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Schrittmotoren
V1.1
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Schrittmotoren
1. Voraussetzung
Genaue Kenntnis der Funktion von Gleichstrommotoren, Schrittmotoren, Erläuterungen der Vorbesprechung
2. Ziel :
Vertiefung der Kenntnisse über den Schrittmotor, Typen, Funktion, Ansteuerung
3. Einführung
Bei Schrittmotoren handelt es sich eigentlich um Synchronmotoren bzw. um Reluktanzmotoren. Sie dienen zur
Erzeugung von Stellkräften und exakten Verfahrwegen für Schlitten, ..
Der Vorteil gegenüber von Gleichstrommotoren ist vornehmlich darin zu sehen, daß der Verfahrweg nicht
zurückgemessen werden muß, sondern durch die Anzahl der vom Schrittmotor vollführten Schritte genau
determiniert ist. Allerdings tritt bei Belastung ein kleiner Fehlwinkel auf. Beachten Sie, daß die gewünschte
Schrittzahl / sec ( = Schrittgeschwindigkeit ) bei größeren Schrittgeschwindigkeiten nie sprungartig aufgeschaltet
werden darf. Sie muß langsam rampenförmig auf die gewünschte Schrittgeschwindigkeit erhöht werden, damit der
Schrittmotor der Beschleunigung folgen kann und keine 'Schritte verliert' !
3.1 Typen
unipolare Schrittmotore
bipolare Schrittmotore
Die Wicklungen werden nur in einer
Richtung durchstromt.
Üblich sind 4 Phasen.
Die Wicklungen werden in beiden Richtungen
Durchstromt. Üblich sind 2 Phasen.
N
S
Ein Schritt entspräche hier 90°-72°=18°. Eine Erhöhung der
Polpaarzahl ( hier 1 ) auf größere Werte verkleinert
die Schrittwinkel.
Ein Schritt entspräche hier 90°,...
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Schrittmotoren
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3.2 Ansteuerschaltungen
Die Ansteuerschaltung für die unipolaren Schrittmotore ist besonders einfach. Für bipolare wird hingegen pro Phase
ein Brückenschaltung benötigt. Allerdings sind hierfür integrierte Bausteine incl. Leistungsstufe erhältlich. Für
Motoren im sogenannten Mikroschrittbetrieb werden manchmal auch analoge Gegentaktendstufen verwendet.
unipolar für alle 4 Phasen
bipolar ( hier nur für eine Phase dargestellt )
Ansteuerschaltung
Brücke
+
+
-
Cboot
-
Die Schaltung ist sehr einfach!
Die Gate-Dioden dienen der schnellen Entladung der GateDrain-Kapazität und damit dem schnellen Ausschalten.
Beachten Sie, daß zum Durchaschalten der selbstsperrenden
FETs in der oberen Brückenhälfte eine Spannung über
der Betriebsspannung nötig ist => Bootstrapkondensator ,..
Freilaufdioden :
Werden induktive Lasten geschaltet, kann der Laststrom nicht plötzlich abgeschaltet werden. Es würden bei einem
plötzlichen Abschalten der Mosfets sehr hohe Selbstinduktionsspannungen auftreten die den Mosfet zerstören
würden. Schnelle Freilaufdioden müssen daher eingebaut werden. Sie übernehmen den Laststrom und verhindern die
Selbstinduktionsspannungen. Schaltungen ohne Freilaufdioden sind für induktive Lasten nicht geeignet.
3.3 Ansteuersequenzen
Die einfachste Betriebsart ist der Vollschrittbetrieb : immer eine Phase ist durchstromt. Im Halbschrittbetrieb werden
die Phasen überlappend durchstromt. Dadurch wird die Schrittauflösung halbiert. Im Hochmomentenbetrieb sind
immer 2 Phasen mit Strom beaufschlagt. Im Minischrittbetrieb nimmt der Strom in einer Phase schrittweise ab und in
der nächsten gleichzeitig schrittweise zu. So können beliebig viele Zwischenpositionen angefahren werden.
Vollschrittbetrieb ( jeweils uni- und bipolar )
P1
t
P1
t
P2
P3
P2
P4
Halbschrittbetrieb
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Vollmomentenbetrieb
Phasenstromverlauf im Mikroschrittbetrieb
tatsächlich werden normalerweise
sin-förmige Ströme beaufschlagt=>
konst. Moment
3.4 PWM für volle Leistung
Weil die Wicklung der Schrittmotore ein Induktivität aufweist, wird der Strom in den Phasen nur langsam nach einer
e-Potenz ansteigen. Die Folge wäre ein geringes Moment, schlechte Dynamik und kleine Maximaldrehzahlen.
Deshalb wird fast immer der Phasenstrom über eine hohe gechoppte Phasenspannung ( PWM ) erzeugt und überdies
auf den Wunschstrom geregelt. Dh. es werden nahezu rechteckige Stromimpulse mit der Höhe des
Phasennennstromes erzeugt. Die Nenn-Phasenspannung des Motors kann dabei um mehr als das 10fache
überschritten werden.
Stromverlauf ohne Chopper
mit Chopper ( PWM )
Nennstrom
Nennspannung
Sehr schleichender Stromanstieg
dadurch nur träger Momentenaufbau
geringe Beschleunigung,..
nahezu rechteckförmiger Stromverlauf
dadurch gutes Moment, Beschleunigung,..
Alternativ kann mit überhöhter Spannung und Vorwiderständen gearbeitet werden.
