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4.1 Allgemeines

Die 4 Ampere Schrittmotorkarte wurde zur Ansteuerung von bipolaren Schritt­motoren entwickelt. Pro Karte kann ein bipolarer Schrittmotor mit Strömen von bis zu 4 Ampere betrieben werden. Die Schaltung ist mit einem leicht erhältlichen Schritt­motor-Ansteuerbaustein, dem L297 von SGS Thomson realisiert. Der Leistungs­teil ist mit den Treiberbausteinen L6203, ebenfalls von SGS Thomson, realisiert.

Zum Betrieb benötigt die Karte zwei Spannungen. Einmal 5V Gleichspannung für den Logikteil und einmal die Versorgungsspannung für die Schrittmotoren (maximal 36 V).

Die Schrittmotorkarte ist so aufgebaut, dass sie entweder in ein 19“ Gehäuse eingebaut werden kann oder mehrere Karten in Sandwichbauweise aneinander­gereiht werden können. Jede Karte ist zudem mit einer Leuchtdiode, welche den aktuellen Betriebsmodus (Haltestrom ein/Haltestrom aus = Betriebsstrom ein) anzeigt ausgestattet.

Abbildung 4.1: Ansicht einer 4 Ampere Schrittmotorkarte

4.2 Funktionsweise

Die Ansteuerung der 4 A Schrittmotorkarte erfolgt über 4+1 Eingänge. Diese 4 Eingänge werden von einigen am Markt verfügbaren CNC-Steuersoftware­anwendungen unterstützt.

Zur Verfügung stehen:

• Direction-Eingang: zum festlegen der Drehrichtung

• Enable-Eingang: zum Ein- und Ausschalten der Schrittmotorkarte

• Half/Full-Eingang: zum festlegen des Betriebsmodus: Halb- oder Voll­schritt­modus. Im Halbschrittmodus verringert sich der Drehwinkel gegenüber dem Voll­schritt­modus um die Hälfte. Auf diese Weise sind höhere Schrittwinkel-Auflösungen (bei geringeren Drehzahlen) realisierbar.

• Step-Eingang: Eingang zur Erzeugung der Schritte (Steps)

• Zusätzlich steht ein weiteres Leitungs-Bit zur Stromabsenkung für den Stillstand bzw. zur Einstellung des Haltestrommes bei Stillstand zur Verfügung (schont die Motoren und beugt vor nicht notwendiger Erwärmung vor).

Abbildung 4.2: Ein- und Ausgänge der Schrittmotorkarte (Prinzipschaltbild)

Wenn mehr als eine Karte parallel betrieben wird, dann besteht zudem die Möglichkeit, durch Umsetzen des Jumpers Sync den Oszillatortakt von der anderen Karte abzugreifen. Über Vref kann zudem festgelegt werden, ob die Stromregelung direkt von der Schrittmotorkarte oder von extern erfolgen soll. Weiter besteht die Möglichkeit zwischen zwei unterschiedlichen Arten des Chopperbetrieb zu wählen. Hier empfiehlt es sich, im Versuch zu ermitteln, wann der Schrittmotor die beste Performance erreicht. Die Leuchtdiode zeigt an, ob an der/den Motorwicklungen aktuell der Maximalstrom oder der Haltestrom anliegt.

Die Anschlussbelegung ist dabei wie folgt:

Abbildung 4.3: Anschlussbelegung der 4A Schrittmotorkarte

4.3 Signalverlauf zur Ansteuerung der Schrittmotorkarte

Abbildung 4.3: Signalverlauf zur Ansteuerung eines Schrittmotors

Die Ansteuerung eines Schrittmotors ist mit Hilfe der Schrittmotorkarte sehr einfach. Bevor der Schrittmotor in Betrieb genommen wird, muss festgelegt werden, ob er im Voll- oder Halbschrittmodus betrieben werden soll. Im Halbschrittmodus lässt sich eine höhere Winkelgenauigkeit aber mit derm Nachteil eines geringeren Drehmomentes erreichen. Wie in Abbildung 4.3 dargestellt, werden zu Beginn alle Eingänge der Schrittmotorkarte auf logisch "0" gesetzt. Anschliessen wird die Schrittmotorkarte durch das Setzen des Enable Bits und Einschalten des Vollschriitmodus die Schrittmotorkarte aktiviert. Da zum Zeitpunkt der Einschaltung das Signal IMax auf logisch "0" liegt, wird in den beiden Wicklungen der Schrittmotorkarte der Haltestrom eingestellt. Der Motor bewegt sich nicht, er lässt sich von nun an aber nur unter erhöhtem Kraftaufwand drehen. Durch das Setzen des Direction-Bits auf logisch "1" wird die Drehrichtung z.B. rechtsdrehend gewählt. Anschliessend wird durd das Setzen von IMax auf logisch "1" der Maximalstrom an den Wicklungen eingestellt. Jetzt müssen nur noch die Schrittimpulse durch das Taktsignal (Clk) geschaltetet werden. Im oben dargestellten Beispiel würde der Schrittmotor zuerst vier Schritt nach links drehen und anschliessend drei Schritte nach rechts. Bei einem Motor mit einer Schrittwinkelauflösung von 1.8° pro Schritt würde sich die Motorarchse demnach zuerst 7.2° nach rechts und anschliessend 5.4° nach links bewegen. Wenn man an die Motoren direkt eine Vorschubspindel koppelt, dann würde die in Abbildung 4.4 dargestelle Spindelmutter folgender Gesetzmässigkeit folgen:

