SAMOTRONIC101 ( ) SAMOTRONIC101 MPT ( ) Bedienungsanleitung - Ansteuerung für unipolare Schrittmotoren

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1 aia-burgess Dresden GmbH AMOTROIC101 ( ) AMOTROIC101 MPT ( ) Bedienungsanleitung - Ansteuerung für unipolare chrittmotoren 1. Einleitung 1.1. Bestimmungsgemäßer Gebrauch Die AMOTROIC101 wurde für die Ansteuerung von 4-strängigen unipolaren aia-burgess chrittmotoren entwickelt. ie stellt die erforderliche Leistungsendstufe (Treiber) bereit. Die Baugruppe wurde für den Test von Motoren im Labor, als auch für den Einsatz in Kleinserien konzipiert. Zielgruppe für die Anwendung sind Fachkräfte der Entwicklung und Konstruktion von Antrieben bzw. geschultes Montagepersonal icherheitshinweise Beim Betrieb von chrittmotoren kommt es teilweise zu starken Erwärmungen. Es besteht Verbrennungsgefahr an den Treiberbausteinen und am Motor. Überschreiten ie unter keinen Umständen die Maximalwerte der Technischen Daten der AMOTROIC101! Überprüfen ie unbedingt die maximal zulässige Verlustleistung der angeschlossenen Motoren. Lesen ie diese Bedienungsanleitung sorgfältig durch und beachten ie die speziellen Applikations- Hinweise und Hinweise zur EMV. Die Bedienungsanleitung finden ie auch im Internet. Verwenden ie keine etzgeräte mit Potentialbezug onst besteht Lebensgefahr! Die Baugruppe verfügt über keine icherung gegen Kurzschluss. ichern ie die Baugruppe durch eine externe icherung oder verwenden ie ein abgesichertes etzteil chnellstart ehmen ie die Leiterplatte aus der ED-Verpackung und legen ie diese auf einen EDgeschützten Arbeitsplatz. tecken ie den Anschluss des unipolaren chrittmotor (nicht im Lieferumfang) mit MTA100-Buchsenleiste auf die tiftleiste (B). Für den Anschluss eines Motors mit Litzenausführung lesen ie bitte unter Kapitel 3.3. Verwenden ie für den ersten Test die Konfiguration der DIP-chalter (C) aus der unteren Abbildung. Drehen ie das Potentiometer (D) ca. 10 Umdrehungen entgegen dem Uhrzeigersinn, um mit der minimalen internen chrittfrequenz zu beginnen. chließen ie eine geeignete Gleichspannungsversorgung (z.b. Labornetzteil 12VDC) unter Beachtung der Polarität an Klemme 1 und 7 an. ach dem Einschalten der Versorgungsspannung beginnt der Motor mit der chrittausgabe. Für den Dauerbetrieb sind keine externen teuersignale notwendig. Usupply /10-24V CLOCK IH CLOCK CW / CCW F / H DRIVER EABLE GD Driver inhibit Driver active Full step Half step (D) Frequenzpotentiometer Ext. Clock Int. Clock PhA1 PhA+ PhA2 PhB1 PhB+ PhB2 (A) Anschlußklemme (C) Konfigurationsschalter W (B) Motoranschluss aia-burgess behält sich das Recht vor, von Zeit zu Zeit Änderungen dieser pezifikation vorzunehmen, um Verbesserungen der Produkte zu ermöglichen. Die pezifikationen in dieser Anleitung dienen nur der Information ohne Gewähr der Einhaltung und Vollständigkeit. aia-burgess übernimmt keinerlei Verantwortlichkeit, weder für deren Gebrauch noch für irgendwelche Verletzungen von Patenten oder Rechten Dritter, die aus dem Gebrauch resultieren. AMOTROIC101_R9_DE.pdf aia-burgess Dresden GmbH, /8

