Schrittmotor - geringerer Strom, dafür höhere Spannung?

[ReiniX]

Hi!
Ich bin gerade dabei, als nicht Elektronik-Profi eine Ansteuerung für einen Schrittmotor zu basteln und hab da ein Strom/Spannungs-Problem.

Die Motordaten:
Ausführung = unipolar
I = 2 A / Phase
R = 1,79 Ohm / Phase
U = R * I = 3,58 V / Phase (selbst berechnet, da im Datenblatt nicht angegeben)

Das Netzgerät:
U = 14 V
I = 2 A

Meine Frage:
Ist es möglich, diesen Motor mit dem Treiber A3977 (für bipolare Motoren) von Allegro effizient zu betreiben? Dieser erlaubt nur einen Effektivstrom von 1,6 A und verfügt über einen Stromregler auf PWM-Basis.
Meine Idee war, den Strom des Motors mit dem Regler zu reduzieren (auf 0,5 A) und dafür die Spannung zu erhöhen (auf 14 V).

Meine Berechnungen dazu:
P = I² * R = 2² * 1,79 = 7,16 W / Phase
Würde ich eine Spannung von 14 V zur Verfügung stellen, so würden I = P/U = 7,16/14 = 0,5 A / Phase ausreichen.

Kann man das so machen, wie ich mir das hier vorstelle oder ist das Unsinn?

Bitte um Hilfe! - Danke schon mal vorab!

Nette Grüße, Reini

[kalledom]

Du rechnest mit dem Ohmschen Widerstand, die SM-Spulen sind aber auch induktiv.
Ich arbeite mit dem SM-Treiber PBL3717. Hier wird die Spannung bei Erreichen des maximal eingestellten Stroms abgeschaltet und nach kurzer Zeit (Chopper-Frequenz) wieder eingeschaltet. Das dürfte bei "Deinem" Baustein ähnlich sein. Selbst auf 5 oder 12 Volt Motoren "jage" ich bis zu 40 Volt bei niedriger Strom-Einstellung.
Nicht der Strom baut das Magnetfeld auf, sondern der Spannungs-Anstieg. Es ist das umgekehrte Prinzip des Generators: wenn dort ein hohes Magnetfeld die Spulen schneidet, wird eine hohe Spannung induziert. Beim Schrittmotor ergibt ein steiler Anstieg einer hohen Spannung ein kräftiges Magnetfeld auch bei kleinem Strom.

[Manf]

Wenn der Motor sich nicht schnell dreht oder fast steht, dann wird wenig Spannung induziert und der mittlere Spannungsabfall an den Spulen ist weitgehend durch den Widerstand bestimmt.

Der Chopper sorgt dann mit seinem Schaltverhalten gerade dafür, dass der eingestellte Strom im Mittel fließt. Durch die geringe relative Einschaltdauer ist der Strom aus der Versorgung dann auch entsprechnd gering.
Das stimmt schon so in etwa wie in der Rechung angesetzt.

Die Gegenrechnung heißt natürlich:
Die Leisung geht in die ohmschen Verluste, der Wirkungsgrad liegt bei 0%, wenn der Motor auch noch etwas leisten soll, dann kommt das was er leistet (und noch etwas mehr) hinzu.
Manfred

Danke erstmal für die schnellen Antworten!

Wenn ich eure Kommentare richtig deute, kann man das so machen, wie ich mir das ausgedacht habe.

Was mir noch a bissal unklar ist:
Steigt denn die Spannung auch tatsächlich auf 14 V an? Denn wenn sie dies nicht tun würde, dann hätte ich ja auch nicht die volle Leistung (P=U*I) des Motors zur Verfügung. Rein nach dem Ohmschen Gesetz würde sie bei einem Strom von 0,5A ja grad mal auf U=R*I=1,79*0,5=0,9V ansteigen?!

Nochmal zusammengefasst:
a.) Würdet ihr einen 2A-Motor mit einem Leistungstreiber der 1,6 A effektiv schafft antreiben?
b.) Kann ich durch erhöhen der Spannung (statt 3,58 auf 14 V) dennoch das volle Motormoment erreichen?
c.) Wenn nicht, welche Chips würdet ihr mir für die Ansteuerung meines Motors empfehlen (wenn möglich mit Mikroschritt)?

Vielen Dank nochmal im Voraus für eure Hilfe!

Liebe Grüße,
Reini

[Manf]

a.) Wenn nur 80% der Nennmoments benötigt werden kann man den Motor auch mit 80% des Nennstroms betreiben.

b.)Das volle Motormoment wird mit 2A erreicht, die dazu nötige Spannung hängt von der Drehzahl ab. Die Abgabeleistung des Motors ist Drehmoment mal Winkelgeschwindigkeit. Die Motorstrom-Steuerung schaltet verlustarm und entnimmt der Spannungsquelle im Mittel den Strom der zum Treiben des Motors nötig ist. Für den Stillstand wurde das oben schon grob abgeschätzt.

Manfred

[ReiniX]

OK, hab das so halbwegs verstanden. Meine Schlußfolgerung daraus - ich mach mich auf die Suche nach leistungsstärkeren Motortreibern!

Vielen Dank nochmal für die rasche Hilfe!

Reinhard

[RedFaction]

Hallo Leute,

auch wenn dieser Beitrag etwas älter ist. Meine Frage geht in die selbe Richtung daher hänge ich mich hier ran.
Kurz zu meinem Vorhaben. Ich möchte mir eine kleine CNC Fräse bauen, bzw. bin schon dabei.
Ich habe hier drei Schrittmotoren die ich für den Anfang gern benutzen würde. Sie sind aus einem Nadeldrucker. Die einzigen technischen Daten die ich dem Aufkleber entnehmen kann sind 1,8 Grad und 1,6 Ohm.
Meine erste Frage ist kann man durch denn früheren Einsatz (Nadeldrucker) auf die Nennspannung schliesen?

