17 U/s gut umsetzbar ist.
Geschickter wäre es, bei niedriger Schrittfrequenz mit möglicht feinen 
Mikroschritten zu steuern und ab ein paar kHz auf 1/8 oder 1/4 Schritt 
umzuschalten.

Zum sportlichen Teil:
Zum oben verlinkten Motor gibt es eine Drehmomentkurve in Verbindung mit 
einem DM420 Controller:
https://www.reichelt.de/index.html?ACTION=7&LA=3&OPEN=0&INDEX=0&FILENAME=X200%2F17HS4417L20P1-X2DATASHEET.pdf
Da sind bei 1000 Upm rund 0,15 Nm dargestellt. Insofern sollte diese 
Kombination passen und der Motor auch mit anderen Controllern/Treibern 
diese Drehzahl erreichen. Die Verwendung von Beschleunigungsrampen und 
ein vibrationsfreier Aufbau sind wie immer Pflicht.

von Wulf D. (holler)


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Habe zwei Motoren und auch einen DM420 Controller zum Warmwerden mit der 
Materie mitbestellt. Sowie was man sonst noch so an Bauteilen braucht 
und nicht im Bestand ist.

Vielen Dank noch mal an alle, so macht das Forum Spaß.

Gruß Wulf

von Mi N. (msx)


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Endlich mal jemand, der meinen Rat befolgt ;-)
Eine kleine Taktgeberschaltung mit ATtiny hätte ich noch für einen 
einfachen Test: 
http://mino-elektronik.de/Generator/takte_impulse.htm#bsp5

Einen dieser DM/MD Treiber hatte ich hier mal zu liegen und ein wenig 
getestet: Beitrag "Re: Schrittmotor macht keine Drehzahl"
Das Teil hat mir trotz der statischen Einstellungen für Strom und 
Feinschritt gefallen.

von Wulf D. (holler)


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Wir haben heute die Steuerung für den Schrittmotor mit der 
Fördermechanik „integriert“: ist alles prima gelaufen, das Projekt ist 
abgeschlossen.

Die Entscheidung für einen Schrittmotor war richtig!

Der DM420 war in der Anfangsphase durchaus nützlich: für mich, um ein 
Gefühl für das Verhalten von Schrittmotoren zu bekommen. Und für den 
Kollegen der die Mechanik entwickelt hat, mehrere hundert Kilometer 
entfernt am anderen Ort. Ihm habe ich den Controller mit einem zweiten 
Stepper (kostet ja fast nichts) und einem kleinen Taktgeber geschickt.

Waren aber durchaus einige Hinternisse auf dem Weg. Habe einen TMS2209 
Steppertreiber, einen Attiny1627 sowie ein 1,3“ OLED mit Joystick als 
wesentliche Bauteile verwendet. Material kaum 20€, mehrere Prototypen 
aufgebaut.

- TMC SW-Treiber von Analog Devices im Github
- Rampen, Regler und Stall-Korrekturen selbst programmiert

Anfangsschwierigkeiten gabs durch einen Layout-Fehler am TMC und 
allgemein in den Eigenheiten der verschiedenen Betriebsmodi des 
TMC-Treibers.

Wollte bis zu 1000 U/min erreichen, die Eigenschaften der Mechanik waren 
zunächst nicht genau fassbar, war nicht fertig.
Die für einen Stepper relativ hohe Drehzahl war nur in einem bestimmten 
Betriebsmode (Spread) erreichbar. Dabei traten aber unregelmäßig 
Synchronisationsverluste (Stall) auf.
Wie man die genau detektiert, wird im Datenblatt aber nur für den 
Stealth-Mode erklärt.
Wie auch immer, habe einen Weg zur Erkennung gefunden.
Außerdem liesen sich die Stall bei genügend hoher mechanischer Dämpfung 
vermeiden. Hab das hohe Drehmoment der Stepper total unterschätzt, der 
läuft quasi ohne nennenswerte Last.

Am Ende genügte der flüsterleise, Stall-freie Stealth-Mode mit seinem 
geringeren Drehzahlvermögen eh aus, da die Förderleistung der Mechanik 
besser war als vorher erwartet.

von Harry L. (mysth)


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Ich verwende gerne diese closed-loop Stepper:

https://de.aliexpress.com/item/1005005593922187.html

von Wulf D. (holler)


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Ja, man hätte einen closed-loop Stepper nehmen können, aber gerade bei 
Aliexpress kauft man die Katze im Sack.
Was man da bekommt ist im Voraus kaum abschätzbar.

von Harry L. (mysth)


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Wulf D. schrieb:
> Ja, man hätte einen closed-loop Stepper nehmen können, aber gerade bei
> Aliexpress kauft man die Katze im Sack.
> Was man da bekommt ist im Voraus kaum abschätzbar.

In dem Fall absoluter Blödsinn!

Makerbase ist keine Klitsche und recht renommiert.
Ich hab da selbst mehrfach bestellt, und die Lieferungen waren immer 
sehr schnell und entsprachen exakt der Beschreibung.

von Mi N. (msx)


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Harry L. schrieb:
> Ich hab da selbst mehrfach bestellt, und die Lieferungen waren immer
> sehr schnell und entsprachen exakt der Beschreibung.

Dann freu Dich doch, aber mecker hier nicht rum, wenn andere Leute 
zurückhaltender agieren. Bedenken sind kein Blödsinn!
Im industriellen Bereich ist langfristige Verfügbarkeit angesagt, wobei 
der Firmenname "makerbase" eher nach 'hype-orientiert' klingt.
Gut, wenn es nicht so ist bzw. war.

von Wulf D. (holler)


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Harry L. schrieb:
> Wulf D. schrieb:
.
>> Was man da bekommt ist im Voraus kaum abschätzbar.
>
> In dem Fall absoluter Blödsinn!
>
Ich sage ja nicht dass das Material nichts taugt, aber es gibt vorab 
wenig Infos. Ich hätte z.B. gern das Drehmoment über die Drehzahl 
erfahren. Die Stromaufnahme ist auch nicht ganz unwichtig. Nichts davon 
sehe ich in den angegebenen Links.
Das ist beiden Aliexpress-Angeboten oft so . Man kann damit leben, 
kostet ja (fast) nichts. Muss man aber nicht.

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