2 aia-burgess Dresden GmbH 2. Funktionsbeschreibung 2.1. ystemübersicht Der Betrieb eines chrittmotors erfordert einen Leistungstreiber, der die pulen des chrittmotors bestromt. Ein Wechsel der Bestromung führt zum Fortschalten des tatorfeldes. Der permanent-magnetische Rotor richtet sich entsprechend dem tatorfeld aus und erzeugt eine Drehbewegung. Die Frequenz des Weiterschaltens bezeichnet man als chrittfrequenz f. ie bestimmt zusammen mit dem chrittwinkel α des Motors die Drehzahl n der Motorwelle für ihre chrittmotorapplikation. Die Baugruppe AMOTROIC101 ist ein chrittmotor-treiber für unipolare chrittmotoren im Konstantspannungsmodus. Über teuersignale kann die Drehrichtung, chrittmodus und das toppverhalten bestimmt werden. Die Vorgabe der chrittfrequenz erfolgt über den \CLOCK- Eingang. Optional kann ein interner Taktgenerator genutzt werden. Die Konfiguration der Taktquelle erfolgt mit einem DIP-Konfigurationsschalter W direkt auf der Leiterplatte. Mit dem Potentiometer kann die Frequenz des internen Taktgebers eingestellt werden. + - U upply AMOTROIC101 PhA1 PhA+ PhA2 PhB1 M n f. α. 60 s 360 Grad teuersignale PhB+ PhB2 [n: Drehzahl in 1/min] Die Baugruppe wird mit einer Gleichspannung U upply versorgt, die sowohl den Logikteil, als auch die Mittelanzapfungen der Motorphasen PhA+/PhB+ versorgt. Vier Leistungstransistoren schalten die Motorphasen PhA1/PhA2/PhB1/PhB2 gegen Masse GD. Die zeitliche Abfolge der Ansteuersignale wird dabei von einem integrierten chaltkreis JM3517 (JRC) gesteuert Konstantspannungsbetrieb Der Konstantspannungsbetrieb für unipolare Wicklungen ist eine einfache und preiswerte Ansteuermethode. Dabei wird die Versorgungsspannung U upply mittels Transistoren abwechselnd an die Wicklungen gelegt. Die vier Teilwicklungen lassen sich jeweils näherungsweise als eine erienschaltung des ohmschen Phasenwiderstandes und einer Induktivität ansehen. Der Einfachheit halber wollen wir an dieser telle die induzierte pannung auf Grund der Rotorbewegung (BEMF) vernachlässigen. Das untere Diagramm verdeutlicht den exponentiellen tromanstieg für einen konstanten pannungsimpuls bis zum Zeitpunkt t 1. Für einen unendlich langen pannungsimpuls der Höhe U upply steigt der trom bis auf I MAX an. Dieser Maximalwert wird nur durch den Phasenwiderstand R begrenzt. tellen ie unbedingt sicher, dass der maximal zulässige Phasenstrom der AMOTROIC nicht überschritten wird! Bei hohen chrittfrequenzen kommt es durch die tromanstiege und Gegeninduktion des Rotors und zu einer Verringerung des Phasenstromes. Bei hohen Betriebsfrequenzen (>200Hz) ist deshalb die Überprüfung der Phasenströme zum Zwecke der optimalen Ausnutzung ratsam. Umot GD 2/8

3 aia-burgess Dresden GmbH 2.3. Vollschritt- und Halbschrittmodus Die AMOTROIC101 unterstützt die chrittmodi Vollschritt und Halbschritt. Die folgende Darstellung zeigt den Ablauf für Vollschrittmodus an einem 2poligen Modell. Das Modell hat einen konstruktiven chrittwinkel von 90 und benötigt 4 Vollschritte für eine volle Umdrehung. Die klassischen aia-burgess Klauenpolmotoren haben chrittwinkel von 7.5, 11.25,15 und 18. Ein Motor mit 15 chrittwinkel benötigt 24 chritte für eine Rotorumdrehung. Im Modell sind die vier Vollschritte nacheinander dargestellt. Die beiden Mittelanzapfungen PhA+/PhB+ liegen dauerhaft an Versorgungsspannung. Im 1.Vollschritt schalten zwei Transistoren die Phase