Mehr Spaß mit Schrittmotoren...

Dem ambitionierten Hobby-Mechatroniker fehlt es selten an Ideen für neue Schrittmotor-Projekte, und oft genug hält die Bastelkiste auch schon das eine oder andere vielversprechende Exemplar bereit. Ohne konkrete technische Daten wird der Einsatz eines Schrittmotors jedoch zum Glücksspiel. Datenblätter zu älteren No-Name Bauteilen sind leider kaum zu beschaffen, man kann ja schon froh sein, wenn ein winziges Typenschild über Schrittwinkel und Spulenwiderstand Auskunft gibt...
Die Anschlussbelegung lässt sich ganz schnell durch ein paar ohmsche Messungen an den Spulen ermitteln. Dagegen bleiben Drehmoment, Haltekraft, maximaler Spulenstrom und maximale Drehzahl im Dunkel, solange man den Motor nicht zum Laufen kriegt.

Bild 1:
Der Schrittmotortester kann die meisten unipolaren und bipolaren Schrittmotore direkt ansteuern und ermöglicht die wichtigsten Funktionstests - ohne dass man dafür seinen Compi oder eine NC-Steuerung in Gefahr bringen müsste.

Projekt "Schrittmotor-Tester"

Als glücklicher Besitzer einer CNC-Steuerung oder einer PC-basierten Schrittmotorkarte könnte man auf die Idee kommen, den unbekannten Schrittmotor einfach mal dort anzuklemmen, in der Hoffnung, dass sich was bewegt. Manchmal geht's gut, möglicherweise aber nicht, und dann ist man unglücklicher Besitzer von einem Haufen verschmorter Elektronik geworden...

Für solche Experimente wäre ein autonomes Testgerät praktisch, das unabhängig von kostspieliger Computerhardware funktioniert. Strommessungen und Belastungstests am laufenden Schrittmotor ließen sich damit gefahrlos durchführen.
Meine Zielsetzung war es, einen Schrittmotor-Tester zu entwerfen, der nahezu "idiotensicher" ist, und sich auf das Wesentliche konzentriert:

Digitaler Vollschrittbetrieb in weitem Drehzahlbereich (bis etwa 1000 Schritte/Sekunde);
Unipolare wie bipolare 2-Phasen-Schrittmotore testbar;
Vorwärts-/Rückwärts-Lauf; Einzelschritt;
Robuste Endstufe für Dauerbetrieb bis 1A Phasenstrom, kurzfristig 2A;
Uneingeschränkt "hot-plug"-fähig;
Weiter Betriebsspannungsbereich 7...35V, je nach Nennspannung des zu testenden Motors;
Absicherung gegen permanenten Überstrom für entspanntes Experimentieren;
Preiswerte Standardkomponenten, nachbausichere Schaltung.

Schaltung

Bild 2: Schaltplan

Schaltungsdetails

Signalerzeugung

IC1, der allbekannte Timer 555, bildet zusammen mit wenigen passiven Bauteilen einen durchstimmbaren astabilen Multivibrator. Er generiert ein Taktsignal von ca. 10-2000 Hz für kontinuierlichen Schrittbetrieb. Am Linksanschlag des Potis setzen die Schwingungen allerdings komplett aus, weil über R2 zu viel Entladestrom gegen Masse abfließt. Auf diese Weise gelangt man (ohne zusätzlichen Schalter) in den Halte- bzw. Einzelschrittbetrieb.
Mit dem Drucktaster Pb1 können dann per Hand einzelne Taktimpulse gegeben werden. Eine Hälfte von IC2 (Zweifach-D-Flipflop 74LS74) dient dem notwendigen Entprellen dieses Tasters. Über D2/D3 werden die negativen Impulse zusammengeführt (wired-AND).
Die zweite Hälfte von IC2 arbeitet als Frequenzteiler und macht aus den von AMV oder den von der Taste gelieferten Impulsen ein Rechtecksignal mit der halben Oszillatorfrequenz und 50% Tastverhältnis.
Die Ausgänge Q- bzw. /Q von IC2 führen nun auf zwei weitere Frequenzteiler, gebildet aus den beiden D-FFs in IC3 (ebenfalls 74LS74). An deren Ausgängen stehen nun Rechtecke mit nochmals halbierter Frequenz zur Verfügung, die unter einander genau 90° Phasenversatz aufweisen. Das ist das gewünschte Quadratursignal zur Ansteuerung des Schrittmotors' Erregerspulen. Siehe Timingdiagramm (Bild 3)!
Der Wechsel zwischen Rechts- und Linkslauf geschieht in dieser Schaltung durch bloßes Umschalten zwischen invertiertem und nichtinvertiertem Ausgang eines Flipflops von IC3. (Diese Methode ist natürlich nur in einem reinen Testgerät zulässig, da es beim Umschalten zu Schrittverlust kommen kann.)

