Schrittmotor-Endstufe 5 A Technisches Handbuch

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1 Schrittmotor-Endstufe 5 A Technisches Handbuch 2006 by Christoph Selig, Merowingerstraße 20, Düsseldorf Druck und Verlag: Christoph Selig Alle Rechte vorbehalten. Nachdruck und Vervielfältigung von Text und Abbildungen, auch auszugsweise, nur mit meiner ausdrücklichen Genehmigung. Produktbezeichnungen von Hard- und Software, sowie Firmennamen und Firmenlogos die in diesem Buch genannt werden, sind in der Regel auch gleichzeitig eingetragene Warenzeichen und sollten als solche betrachtet werden. Fragen, Kommentare, Verbesserungsvorschläge bitte an selig@einfach-cnc.de 1

2 Inhaltsverzeichnis 1. Eigenschaften Anschlussplan Anschluss CNC-Schnittstelle Anschluss Stromversorgung Motoranschlüsse Einstellung der Betriebsart Schrittauflösung Stromabsenkung Stromeinstellung Kühlung Installationsanforderungen Sicherheitshinweise...9 2

3 1. Eigenschaften Schrittmotorantriebe sind heute die preisgünstigste Methode, eine Fräs- oder Drehmaschine auf CNC-Betrieb umzubauen oder komplett neu zu konstruieren. Sehr viele der am Markt verfügbaren Schrittmotoren sind dabei für den bipolaren Betrieb mit einem Phasenstrom von 4 A ausgelegt. Es liegt also nahe, Schrittmotor-Endstufen einzusetzen, die diesen Strom liefern können und dazu noch eine gewisse Sicherheitsmarge haben. Die von uns angebotenen Endstufen-Karten sind in modernster MOSFET-Technologie realisiert und entwickeln sehr wenig Wärme. Ein Kühlkörper ist daher nicht erforderlich, was zum kompakten Aufbau der Endstufe beiträgt. Deshalb ist es uns möglich, vier dieser Endstufen auf eine Mutterplatine im Europakartenformat (160 x 100 mm) aufzubauen, so wie im Bild gezeigt. Ein digitaler Signalprozessor (DSP) ist für die digitale Regelung des Phasenstroms zuständig und kontrolliert auch alle anderen Prozesse der Karte. Beim Einschalten werden die wichtigsten elektrischen Eigenschaften des angeschlossenen Schrittmotors automatisch erfasst. Auf Basis dieser Informationen stellt der DSP die Betriebsparameter so ein, dass sich eine optimale Dynamik und Laufruhe ergibt. Das Leistungsteil passt sich also ohne Zutun des Anwenders dem jeweiligen Motor an. In der kritischen Beschleunigungsphase des Schrittmotors wird eine Boostfunktion aktiv, die - abhängig von der geforderten Beschleunigung - den Phasenstrom erhöht. Dadurch sind höhere Beschleunigungswerte möglich als mit einer konstanten Bestromung des Motors. Um Strom zu sparen und um die Erwärmung des Motors zu reduzieren senkt die Endstufe den Phasenstrom auf 60% des Sollwerts ab, wenn länger als eine Sekunde kein Schrittimpuls am Eingang ankommt. Die Betriebszustände der Endstufe und des angeschlossenen Motors werden kontinuierlich erfasst und angepasst. Das sorgt für ein höheres Drehmoment des Motors im oberen Drehzahlbereich, so dass auch dort noch dynamisch positioniert werden kann. Bei abnehmender Drehzahl bis hin zum Stillstand wechselt der Leistungsteil allmählich in den Standby- Modus, der Motor ist dann bei vollem Haltemoment vollkommen ruhig. Die Endstufe ist voll digital ausgeführt. Die Phasenstrommessung erfolgt direkt in den Motorwicklungen. Dabei wurde besonders auf die Einhaltung guter Laufeigenschaften wie resonanzarmer Lauf, Schrittwinkelgenauigkeit und hohe Drehmomentkonstanz von Schritt zu Schritt geachtet. Obwohl die Endstufe ohne Kühlung betrieben werden kann, empfiehlt sich bei höheren Umgebungstemperaturen oder beim Einbau in ein geschlossenes Gehäuse der Einsatz eines handelsüblich Lüfters. Die Endstufe ist für den Einsatz mit unserer CNC-Schnittstelle konzipiert. Dazu ist eine Mutterplatine erforderlich, auf die bis zu vier der Endstufen aufgesteckt werden können. Die Verbindung zur CNC-Schnittstellenplatine wird über ein 10poliges Flachbandkabel mit den 3