PhA2 und PhB1 gegen Masse. Die Phasenströme haben ein magnetisches Feld zur Folge und der Rotor nimmt mit seinem ordpol eine Lage zwischen den üdpolen der tatoren ein. Es sind zwei Teilspulen aktiv. Beim 2.Vollschritt erfolgt der Wechsel der Magnetpole im tator B. Dies geschieht durch Abschalten der bisherigen Teilspule und Bestromung der anderen Teilspule PhB2. Das neue resultierende Magnetfeld beider tatoren liegt 90 versetzt. Der Rotor folgt diesem tatorfeld durch Drehbewegung entgegen dem Uhrzeigersinn. Auch in dieser Position sind zwei Teilspulen aktiv. Im 3.Vollschritt ist der Wechsel der Magnetpole im tator A an der Reihe, tator B bleibt unverändert. Mit dem 4.Vollschritt ist eine Umdrehung im Modell abgeschlossen und das Bestromungsmuster wird ab dem nächsten chritt wiederholt. Erfolgt die Abarbeitung in umgekehrter Reihenfolge, arbeitet der Motor im Uhrzeigersinn. 1.Vollschritt 2.Vollschritt 3.Vollschritt 4.Vollschritt Im Halbschrittmodus erfolgt nach jeder Vollschrittposition (2 pulen aktiv) die Ansteuerung von nur einer pule. Zwischen dem 1. und 2. Vollschritt wird nur die Phase PhA2 gegen Masse GD geschaltet und der Rotor richtet sich mit seinen Polen genau gegenüber den tatorpolen aus (Halbschrittposition). Der zurückgelegte Winkel beträgt nur die Hälfte des mechanischen chrittwinkels. Damit dreht sich die Motorwelle bei gleicher chrittfrequenz nur mit der halben Drehzahl wie beim Vollschritt. Der unbestromte tator trägt nicht zur Kraftbildung bei. Das resultierende Drehmoment ist geringer. Meist führt Halbschrittbetrieb jedoch zu geringeren Geräuschemissionen und Resonanzen. ach 8 Halbschritten (4 Vollschrittpositionen und 4 Halbschrittpositionen) wiederholt sich das Bestromungsmuster. 3/8

4 aia-burgess Dresden GmbH 3. pezifikation der Anschlüsse und Bedienelemente 3.1. Eingänge Dieser Abschnitt beschreibt die Funktion und die technischen Parameter der Eingänge an der Anschlussklemme (A). Pin ame Funktion Pegel Beschreibung 7 Usupply peisespannung 10 26,4VDC positive Versorgungsspannung für Logik und Motor, Bezug zu GD CLOCK IH CLOCK CW / CCW F / H Abschalten / Anhalten des internen Taktgenerators Externe chrittfrequenz Dreh-/ Bewegungsrichtungumkehr chrittmodus Low aktives ignal L-TTL (0 5V) Low aktives ignal L-TTL (0 5V) Low aktives ignal L-TTL (0 5V) Low aktives ignal Achtung, Motor stoppt Bewegung, Motorphasen bleiben bestromt! Achtung, kein aktives TTL-ignal anschließen, nur chalter oder Transistor gegen Masse erlaubt chritt wird bei jeder negativen Flanke des Eingangssignales geschalten Achtung, internen Takt unbedingt abschalten (W1=OFF)! offener Eingang wird als High-ignal interpretiert, Low-ignal führt zum Richtungswechsel Die Drehrichtung hängt auch vom Motor und Verdrahtung ab. offener Eingang wird als High-ignal interpretiert, bei High-ignal erfolgt Vollschrittbetrieb 3 bei Low-ignal erfolgen Halbschritte Achtung, vor Benutzung Konfigurationsschalter abschalten (W2=OFF)! DRIVER EABLE Einschalten des Treibers L-TTL (0 5V) Low aktives ignal offener Eingang wird als High-ignal interpretiert, bei High-ignal stoppt Motor die Bewegung, Motorphasen sind unbestromt! 