Timing Schrittmotortester V1c

Bild 3: Erzeugung der Steuersignale

Leistungsteil

Eine H-Brückenschaltung, bestehend aus T1-T4 (BD679, NPN) und T5-T8 (BD678, PNP) und wenigen Passivkomponenten bringt die Quadratursignale aus IC3 auf Leistungspegel, d.h. aus 0V/5V TTL-Logik werden belastbare bipolare Treiberströme für die Speisung der beiden Erregerspulen des Schrittmotors.
Die doppelte Brückenschaltung hat ganz allgemein den Vorteil, dass sie bipolare wie unipolare Motore treiben kann und dabei mit einfacher Betriebsspannung auskommt.
In der vorliegenden, diskret aufgebauten Variante wurden Darlington-Schalttransistoren verwendet, die sich nach Art eines R/S-Flipflops gegenseitig den Basisstrom liefern. Man kommt mit einem Minimum an externen Bauteilen und nur einem Steuersignal pro Brücke aus. Die Kondensatoren C5-C8 dienen der Unterdrückung höherfrequenter Störimpulse. Für eine echte Schrittmotor-Steuerung hätte diese stark vereinfachte H-Brückenschaltung leider gewisse Nachteile (keine galvanische Trennung, Schrittverlust bei Überlast), für einen Tester stellt sie jedoch einen passablen Kompromiss dar.
Falsch angeschlossene Motorwicklungen, Induktionsspannungen, zeitlich begrenzter Überstrom, all' das muss eine experimentierfreudige Endstufe abkönnen. Die vorgeschlagenen Transistoren verkraften laut Datenblatt bis zu 4 Ampere Kollektorstrom, was die Endstufe äußerst robust macht; die 4 A sind in dieser Anwendung allerdings nicht im Dauerbetrieb zulässig, da die Transistoren hier ohne Kühlkörper auskommen müssen. Aber auch dann schaffen sie noch 1 A im Dauerbetrieb, ohne rot zu werden...
Setzt man die Schmelzsicherung auf hasenfüßige 1A/träge, dann sollte nun wirklich nichts kaputt gehen, weil pro Phase nur etwa 500mA Spulenstrom fließen können.

Betriebsspannungen

Zur Spannungsversorgung des Logikteils dient VR1, ein überaus exotischer Festspannungsregler vom Typ 7805 (78S05). Dank stabilisierter 5V bleibt die Frequenz des AMV auch unter Lastschwankungen konstant und zusätzlich wird eine Entkopplung vom Leistungsteil erreicht. Da VR1 nur die drei LSTTL-Chips mit ihren maximal 60mW zu versorgen hat, benötigt er im gesamten zulässigen Arbeitsbereich von etwa 7V bis 35V keinen Kühlkörper.
Der Leistungsteil wird unter Zwischenschaltung einer Schmelzsicherung aus der zur Verfügung gestellten Betriebsspannung gespeist. Somit ist die Betriebsspannung für den Schrittmotor in weiten Grenzen frei wählbar. Die Betriebsspannung muss nicht stabilisiert sein. Die Betriebsspannung sollte allerdings richtig gepolt sein. Anderenfalls wird über D1 (in Fachkreisen auch "Idioten-Diode" genannt) ein etwas höherer Strom fließen, der die Sicherung sofort auslöst.