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Treiberbausteine :
Leistungs-FETs auf der High-Side (>50V) werden mit diskreten Schaltungen angesteuert, gerne mit BootstrapSchaltungen und auch mit IC - Treibern, die die Steuerspannung mit Übertragern oder optoelektronisch auf das
Highside-Potential bringen. Ist die Spannung kleiner ca. 50 V können Treiber ICs verwendet werden, die
keine eingebaute galvanische Trennung eingebaut haben (siehe auch 'Bauteile der Leistungselektronik'!)
Beispiele für Treiber :
L293D, HIP2500, PWR-INT200, PWR-INT201, ICL7667CPA, IL485 (optisch ), TDA2086ADP,..
L297
Treiber mit eingebauter Leistungsstufe ( nur für Verbraucher kleiner Leistung z.B. Schrittmotore,.. ) :
BTS721L1, L3717, L6203, LM18298T, H11C6 ( optisch ), TIL3021 ( optisch ), NDS9407 ( optisch ), ..
SAA1027
4. Aufgaben
4.1 3717
Mit dem Schrittmotorenbaustein 3717 wird ein bipolarer Schrittmotor angesteuert. Die Ansteuersequenzen werden
mit einem Mikrocontroller in 'Basic' erzeugt. Schreiben Sie ein Steuerprogramm und stellen Sie den Strom einer
Phase und den am Meßwiderstand Rs am Oszilloskop dar! Rs, IN0 und IN1 bestimmen die Phasenstromgröße, Phase
die Stromrichtung.
Uref=5V
Vcc=5V
Umot=5V
IN0
IN1
I
0
1
0
1
0
0
1
1
100%
60%
20%
0%
Osz.
IN0
9
11
6
3,14
1
IN1
7
Phase
8
Um+
Ro
IC3717
15 Um2
4,5,12,13
M
10
16
TP
Osz.
Ro .. Meßwid. Für Osz.
Rs .. Stromshunt
TP .. Tiefpaß
M .. Monoflop für PWM
Rs
Die Meßschaltung ist fertig aufgebaut. Das Programm steuert die Platine über den PPort Adresse 0x278 ( 0x378,..).
Bit am Port Wertigkeit
H278
0
0, 2
1, 21
2, 22
4, 24
5, 25
6, 26
1
2
4
16
32
64
Eingang
Programm (Basic )1 :
IN0
Phase
IN1
IN1
Phase
IN0
100 Poke H278,85
120 For I=1 to 10
140 Gosub200 I=20%
150 Next I
200 Poke H278,84
210 Poke H278,21
220 Poke H278,86
230 Poke H278,53
240 Return
am 1. IC3717
am 1. IC
am 1. IC
am 2. IC3717
am 2. IC
am 2. IC
I=60%
(81)
(69)
(83)
(101)
I = 100%
(80)
(5)
(2)
(37)
1
für einen PC mit der Parallelportadresse 0x3bc kann dieser als Steuerport verwendet werden. In C ist 'Poke 278,17' zu ersetzen durch
outport(278,17);
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4.2 SAA1027
Der Baustein dient zur Ansteuerung von unipolaren Schrittmotoren. Die Ansteuerung ist etwas einfacher, weil der
Strom nicht über digitale Eingänge eingestellt werden kann, sondern über ein Potentiometer. Schreiben Sie ein
Steuerprogramm und stellen Sie den Phasenstrom am Oszilloskop dar. Verstellen Sie den Phasenstrom mit dem
Potentiometer ( Achtung Izul = 250mA ).
10V
Programm :
Rx
14
C
15
M
3
R
2
4
Osz.
10 Input speed
40 Poke H278,0
50 For L=1 to speed : Next L
60 Poke H278,1
70 For L=1 to speed : Next L
80 Goto 40
13
6
SAA1027
8
9
11
Rx bestimmt den Phasenstrom
Bit am Port
0, 20
2, 22
1, 21
Wertigkeit
1
4
2
Eingang
C .. clock ( taktet einen internen Schrittsequenzer )
R .. reset ( aktiv low )
M .. mode ( vor/rück )
4.3 L298N
Der L298N verfügt in einem Multiwatt15 - Gehäuse über 2 Brückenschaltungen. Er dient als Leistungstreiber für
bipolare Schrittmotoren oder zur Ansteuerung von 2 Gleichstrommotoren. In Verbindung mit dem Baustein L297 ist
eine PWM-Stromregelung realisierbar. Wir verwenden nur den L298 ohne L297, steuern einen Gleichstrommotor
und erzeugen den PWM-Takt mit dem Mikrokontroller und einem Basicprogramm.
Vss=10V
Programm :
Vss=5V
Osz.
9
Ena
4
11
13
GM
Ro
In4
12
L298N
( unvollständig dargestellt )
In3
10
10 Input speed
50 For L=1 to 1 : Next L
60 Poke H278,4
(2)
70 For L=1 to speed : Next L
80 Poke H278,5
(3)
90 Goto 50
14
15
Bit am Port
0, 20
1, 21
2, 22
Rs
Ro .. Hilfsmeßwiderstand
Rs .. Strommeßshunt
Wertigkeit
1
2
4
Eingang
Enable
IN4
IN3
In dieser Anwendung werden von den zwei Brücken des L298 nur eine verwendet. Enable deaktiviert den IC und
ergibt den Freilauf. IN3,4 erlauben 4 Bitkombinationen und erlauben 4 Betriebsarten: vor/rück/2xBremsbetrieb
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