2 bei Low-ignal erfolgt Bestromung Achtung, vor Benutzung Konfigurationsschalter abschalten (W3=OFF), sonst immer aktiv 1 GD Masse GD Bezugspotential für Motor, Logik und Ansteuersignale 3.2. Frequenzpotentiometer Das Potentiometer (D) auf der AMOTROIC101 ermöglicht die Einstellung der internen Taktgenerierung. Dieser interne Taktgenerator basiert auf einem RC-Glied. Bitte beachten ie die maximal zulässige Toleranz für ihre chrittmotorapplikation. Achtung, bei Verwendung des internen Taktgenerators darf kein zusätzlicher externer Takt eingespeist werden. An Pin 5 kann vielmehr die interne chrittfrequenz mit einem Frequenzzähler (Multimeter) angezeigt werden. Funktion Bereich Toleranz Bemerkung interne chrittfrequenz Hz siehe Einsatzgrenze gemäß Abschnitt /-20% <10% Fehler für absoluten Frequenzbereich Frequenzstabilität nach Abgleich 4/8

5 aia-burgess Dresden GmbH 3.3. Ausgänge Dieser Abschnitt beschreibt die Ausgänge des Motoranschlusses (B) und deren technische Parameter (siehe auch Anschlussschema Kapitel 1). Bez. PhB2 PhB+ PhB1 PhA2 PhA+ PhA1 Funktion Open Collector- Ausgang Open Collector- Ausgang Open Collector- Ausgang Motorspannung Motorspannung Open Collector- Ausgang I max 350mA - 350mA 350mA - 350mA U sat (I=200mA) 0,30V - 0,30V 0,30V - 0,30V U sat (I=350mA) 0,50V - 0,50V 0,50V - 0,50V I max ist der maximale Phasenstrom, der mit der AMOTROIC101 ausgegeben werden darf. Da die internen Halbleiterschalter keine idealen chalter sind, fällt die so genannte Ventilspannung U sat über den angesteuerten Ausgangstransistoren ab. Der pannungsabfall U sat wird maßgeblich von der Höhe des Phasenstromes beeinflusst. Die Ausgangstransistoren sind mit Freilaufdioden und einer Zehnerdiode Uz=10V gegen Abschaltimpulse geschützt. Durch diesen Freilaufkreis der AMOTROIC101 wird der tromabfall beim Phasenwechsel beschleunigt und das maximal erreichbare Drehmoment bei hohen chrittfrequenzen erhöht. Kontrollieren ie die maximal zulässige chrittfrequenz für den gewählten Motor nach Abschnitt 4.3.! Die AMOTROIC101 wird in zwei unterschiedlichen Anschlussvarianten angeboten. Version A Anschluss auf LP Erforderliche Ausgänge am Motor AMOTROIC MTA100-6 tiftleiste MTA100-6 Buchsenleiste für AWG26: A AWG24: A Anschlusskabel mit B-tecker am Motor: A AMOTROIC101 MPT MPT 0,5/6-2,54 chraubklemme Litzenausführung bis max. 0,5mm² Leiterquerschnitt (AWG26/24/22) Wenn ie einen Motor mit Litzenausführung an die AMOTROIC101 MPT anschließen möchten, empfiehlt sich die Kontrolle der Motoranschlüsse mit einem Ohmmeter (s. Abb.2.1). Von einem Litzenanschluss 1 müssen zwei Litzenanschlüsse 2 und 3 den gleichen Widerstand aufweisen. Der Anschluss 1 ist dann Mittelanzapfung, 2 und 3 sind die beiden Teilspulen Phx1 und Phx2 des tators x. Verfahren ie ebenso mit dem zweiten tator Konfigurationsschalter Dieser Abschnitt beschreibt die Funktion der Konfigurationsschalter W (C) auf der AMOTROIC. Diese DIP-chalter haben im chaltzustand O Einfluss auf verschiedene Eingangsignale. Diese Eingangssignale können nur im chaltzustand OFF benutzt werden. W r. O OFF Beschreibung interne Taktgenerierung externe Taktquelle interner Takt wird mit OFF-Zustand abgekoppelt, Eingangsklemme 5 für externen Takt verwenden Halbschrittmodus Vollschrittmodus im O-Zustand kann Eingangsklemme 3 nicht benutzt werden Treiber aktiv Treiber abgeschalten im O-Zustand wird der Motor immer bestromt und kann nicht über die Eingangsklemme 2 gesteuert werden 5/8