Stückliste

Kondensatoren

C1			100n ker.
C2			470µF / 25V
C3			Elko 2µ2 / 16V
C4			Elko 10µF / 16V
C5, C6, C7, C8		100nF / 63V (MKS)


Widerstände (alle 1/4W 5%, sofern nicht anders verlautbart ;-)

R1, R7, R8		1k
R2, R6			10k
R3			330
R4			470
R5, R9-R14		2k2
P1			5k lin. für Zentralbefestigung


ICs

VR1			7805 
IC1			NE555
IC2, IC3		74LS74 
D1			1N4003
D2, D3			1N4148
LED1			Normal-Current LED, grün
T1,T2,T3,T4		BD679 (NPN) 
T5,T6,T7,T8		BD680 (PNP)


Sonstiges

Pb1 		Taster 1xEin
Sw1 		Schalter 1xUm (e.g. APEM MS500APC) f. Zentralbef.
X1		Lötstützpunkte (zur Stromversorgungsbuchse) 
X2, X3		Schraubklemmen RM 5 mm	
Sicherung	F1A (träge) & Halter (5x20mm)
Platine		60x100 mm, siehe Layoutvorschlag
Gehäuse		65x105x30 mm (z.B.: ELSA2010, SD10sw, TEKO10008)

Platinenlayout

Bild 4a/b: SMT-Layout und Bestückungsplan @ 200 dpi - Klickbar für Originalgröße oder Download.

Anmerkungen

Das Layout wurde für einseitige Leiterplatte von 100 x 60 mm entworfen; dieses Format passt genau in diverse Standardgehäuse (siehe Stückliste). Da sich hier alles im niederfrequenten Bereich abspielt, ist ein Nachbau auf Lochraster ebenfalls problemlos möglich.
Poti, Schalter und Taster sollten für Zentralbefestigung ausgelegt sein; sie können dann einerseits direkt auf die Platine gelötet und andererseits mit der Frontplatte verschraubt werden. Für zusätzliche Stabilität im Bereich der Klemmen sollte man M3-Distanzbolzen einsetzen.
Die Mindest-Betriebsspannung für den Tester sollte etwa 7V betragen, damit VR1 noch stabile 5V für den Logikteil liefern kann.

Zur besseren Orientierung empfiehlt es sich, am Drehknopf eine Skala anzubringen. Vorschlag für 270°-Poti:
7 Teilstriche im Abstand von 45 Grad; Beschriftungen 0 (Stopp), 10, 20, 50, 100, 150, 200, 500 Hz.
Als Messpunkt für einen Frequenzzähler eignen sich alle Q-Ausgänge von IC3.
Die Endstufentransistoren sind Darlingtons für Schaltanwendungen, Bauform SOT-32, Uce max. 100V, maximaler Kollektorstrom 4A, Näheres steht im Datenblatt. Diese Typen haben bereits eine Antiparalleldiode zur Ableitung von Induktionsspannungen integriert. Es ist möglich, eine ganze Reihe von ähnlich kräftigen Transistoren zu benutzen; die Schutzdioden müssen dann auf jeden Fall nachgerüstet werden (8 x 1N4003, direkt auf der Lötseite anzubringen)!

