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4.2.3 Schrittmotortreiber mit Chopper

Erstellt ab 20.09.2009

Viele Leser unter Euch stellen folgende Frage (FAQ):

"Ich habe einen Schrittmotor aus einem alten Drucker ausgeschlachtet und möchte damit experimentieren."
"Passt deine Platine 9-1-1 dazu ?"

Da musste ich bislang stets schreiben:

"Nein, leider passt meine Platine nur für motoren, die auch für 12 Volt ausgelegt sind."

Jetzt habe ich mich entschlossen, eine Platine zu entwickeln, die auch für die anderen bipolaren Motoren passt. Also setzte ich mich eines Sonntags hin und begann erst einmal, die Schaltung zu stecken:

Zunächst erst einmal die beiden ICs L297 und L298 drauf stecken:
 


Das kleine Paltinchen haben wir ja im anderen Artikel kennen gelernt. Nun kommen die Dioden hinzu, ich habe ihnen einen eigenen Teilbereich gewidmet:



Aber das kennen wir ja schon, da ist bislang kein Unterschied zum Vorgängerartikel. Abernun kommen die beiden Fühlerwiderstände hinzu ("Sense-Widerstände"). Jede der beiden Widerstände ist mit einer der Spulen im Motor in Reihe geschaltet. Dadurch wird der jeweilige Strom einer Spule durch den Fühlerwiderstand gezwungen und m an erhält am Widerstand eine Spannung, die dem Spulenstrom proportional ist. Aber zunächst stecken wir diese Widerstände erst einmal:



Wie wir sehen, sind die ersten Drahtbrücken ebenfalls gesteckt. Die Sense-Leitungen dürfen natürlich nicht vertauscht werden...

Danach steckte ich den Versuchsaufbau erst einmal fertig:



Das ist dann auch schon alles, wenn ich alles richtig gemacht habe. Zu beachten ist hierbei, dass später recht große Induktionsströme auftreten können, und das deshalb der Elko schön groß gemacht werden muss. Natürlich darf dann die Versorgungsspannung des Motors die zulässige Spannung des Kondensators nicht überschreiten. Der kann sonst mit einem lauten Knall platzen.

zudem ist zu beachten, das hier mit zwei Versorgungsspannung gearbeitet wird:

  • 5 Volt
  • 12 bis 36 Volt (abs. max.), besser 24 Volt



Nun aber erstmal der Plan:


Hier heißt es jetzt ==> Experimentieren.

Man kann folgende Fehler machen:

  • die Motorspulen sind nicht richtig angeschlossen
  • die Signalleitungen "Sense 1" und "Sense 2" sind vertauscht
Im Fall der nicht richtig angeschlossenen Motorspulen dreht der Motor entweder gar nicht, oder erdreht falsch herum.
Im Fall der verstauschten Sense-Leitungen lässt sich der Chopper nicht vernünftig einstellen.

Die Vertauschten Sense-Leitungen erkennt man daran, dass man den Motorstrom mit dem Poti P1 nicht mehr ganz herunter regeln kann. Wenn die Sense-Leitungen also vertauscht sind, fließt ungefähr immer der gleiche Motorstrom, egal, was man auch am Poti einstellt.

In dem folgenden Video ist noch einmal kurz zu sehen, wie die Schaltung mit 27 Volt Motorspannung arbeitet.


Achtung ! Natürlich benötigen der L297 und der L298 auch weiterhin noch eine zweite Spannung von 5 Volt für die internen Elektroniken !
Niemals die 27 Volt auf diese Eingänge legen !



Meine Werkbank sah dann also so aus:

In der linken unteren Ecke des Steckboards ist ein normales Poti zu sehen. Damit lässt sich der Chopper bereits einstellen. Das ist aber letztlich doch eine reichliche "Fummelei", so dass ich hier entweder ein Mehrgangpoti oder eben einen Spindeltrimmer empfehle.

Die beiden Sense-Widerstände R2 (rechts unten auf dem Steckbrett) sollten übrigens nicht größer als 1 Ohm sein und sollten dann für eine Leistung von 2 Watt ausgelegt werden, damit der Chopper gut eingestellt werden kann und die Widerstände nicht zu warm werden.