6 aia-burgess Dresden GmbH 4. pezielle Applikationshinweise 4.1. Anschluss an eine übergeordnete teuerung Die einfachste Form einer übergeordneten teuerung sind chalter an den Eingängen der AMOTROIC101. Die Low-aktiven ignaleingänge müssen gegen die Masse geschaltet werden. Für den Anschluss von Mikrocontrollern oder einer P ist zu beachten, dass die Eingänge der AMOTROIC teilweise nicht mit aktiven ignalen angesteuert werden dürfen. In der Abbildung sind zwei Interfaceschaltungen dargestellt, die sich bei der Ansteuerung bewährt haben. Praktische Widerstandswerte sind: RB=10kΩ für Ust=5V...24V und RV=1,8kΩ für Ust=5V bzw. RV=12kΩ für hohe ignalspannungen Ust=24V tart-top- oder Beschleunigungsbetrieb Das Drehmoment, welches ein chrittmotor aus dem tillstand aufbringen kann ohne außer Tritt zu fällen, hängt maßgeblich von der Betriebsfrequenz ab mit welcher der Motor angesteuert wird. Mit steigenden Frequenzen sinkt dieses Drehmoment ab. Die Kurve der max. Drehmomente für verschiedene Betriebsfrequenzen wird als Pull-in Kurve bezeichnet. tartet man zunächst mit längeren Ansteuerimpulsen und beschleunigt den Motor langsam auf seine Betriebsfrequenz, kann der Motor höhere Drehmomente abgeben ohne chritte zu verlieren. Die sich ergebenden Kurve aus maximalem Lastmoment für verschiedene Betriebsfrequenzen im Beschleunigungsbetrieb nennt man Pull-out Kurve. Die AMOTROIC101 kann bei Betrieb mit internem Taktgenerator nur den tart-topp- Betrieb unterstützen. ollten ie höhere Betriebsfrequenzen benötigen bzw. große Trägheitsmomente in ihrer chrittmotorapplikation beschleunigen müssen, empfehlen wird den Betrieb mit externer Taktquelle. Beginnen ie die Ansteuerung mit einer tartfrequenz und erhöhen ie die chrittfrequenz schrittweise bis zum Erreichen der Betriebsfrequenz Überprüfen der zulässigen Betriebsfrequenz Die AMOTROIC101 besitzt eine Zehnerdiode, die ein schnelles Abklingen der Phasenströme beim Umschalten der pulen ermöglicht. Bei Motoren mit relativ großer Zeitkonstante (τ = L/R >1ms) dauert das Abkommutieren länger und führt zu einer stärkeren Erwärmung der Zehnerdiode auf der LP (P zulässig =0,5W). Da sich dieser Vorgang bei jedem chrittwechsel wiederholt, ist die Erwärmung von der chrittfrequenz f abhängig. Bei bekanntem Phasenstrom (pitzenwert) kann mit der elektrischen Zeitkonstante der Motorwicklung die maximale chrittfrequenz für den zuverlässigen Einsatz der Ansteuerung abgeschätzt werden: f MAX 100 RPhase ( Ω) ( Hz) I ( A) L( mh ) MAX Ein 12V-Motor der erie UFB2 mit 61Ω/Phase und L=90mH (gemessen bei 100Hz) kann demnach nur bis zu einer chrittfrequenz von ca. 340Hz verwendet werden. Im Kurzzeitbetrieb an 18V (ED=45%) ergibt sich eine maximale Einsatzgrenze bis 230Hz. Diese stark vereinfachte Überschlagsrechnung dient der einfachen Überprüfung der Einsatzgrenzen der Baugruppe. Für spezielle Applikationen und Einsatzbedingungen ist eine genauere Berechnung ratsam. 6/8