Experimente

Wie bereits erwähnt, ist es mit einer Endstufe in H-Brückenschaltung möglich, sowohl bipolare Schrittmotore als auch die meisten unipolaren Schrittmotore zu betreiben. Bei letzteren werden einfach die Mittenanzapfungen außen vor gelassen und man nutzt sozusagen beide Teilspulen in Reihenschaltung. Durch Messungen des ohmschen Widerstandes ist es sehr einfach, die Anschlüsse der Wicklungen zu identifizieren. Auf eine nochmalige schematische Darstellung der zwei bis vier möglichen Spulenbeschaltungen habe ich an dieser Stelle verzichtet; hierzu gibt es ja im Web schon genug tolle Grafiken. Am häufigsten kommen zweifelsohne die 2-Phasen-Schrittmotore in diesen beiden Varianten vor:
4 Adern = bipolarer Schrittmotor
6 Adern = unipolarer Schrittmotor mit getrennt herausgeführten Mittelanzapfungen
Beide lassen sich mit dem Tester testen.

Übrigens, so ein Netzgerät mit einstellbarer Strombegrenzung ist eine empfehlenswerte praktische Alternative zu 'ner Handvoll Schmelzsicherungen! Die Strombegrenzung im Netzteil übernimmt dann den Schutz von Endstufe und Schrittmotor. In diesem Fall kann die Sicherung im Tester auch mal durch einen höheren Wert (~4A, flink) ersetzt werden.

Maximaler Dauerstrom

Im Vollschrittbetrieb stehen normalerweise immer beide Spulen unter Betriebsstrom, unabhängig davon, ob sich der Schrittmotor gerade bewegt oder nicht. Das ist in denjenigen Anwendungen, wo der Schrittmotor einen direkten Antrieb (ohne Untersetzung) darstellt, durchaus sinnvoll. Im Stillstand verheizt der Motor allerdings die gesamte zugeführte elektrische Leistung über den Gleichstromwiderstand der Spulen. Da diese Verlustleistung über das Gehäuse abgeführt werden muss, erhitzt sich der ganze Motor, abhängig vom mittleren Betriebsstrom, mehr oder weniger stark. Es leuchtet ein, dass diese Aufheizung nicht allzu weit gehen darf, da der Rotor schon ab etwa 80°C seine magnetischen Eigenschaften verschlechtert, und Spulen und Lager bei höherer Temperatur auch irgendwann den Geist aufgeben.
Es wäre interessant zu wissen, bis zu welchem Strom der Schrittmotor noch sicher im Dauerbetrieb genutzt werden kann.

Mögliche Vorgehensweise: Beide Spulen über ein regelbares Netzteil bestromen und die Spannung langsam soweit erhöhen, bis die Gehäusetemperatur (...des Schrittmotors!) ca. 60°C erreicht hat. Dazu braucht's etwas Geduld und "Fingerspitzengefühl", falls man kein Thermometer zur Hand hat... In jedem Fall darf die Spannung nur langsam erhöht werden, da es je nach Bauform des Schrittmotors mehrere Minuten dauern kann, bis sich die Wärme über das Gehäuse ausbreitet.
Am Ende hat man einen Spannungs- oder Stromwert, bei dem ein Dauerbetrieb gerade noch möglich sein sollte. Die Umrechnung in eine Wattzahl bedarf wohl keiner weiteren Erläuterungen.
Natürlich ist es möglich, einen Schrittmotor kurzzeitig mit erheblich höherer Leistung zu betreiben, wenn er sich danach wieder abkühlen kann. Das machen sich viele kommerzielle Anwendungen (z.B. Billigdrucker) zunutze, um aus einem eigentlich unterdimensionierten Antrieb noch wirklich das letzte Newtoncentimeterchen an Drehmoment herauszuholen. Aber wehe, man benutzt so einen Consumerschrott im Dauerbetrieb...!
Wenn man weiß, welche Leistung der Schrittmotor im Dauerbetrieb verkraftet, dann lässt sich besser abschätzen, wieviel im Impulsbetrieb herauszuholen ist.