4 entsprechenden Steckern hergestellt. Motorseitig sind pro Endstufe vier Schraubklemmen verfügbar. Die Stromversorgung erfolgt über die CNC-Schnittstellenplatine mit Kabeln und Steckverbindern. Schrittzahl und Phasenstrom werden für jede Endstufe gesondert über digitale Schalter auf der Mutterplatine eingestellt. Der Aufbau ist komplett ohne Lötarbeiten durchführbar. Alle Anschlüsse erfolgen über Steckverbinder oder Schraubklemmen. Im Lieferumfang der Mutterplatine ist ein Kabelsatz für den Anschluss der Versorgungsspannung und den Anschluss an die CNC-Schnittstelle enthalten. Die wichtigsten Eigenschaften auf einen Blick: Für alle gängigen bipolaren Hybrid-Schrittmotoren Betriebsspannung von 24 bis 50 Volt Phasenstrom einstellbar zwischen 1,0 und 5,0 Ampere Einstellbare Schritte pro Umdrehung: 200, 400, 500, 1000, 2000, 5000 und automatisches Motorsetup beim Einschalten automatische Anpassung der Betriebsparameter: hohe Dynamik im oberen Drehzahlbereich hohe Durchzugskraft in der Beschleunigungsphase geräusch- und resonanzarmer Lauf hohe Schrittgenauigkeit und Drehmomentkonstanz von Schritt zu Schritt geräuschlos im Stillstand durch Standby-Modus Schutz gegen Überstrom, Übertemperatur, Überspannung, Unterspannung automatische Stromabsenkung bei Stillstand variable Boost-Funktion beim Beschleunigen Zustandsanzeige mit LED 4

5 2. Anschlussplan 5

6 2.1. Anschluss CNC-Schnittstelle Dieser Stecker verbindet die Mutterplatine über das im Lieferumfang enthaltene Flachbandkabel mit der CNC-Schnittstelle. Verwenden Sie die Endstufen mit einer eigenen Schnittstellenplatine, dann verwenden Sie bitte folgende Anschlussbelegung des Steckers: 1 - Schritt X 2 - Richtung X 3 - Schritt Y 4 - Richtung Y 5 - Schritt Z 6 - Richtung Z 7 - Schritt Richtung /ENABLE 10 - GND 2.2. Anschluss Stromversorgung X Plus: Pluspol der Stromversorgung für die X-Endstufe, Spannung V X Minus: Minuspol der Stromversorgung für die X-Endstufe Y Plus: Pluspol der Stromversorgung für die Y-Endstufe, Spannung V Y Minus: Minuspol der Stromversorgung für die Y-Endstufe Z Plus: Pluspol der Stromversorgung für die Z-Endstufe, Spannung V Z Minus: Minuspol der Stromversorgung für die Z-Endstufe 4 Plus: Pluspol der Stromversorgung für die 4-Endstufe, Spannung V 4 Minus: Minuspol der Stromversorgung für die 4-Endstufe Die notwendigen Kabel mit montierten Steckern gehören zum Lieferumfang der Mutterplatine. Verbinden Sie jeweils das rote Kabel mit dem Pluspol und das schwarze Kabel mit dem Minuspol der Stromversorgung für die Endstufen auf der CNC-Schnittstellenplatine Motoranschlüsse Verbinden Sie die Phasen des Schrittmotors mit den Klemmen für die jeweilige Achse nach einem der folgenden Schemata: Dies ist der Standardfall, ein Motor mit zwei Phasenwicklungen. 6

7 Ein Motor mit zwei Wicklungen pro Phase und sechs Anschlüssen, Wicklungen in Reihe geschaltet (seriell). Ein Motor mit zwei Wicklungen pro Phase und acht Anschlüssen, Wicklungen parallel geschaltet. Verwenden Sie für den Motoranschluss möglichst vieradriges geschirmtes Kabel mit mindestens 0,75 mm² Querschnitt der Adern. Laufen Motoren in der falschen Drehrichtung, dann vertauschen Sie die Anschlüsse einer Phase oder ändern Sie die Drehrichtung in der Software, wenn möglich. 3. Einstellung der Betriebsart 3.1. Schrittauflösung Die Betriebsart der Endstufen wird über DIP-Schalter eingestellt und zwar für jede Endstufe einzeln. Die Schalter 2, 3, und 4 sind dabei für die Schrittauflösung zuständig. Es gilt folgende Tabelle: Schalter Schritte/Umdrehung OFF ON OFF ON OFF ON OFF ON 3 OFF OFF ON ON OFF OFF ON ON 4 OFF OFF OFF OFF ON ON ON ON Die Schrittauflösung bezieht sich auf Motoren mit 1,8 Schrittwinkel, entsprechend 200 Vollschritten pro Umdrehung. Das Resonanzverhalten und damit die Laufkultur der Motoren wird mit zunehmender Schrittauflösung besser. Die nachfolgende Aufstellung verdeutlicht das, dabei wird das Resonanzverhalten für den Vollschritt (200/U) mit 100% angesetzt: Schritte/U Resonanzen % % 800 8% 7