Meine zweite Frage, ich baue mir die RN-Stepp297, die ich für die jeweiligen Achsen verwenden möchte. Auf einem Schaltplan hier im Forum habe ich 3A als max Strom gelesen, auf einer anderen Stelle 2A.
Kann mir jemand sagen wieviel A die Schlatung wirklich max liefern kann?

Und nun zu meiner letzten Frage, kann mir jemand kurz die Zusammenhänge zwieschen Strom, Spannung, Drehzahl, Induktion anhand der RN-297 sowie meinem Schrittmotor mit 1,6 Ohm.
Also wieviel Spannung darf ich anlegen wenn ich die Schaltung auf 2A beschränke und wie wirkt sich das auf das Drehmoment. Von welchen Parametern hängt die Geschwindigkeit ab die der Motor erreichen kann?

Grüße

Giuseppe

[Kabelkasper]

1. die Nennspannung eines Schrittmotors aus seinem (bisherigen) Verwendungszweck ableiten? Ich wüßte nicht,wie.
2. für den max. Motorstrom ist der Treiberbaustein entscheidend (hier ein L298 mit 2A für jede der beiden Windungen)
3. ich taste mich in solchen Fällen so ran: DC-Spannung anlegen und in Minutenintervallen, also gaaanz langsam erhöhen, bis der Motor nicht mehr angefaßt werden kann, ohne Blasen an den Fingern zu riskieren. Dann fließt der maximal zulässige Strom. Wenn du allerdings die 2 A erzwingen willst: jede Spannung oberhalb 2 A*1,6 Ohm=3,2 V + 5 V (für die Treibertransistoren) treibt diesen Stromdurch die Windungen. Je höher die Versorgungsspannung darüber liegt desto höher wird die erreichbare Drehzahl (bei ca. 40V geht dann der Treiber-IC kaputt).
Die Zusammenhänge zwischen Strom, Spannung Drehzahl etc. sind beim Schrittmotor nicht ganz so einfach wie beim DC-Motor, aber es gilt auch hier der (fließende) Strom bestimmt das Drehmoment. und die Spannung ist dazu da, den Strom gegen den ohmschen Widerstand und die Wirkung der Induktivität fließen zu lassen.

KK

[RedFaction]

Danke Dir,

das hilft mir schon sehr.

Grüße

Giuseppe

[ranke]

Und nun zu meiner letzten Frage, kann mir jemand kurz die Zusammenhänge zwieschen Strom, Spannung, Drehzahl, Induktion anhand der RN-297 sowie meinem Schrittmotor mit 1,6 Ohm.
Also wieviel Spannung darf ich anlegen wenn ich die Schaltung auf 2A beschränke und wie wirkt sich das auf das Drehmoment. Von welchen Parametern hängt die Geschwindigkeit ab die der Motor erreichen kann?

Im Stillstand oder sehr niedrigen Drehzahlen fliesst ein Strom der sich über das ohmsche Gesetz ermitteln läßt: Bei R=1.6 Ohm und U=3,2V würden schon I=2A fliessen (3,2 V/1,6 Ohm=2 A). Bei zunehmender Drehzahl entsteht eine Generatorspannung (oft auch als EMK bezeichnet) die man direkt an den Anschlüssen messen kann, wenn man sonst nichts anschliesst. Die Generatorspannung wirkt dem Stromfluss entgegen, man muss jetzt I = (U-EMK)/R rechnen. Im Zahlenbeispiel: Ist die Generatorspannung 1V rechnet man (3,2V-1V)/1,6 Ohm= 1,375A. Oder anders herum: um einen Strom von 2A zu erreichen, muss man jetzt statt mit 3,2V mit 4,2V speisen.
Die Höhe der EMK ist proportional zur Drehzahl, der Proportionalitätsfaktor ist motorspezifisch.
Die Größe des abgegebenen Drehmoments ist proportional zum Strom, der Proportionalitätsfaktor ist motorspezifisch.
Der maximal zulässige Strom ist durch die zulässige Erwärmung des Motors begrenzt, er ist auch motorspezifisch.
Fazit: wenn man den Motor über einen größeren Drehzahlbereich mit konstantem mechanischen Drehmoment betreiben will, sollte der Strom etwa konstant gehalten werden. Dazu muss man aber die Versorgungsspannung proportional zur Drehzahl erhöhen.
Das Erhöhen der Versorgungsspannung ist aber schaltungstechnisch unpraktisch, deshalb geht man einen etwas anderen Weg: Man gibt dem Motortreiber immer ausreichend Spannung auch für die hohen Drehzahlen. Damit der Motor bei niedrigen Drehzahlen nicht durchbrennt, schaltet man den Motortreiber nur periodisch ein. Immer wenn der Spulenstrom zu hoch steigt unterbricht man die Spannungsversorgung und wartet mit dem Wiedereinschalten solange, bis der Strom wieder geringer geworden ist. Wenn man schnell genug macht schwankt der tatsächliche Spulenstrom nur wenig. Das Verfahren ist etwas aufwendig, weil es die ständige Messung des Spulenstroms verlangt. Viele Motortreiber (wie z.B. das RN step 297) haben aber schon die notwendige Schaltungstechnik integriert, so dass die Sache für den Anwender nicht zu kompliziert ist. Man muss im wesentlichen nur noch den maximal zulässigen Motorstrom einstellen (beim RN step 297 durch den Dreheinsteller auf der Platine).