Maximale Drehfrequenz

Dazu betreibt man den Schrittmotor mit seiner Mindest-Betriebsspannung, bei der er stabil läuft, und erhöht die Frequenz immer weiter, bis der Motor schließlich stehen bleibt oder in hysterische Zuckungen verfällt. Schuld ist mal wieder die Selbstinduktion der Spulen, die dem Stromfluss entgegenwirkt. Billige Schrittmotore haben bisweilen schon innerhalb ihres Arbeitsbereiches ausgeprägte Resonanzstellen, sodass der Lauf bei ganz bestimmten Drehfrequenzen oder ohne Mindestbelastung sehr unruhig wird. Solche Phänomene lassen sich beim stufenlosen Durchfahren des gesamten Drehzahlbereiches schnell aufdecken.
Durch Erhöhen des Spulenstroms lässt sich mancher Schrittmotor dann doch wieder zu einem stabileren Betrieb überreden. Allerdings hat die Endstufe des SMT keine ausgeprägten stromstabilisierenden Eigenschaften. Daher sollte man den Schrittmotor bei solchen Tests nicht weiter als bis zum 1,5fachen der Nenn-Betriebsspannung ausreizen.

Schrittzahl pro Umdrehung

Ganz einfach: Markierung an der Achse anbringen und im Einzelschrittbetrieb eine ganze Umdrehung durchfahren. Schritte mitzählen (Bei fein auflösenden Motoren etwas Geduld mitbringen...). Dabei sollte dann sowas, wie 24, 48, 50, 100, 200 herauskommen.
Zur Umrechnung in den Schrittwinkel in Grad teile man nun einfach 360° (Vollkreis) durch die ermittelte Schrittzahl. Na bitte.

Haltemoment / Drehmoment

Das Haltemoment ist diejenige Kraft, die der Schrittmotor einer von außen angreifenden Kraft im Stillstand (bei vollem Spulenstrom) entgegen setzen kann. Haltemoment bzw. Haltekraft hängen in erster Linie von der magnetischen Anziehungskraft zwischen Polschuhen und Rotor ab. Diese Kraft ist näherungsweise zum Betriebsstrom proportional. Aus verständlichen Gründen kann sie daher nur so groß gemacht werden, wie es die thermischen Verluste der Spulen zulassen. (Alternative: Überhitzung, Durchbrennen, supraleitende Spulen...)

Das Antriebs- oder Drehmoment (engl.: torque) gibt an, welche Kraft der Motor im bewegten Zustand aufbringen kann. Das Drehmoment ist immer kleiner, als das Haltemoment. Mit zunehmender Drehfrequenz wirkt sich die Induktivität der Spulen nämlich immer störender beim Auf- und Abbau des Magnetfeldes aus. Folge: Mit steigender Drehfrequenz lässt das Drehmoment rapide nach.

Haltemoment und Drehmoment sind für viele Schrittmotor-Anwendungen fast noch wichtiger, als Schrittweite und maximale Drehgeschwindigkeit. Erfreulicherweise lassen sich auch diese Daten mit haushaltsüblichen Mitteln in der Küche bestimmen...:

Bestimmung von maximalem Drehmoment und Haltemoment
an einem Schrittmotor

Versuchsanordnung und Prinzip

Schrittmotor wird mit waagrecht stehender Achse an der Tischkante fixiert. Eine auf der Achse stramm aufgewickelte Schnur wird mit einem veränderlichen Gewicht m beaufschlagt. Die in der Schnurmitte angreifende Kraft F bewirkt ein Drehmoment M auf der Achse.
Solange der Schrittmotor in der Lage ist, die Schnur aufzuwickeln, solange ist sein Drehmoment offensichtlich größer als das der angreifenden Gewichtskraft. Erhöht man nun das Gewicht, dann wird der Motor irgendwann nicht mehr in der Lage sein, das Gewicht weiter hoch zu ziehen, es gehen einzelne Schritte verloren. An diesem Punkt ist sein maximales Drehmoment erreicht.
Durch weiteres Vergrößern des Gewichtes erreicht man einen Punkt, an dem auch die Haltekraft des Motors nicht mehr ausreicht, um dem äußeren Drehmoment entgegen zu wirken: Das Gewicht rutscht in die Tiefe...
Aus dem Achsdurchmesser (streng genommen Achse + halbe Schnurdicke) und dem ermittelten Gewicht lassen sich Dreh- bzw. Haltemoment leicht berechnen.