7 aia-burgess Dresden GmbH 4.4. Motoren mit reduzierter Einschaltdauer Für viele chrittmotorapplikationen können Motorwicklungen mit reduzierter Einschaltdauer verwendet werden. Der Motor arbeitet nur einen bestimmten Prozentsatz innerhalb einer definierten pieldauer t. Anschließend vergeht eine Pause ohne Bestromung der Wicklung. Die Bestromung erfolgt mit höheren Phasenströmen als beim Dauerbetrieb. Durch die höheren Phasenströme erzeugt der Motor höhere Drehmomente bzw. tellkräfte. Der Anwender muss durch das Verhältnis zwischen Einschaltdauer t B und Ausschaltdauer sicherstellen, dass die maximale Verlustleistung und Temperatur ϑ max des Motor nicht überschritten wird. In der Praxis gibt man oft die maximale relative Einschaltdauer ED in Prozent an und bezieht diese Angabe auf eine Gesamtspieldauer von 5 Minuten. Für sehr kleine Motoren z.b. URG-erie ist die pieldauer jedoch geringer. Im Folgenden wird eine Überschlagsrechnung gezeigt, welche die Festlegung einer höheren Motorversorgungsspannung ermöglicht. Im Katalog findet der Anwender für einen Motor eine Wicklung mit dem Phasenwiderstand R Phase für Dauerbetrieb (ED =100%) bei einer bestimmten ennspannung U. Die zulässige Verlustleistung für eine tatorhälfte ermittelt sich aus: ( ) 2 T ϑ max T ϑ max T ϑ max t B t B Dauerbetrieb (1) Kurzzeitbetrieb (2) Aussetzbetrieb (3) U P100 = RPhase Die kurzzeitig zulässige Verlustleistung in der Applikation Px errechnet sich aus der maximalen relativen Einschaltdauer und der Verlustleistung für Dauerbetrieb. t t t t t Px = P100 ED Die neue Versorgungsspannung Ux (Usupply) für die Applikation berechnet sich aus: Ux = R Phase Px ED-Werte unter 20% führen zu ättigungen im Magnetkreis des Motors und werden im ormalfall nicht empfohlen. Weitere achteile beim Betrieb mit reduzierter Einschaltdauer sind die meist höhere Geräuschemission und die Gefahr der Überhitzung bei Pogrammablauffehlern der übergeordneten teuerung Überprüfung der Versorgungsspannung Für einen bestimmten Phasenwiderstand R Phase soll geprüft werden, ob die gewählte Versorgungsspannung Usupply der AMOTROIC101 zu einer Überschreitung des zulässigen Phasenstromes führt (siehe Kap. 5). Gemäß Abschnitt 2.2. ermittelt sich der Phasenstrom nach: U upply I MAX = R Phase 7/8

8 aia-burgess Dresden GmbH 5. onstiges 5.1. Allgemeine Technische Daten Dieser Abschnitt enthält die allgemeinen Technischen Daten, soweit nicht unter Kap. 3 erklärt. Betriebstemperaturbereich: -5 C bis 50 C Lagertemperaturbereich: -20 C bis 70 C pannungsversorgungsbereich: max. chrittfrequenz: 10VDC bis 26,4VDC 2kHz (externer Takt) max. Phasenstrom: 0,35A Mechanische Abmessungen: 5.2. EMV und ormungen Ihre AMOTROIC101 erfüllt alle normativen Anforderungen gemäß EMV- Richtline 89/336/EWG. Diese ormen sind: hochfrequente töraussendung: E 55011: 1998+A1:1999+A2:2002, Grenzwertklasse B - törfestigkeit: E :2001 Mit dem angebrachten CE-Zeichen zeigen wir an, dass das Produkt alle zutreffenden harmonisierten Richtlinien, welche die Europäische Union vorschreibt, einhält. Die Elektronik ist zum chutz vor ED für den Einbau in ein Gehäuse oder Verwendung in einer antistatischen Umgebung vorgesehen. Die maximale Kabellänge der teuerleitungen ist auf unter 3 Meter begrenzt. Für die Einspeisung eines externen Taktes wird die Verwendung einer geschirmten oder verdrillten Leitung empfohlen. Halten ie die Länge der Motorkabel so kurz wie möglich. 8/8