Dieser erste Probemotor war dann aber doch "etwas mickerig".  Es sollte also noch ein Versuch mit einem größeren Motor folgen. Dieser "Grabbeltischmotor" hat übrigens auch nicht unbedingt gute Werte, das habe ich schon mit bloßem Auge gesehen. Sehen wir also einmal, wie ein größerer Motor reagieren wird.

Dazu holte ich meine Schrittmotor-Kramkiste hervor und suchte einen Motor aus, der für 27 Volt Direktbetrieb überhaupt nicht geeignet ist. Er hat folgendes Typenschild:



Wir sehen also, dass der Motor eine Nennspannung von 7,4 Volt hat und mit 1 Ampere betrieben werden soll. wir können die 7,4 Volt vergessen, denn wir haben ja den Chopper, der den Strom auf 1 Ampere regeln soll.

Zuvor sehen wir jedoch unten, dass die Kabel abgeschnitten sind. Da müssen nun erst einmal neue Kabel dran, richtig schön mit Schrumpfschlauch, damit ich mir keinen Kurzschluss einfange.

Übrigens hat dieser Motor, so wieder andere auch, 6 Anschlusslitzen. Das ist aber nicht schlimm, zwei der sechs Litzen sind Mittelanzapfungen der Spulen, so dass man den Motor auch alternativ unipolar betreiben könnte. Man kann die Spulen also mit einem  Durchgangsprüfer durchpiepsen und die zwei größen Widerstandswerte (evtl. Multimeter) zeigen dann an, auf welchen Litzen die Spulen liegen.

Hier sieht man jetzt nur 5 Litzen. Es gibt noch eine rote, die auf dem Foto von der blauen verdeckt ist, also bitte "keine Panik" ...

Nun kommen aber erst einmal die Litzenverlängerungen an den Motor gelötet.

Nachdem das fertig war, schloss ich den Motor an, drehte die Versorgungsspannung langsam auf 27 Volt hoch und stellte dabei den Chopper auf 2 Ampere im Stillstand des Motors ein.

Warum 2 Ampere ? auf dem Typenschild stand doch 1 Ampere !

Nun, wir erinnern uns, wir haben es mit 2 Spulen zu tun, also fließt auch der doppelte Strom.

Im Schaltplan sind für diesen Zweck aber extra noch einmal 2 Jumper eingezeichnet, so dass man den exakten Strom auch mit einem Multimeter anstatt mit dem Labornetzteil messen kann. Hier misst man dann aber den einfachen Spulenstrom je nach gezogenem Jumper.

Dann sah es auf meiner Werkbank so aus:



Der Schrittmotor wird hier von einer Mechanik mit Zahnrädern und Zahnriemen verdeckt. Das Ganze stammt aus einem alten, ausgeschlachteten Kopierer.


Ich versuchte, den Schrittmotor mit der Hand anzuhalten und hätte mir beinhae böse den Fingergeklemmt. dieser etwas größere Schrittmotor war also schon nicht mehr per Hand anzuhalten, zumal die Zahnräder auch noch untersetzt waren.

Die Resonanz bekommt man aber mit geeigneten Schrittzahlen in den Griff. Da muss dann ein wenig experimentiert werden.

Man kann dann auch erkennen, dass der Strom trotz Chopper bei Zunahme der Schrittfrequenz irgendwann in die Knie geht. Das ist durch die Induktivitäten in den Spulen bedingt und nicht änderbar. Bei Stillstand jedoch würde dieser 7,4-Volt-Motor durchbrennen. Der Chopper aber verhindert, dass dies geschieht, indem er den Strom herunter regelt.

Wie das geschieht, sehen wir jetzt:

Nehmen wir einmal an, wir würden eine große Spule (große Induktivität) mit einem Schalter in Reihe schalten und würden dort ein Oszilloskop anschließen:



Dann würden wir feststellen, dass der Strom nicht sofort in voller Höhe fließt, wenn wir den Schalter einschalten:



Jetzt kann man sich folgendes leicht vorstellen:

Wenn wir den Schalter nun ganz schnell an und aus schalten, so wird der Spulenstrom immer nur gerade anfangen zu fließen und der Schalter wäre bereits schon wieder offen, bevor sich der komplette Spulenstrom aufgebaut hätte:



Hier kann man dann auch gut verstehen, warum ein Schrittmotor mit höher werdender Schrittfrequenz "in die Knie" gehen muss. Der resultierende Spulenstrom wird immer geringer, je höher die Schrittanzahl ist. Daher kann man einen Schrittmotor nicht beliebig schnell drehen lassen.