Achse und Drehmoment, Schema

Formeln

Evergreens aus dem Mittelstufen-Physikunterricht:
"Kraft gleich Masse mal Erdbeschleunigung!"

F = m * g F = [kg] * [9,81 N/kg] = [N]

Das Drehmoment ist definiert als Produkt aus Kraft mal Radius, oder:

M = F * r

Drehmoment oder Haltemoment berechnen sich also aus:

M = m * g * r M = Masse[kg] * 9,81 N/kg * Radius[m]

Der Radius der Schrittmotor-Achse ist eine bekannte Größe (Messschieber aka "Schieblehre"!). Auch Gewichte können bestimmt werden...

Messungen

Einzelschrittbetrieb. Kontrolle des Haltestroms über Stromzufuhr des Schrittmotor-Testers möglich.
Einzelschritte durchführen. Drehrichtung so einstellen, dass die Schnur mit jedem Schritt weiter aufgewickelt wird (Schrittmotor soll der Gewichtskraft entgegen arbeiten).
Gewicht sukzessive erhöhen.
An einem bestimmten Punkt wird das Drehmoment des Schrittmotors gerade nicht mehr ausreichen, um die Schnur weiter aufzuwickeln; einzelne Schritte gehen verloren.
Die Wägung liefert Messwert m₁.
Betriebsstrom beibehalten.
Gewicht weiter erhöhen. Schließlich reicht auch die Haltekraft des Schrittmotors nicht mehr aus, um dem äußeren Drehmoment entgegen zu wirken.
Wägung liefert Messwert m₂.

Auswertung, Beispielrechnung

Achsdurchmesser: d = 6mm -> r = 3 mm = 0,003 m

Erste Messung ergab: m₁ = 0,8 kg

M_D = 0,8 kg * 9,81 N/kg * 0,003 m = 0,0235 Nm = 2,35 Ncm

Das ist das maximale Drehmoment unter dem gegebenen Betriebsstrom.

Zweite Messung ergab: m₂ = 1,5 kg

M_H = 1,5 kg * 9,81 N/kg * 0,003 m = 0,0441 Nm = 4,41 Ncm

Das ist das maximale Haltemoment unter dem gegebenen Betriebsstrom.

Hinweise
Mit dieser Methode wurden einige Schrittmotore getestet, deren technische Daten schon bekannt waren. Die Versuchsergebnisse wichen nur etwa 20% von Angaben aus den Datenblättern ab. Man bekommt also realistische Grenzdaten und kann die Kraft eines unbekannten Schrittmotors quantitativ beurteilen.

Mögliche Fehlerquellen
Reibungsverluste (v.a. bei nicht kugelgelagerten Modellen) ?
Spannungsabfall über H-Brücke mitberücksichtigt (2 x U_CE) ?
Achsdurchmesser genügend genau bestimmt?

Links

Datenblatt BD678-679-680
Literatur:
Hans-Jürgen Schäfer "Bipolare Schrittmotoren - mit ungewöhnlicher Ansteuerung" FA 8/00, S.870f
Hans-Jürgen Schäfer "Vierdimensionale Steuerung - Schrittmotore am Parallelport" FA 2/01, S.156f
Hans-Jürgen Schäfer "'Stand by' für Schrittmotoren" FA 9/01, S.979f
Thomas, J.: Elektrische Arbeitstiere: Funktionsweise von Schrittmotoren FUNKAMATEUR Ausg. 5/2005

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Index

Letzte Änderung: 9/2006

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