8 Die Verbesserung des Resonanzverhaltens ist bis 800 Schritte / Umdrehung recht dramatisch. Darüber hinaus bringt die Vergrößerung der Schrittzahl nicht mehr viel und verringert dazu noch das verfügbare Drehmoment. Die Werkseinstellung der Mutterplatine ist deshalb 1000 Schritte / Umdrehung. 3.2 Stromabsenkung Mit dem DIP-Schalter 1 auf ON wird die automatische Stromabsenkung aktiv. Der Motorstrom wird dabei auf 60% des eingestellten Motorstroms abgesenkt. Die Verlustleistungen im Motor und in der Endstufe reduzieren sich dabei erheblich. Die Stromabsenkung wird aktiv, wenn der Pulseingang länger als 1 Sekunde inaktiv bleibt. Unmittelbar nach Aktivierung des Pulseingangs wird der Nennstrom wieder eingestellt. 4. Stromeinstellung Der Motorstrom wird für jede Endstufe einzeln mit einem Hex-Schalter eingestellt. Die Tabelle zeigt die einstellbaren Stromwerte in Ampere: Stellung Strom 0 1,00 1 1,25 2 1,50 3 1,75 4 2,00 5 2,25 6 2,50 7 2,75 8 3,00 9 3,25 A 3,50 B 3,75 C 4,00 D 4,25 E 4,50 F 5,00 Es sollte nur soviel Strom eingestellt werden, wie für die Anwendung erforderlich ist, auch wenn dabei der Nennstrom des Motors nicht erreicht wird. Das sorgt für eine geringere Wärmeentwicklung des Motors. Moderne Schrittmotoren entwickeln bei ihrem Nennstrom Temperaturen von Grad. 8

9 5. Kühlung Obwohl die Endstufen keine Kühlkörper besitzen, sollte bei voller Ausnutzung der Leistung oder bei Einbau in ein geschlossenes Gehäuse eine Kühlung vorgesehen werden. Dazu genügt ein üblicher Lüfter mit 80 mm Durchmesser und 12 Volt Versorgungsspannung, den Sie an den 12 Volt Stromversorgungsausgang der CNC-Schnittstelle anschließen. Alternativ gibt es auch Lüfter mit 230 Volt Wechselstromanschluss, die Sie verwenden können, wenn Ihre CNC-Schnittstelle keine 12 Volt liefert. Den Lüfter sollten Sie nach folgendem Schema montieren: 6. Installationsanforderungen Die Mutterplatine mit den Endstufen muss in einem metallischen, separat geerdeten Gehäuse eingebaut werden. Überprüfen Sie vor der Inbetriebnahme, dass die abgegebene Leistung für Ihre Applikation ausreichend ist und dass die angegebenen Maximalwerte nicht überschritten werden. Motorkabel müssen Sie grundsätzlich in geschirmter Ausführung installieren. Bei kurzer Distanz (< 3 m) wird die Schirmung am Gehäuse der Endstufen und an der Maschine angeschlossen. Bei längeren Distanzen nur einseitig am Gehäuse und an der Maschine über einen Kondensator mit ca. 100 nf. Signalkabel müssen ebenfalls geschirmt sein. Vermeiden Sie unbedingt, Motorkabel und Signalkabel über längere Strecken parallel zu führen. 7. Sicherheitshinweise Die Installation des Produkts darf nur durch eine ausgebildete Fachkraft der Elektrotechnik durchgeführt werden. Länderspezifische, bzw. EU-weite Bestimmungen zur Unfallverhütung, Errichtung von elektrischen und mechanischen Anlagen, sowie zur Funkentstörung sind zu beachten. Bei nicht sachgemäßem Betreib des Produkts können Personen verletzt, das Produkt und weitere extern angeschlossene Komponenten beschädigt oder die Umwelt unzulässig belastet werden. Bei der Entsorgung des Produkts sind die einschlägigen Gesetze und Verordnungen (Elektroschrott) zu beachten. Es dürfen keine technischen Veränderungen am Produkt vorgenommen werden, die über die in dieser Anleitung beschriebenen Anschluss- und Einstellungsarbeiten hinausgehen. 9

10 Unter keinen Umständen dürfen Stecker unter Spannung oder in Betriebszuständen abgezogen oder aufgesteckt werden. Alle Montagearbeiten müssen Spannungslos erfolgen. Beachten Sie dabei, dass die Ladekondensatoren des Netzteils noch über einen langen Zeitraum ihre Spannung halten können. Kurzschlüsse der Versorgungsspannung kurz nach dem Ausschalten können fatale Folgen haben. Der Betrieb in feuchter oder durch Spritzwasser gefährdeter Umgebung ist nicht zulässig. 10