Warum aber nun dieser "Chopper" ?
(vergl. engl: "to chop" ==> zerhacken)

Nun, um nun bei höherer Schrittfrequenz (Schritte pro Sekunde) einen höheren Spulenstrom zu erhalten, erhöht man einfach die Betriebsspannung, mit der die Spulen betrieben werden.

Z.B 24 Volt ist ein guter Wert, oder man benutzt einen Halogen-Trafo mit 12 Volt und richtet dessen Wechselspannung gleich und glättet sie.

Dann würde der Stromanstieg in den Spulen wesentlich steiler sein und der Motor hätte auch mit höherer Schrittfrequenz eine bessere "Stromausbeute".


Aber jetzt ACHTUNG !

Wenn man den Motor mit höherer Spannung betreibt, ist es nun klar ersichtlich, dass diese Spannung viel zu hoch ist, wenn der Motor steht oder sich in niedriger Schrittfrequenz befindet. Die sogenannte "Gegen-EMK" fehlt dann und die Spulen des Motors können durchbrennen.

Daher setzt man nun den Chopper ein.


In unserem Chopper ist ebenfalls ein  Schmitt-Trigger eingebaut, jedoch ohne nennenswerte Hysterese. Sobald also der Spulenstrom des Motors  einen eingestellten Wert überschreitet,  schaltet der  im L297 eingebaute Schmitt-Trigger  den L298 frei, so dass kein Spulenstrom mehr fließt. Daraufhin baut sich der Strom in der betreffenden Spule über die Dioden wieder ab.

Nun aber fällt der Spulenstrom wieder unter die eingestellte Marke und der L297 schaltet den L298 wieder ein.

Dies geschieht mit bis zu 20 kHz, also 20000 mal pro Sekunde. Deshalb sind auch schnelle Dioden vorteilhaft.


Nun ist gewährleistet, dass der Motor bei Stillstand und und bei langsamer Schrittfrequenz (Drehzahl) nicht zu heiß wird.

Der Strom der Spulen wird dann einfach noch an den beiden Sense-Widerständen in eine proportionale Spannung umgewandelt und zurück in den L297 auf den internen Schmitt-Trigger geleitet. Die Schaltschwelle ist dann mit dem Poti P1 (Spindeltrimmer) einstellbar. Diese Stromeinstellung sollte man bei Stillstand des Motors vornehmen.

Merke:

Bei sehr hohen Drehzahlen wird der Chopper überflüssig, da der maximale Strom sowieso nicht mehr erreicht wird. Der Chopper setzt dann selbsttätig bei niedriger werdenden Drehzahlen wieder ein.

Das kann man am Motor manchmal als Pfeif-oder Zischgeräusch hören.

Ein pfeifender, fiepender oder zischender Motor im Stillstand besagt also nur,
dass der Chopper arbeitet und alles in Ordnung ist.





Dies ist ein Beispiel der fertig aufgebauten Platine.



Achtung !
Induktion & Abwärme !

  • Trenne nie den Motor von der Platine, während die Spannung angeschlossen ist !
  • Ziehe nie die Jumper ab, wenn die Spannung angschlossen ist !
Schalte die Platine vorher frei !

        • Benutze ab 700mA Gesamtstrom (im Stillstand des Motors) unbedingt einen Kühlkörper für den L298 !
        • Achte darauf, dass der große Elko auch für die Betriebsspannung des Motors ausgelegt ist !
        • Betreibe die Platine nie mit mehr als 34 Volt Motorspannung !


Wenn Du einen Jumper ziehst, oder den Motor abklemmst, während die Spannung noch anliegt, kommt es in den Motorspulen zu hohen Selbstinduktionsspitzen, die den L298 beschädigen können, da die Freilaufdioden in diesem Fall nicht richtig wirken können !

  • Also schalte die Spannung stets ab, bevor Du Strommessungen an den Jumpern vornimmst.
  • Auch wenn du den Motor umklemmen möchtest, musst Du die Spannung vorher immer abschalten.

Aktuelles Modell, gestartet am 07.07.2015:




Danke für die Aufmerksamkeit,



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