Abbildung 4.4: formaler Zusammenhang wischen einem Schrittimpuls und dem Verfahrweg einer Spindelmutter.

Abbildung 4.5 zeigt den prinzipiellen Aufbau der beschriebenen Mechanik.

Abbildung 4.5: Mechanik zur Erzeugung einer Linearbewegung

Eine einfache Ansteuerung lässt sich beispielsweise direkt über die parallele Schnittstelle realisieren. Den möglichen Aufbau zeigt Abbildung 4.6.

Abbildung 4.6: Direkte Ansteuerung eines Schrittmotors über die parallele Schnittstelle eines PCs

4.4 Abstimmung der 4A Schrittmotorkarte auf den Schrittmotor

Zur Anpassung an verschieden Schrittmotoren stehen drei Einstellmöglichkeiten zur Verfügung. Eingestellt werden können:

• der Maximalstrom im Betrieb

• der Haltestrom im Betrieb (Ruhestrom)

• Ausschaltverzögerung für die Stromabsenkung wenn der Schrittmotor in kurzen Zeitabständen Ein- und Ausgeschaltet wird bewirkt die Verzögerung, dass der Maximalstrom erhalten bleibt..

4.5 Nachbau der 4 Ampere Schrittmotorkarte?

Zur Verfügung stehen künftig mal zwei Varianten:

4.5.1 Variante I: Bausatz für 4 Ampere Schrittmotor-Karte

Sie erhalten:

• eine gebohrte Platine (mit Lötstoplack) ohne Bauteile,

• den Schalt- und den Bestückungsplan,

• ein einfaches Testprogramm zur Ansteuerung eins Motors unter Microsoft Windows™ (95, 98, 2000 und XP),

• den Sourcecode des Testprogrammes als C#-Code und als Delphi Version 7 (professional)-Code,

• eine Kurzanleitung zum Aufbau der Schrittmotorkarte und Abstimmung auf ihre Schrittmotoren

• und alle elektronischen Bauteile zur vollständigen Bestückung der Schrittmotor­karte.

4.5.2 Variante II: Platine für 4 Ampere Schrittmotorkarte

Sie erhalten:

• eine gebohrte Platine (mit Lötstoplack) ohne Bauteile,

• den Schalt- und den Bestückungsplan,

• ein einfaches Testprogramm zur Ansteuerung eins Motors unter Microsoft Windows™ (95, 98, 2000 und XP)

• den Sourcecode des Testprogrammes als C#-Code und als Delphi Version 7 (professional)-Code

• eine Kurzanleitung zum Aufbau der Schrittmotorkarte und zur Abstimmung auf Schrittmotoren

Sehr wahrscheinlich werde ich, wenn ich Zeit finde einen Schaltplan für den Nachbau veröffentlichen. Dann kann sich jeder seine Platine auch selbst herstellen.

4.6 Spezifikation

• Schrittmotorkarte mit Maximalstrom 4 Ampere (stufenlos einstellbar)

• Einbaumasse 100mm * 100 mm, Höhe mit bestückten Bauteilen ca. 30 mm)

4.7 Was benötigen Sie noch zum Betrieb der Schrittmotorkarte? (nicht im Lieferumfang)

• Ein Netzteil, z.B. ein Schaltnetzteil, welches die notwendige Betriebsspannung und Ströme für die Motoren liefern kann und eine Spannungsversorgung von 5V (ca. 100 mA für die Ansteuerlogik der Schrittmotorkarte). Diese kann mit einem DC-DC Wandler auch direkt aus der Betriebsspannung der Motoren erzeugt werden. Auf der Webseite finden sie demnächst eine einfache Schaltung und Platine zum Nachbau.

• Eine geeignete Software zur Ansteuerung der Schrittmotoren.

4.8 Was benötigen Sie für den Selbstbau?

• Elektronik-Lötkolben

• Elektronik-Seitenschneider und Elektronik-Zange, kleiner Schraubenzieher

• etwas handwerkliches Geschick

• Multimeter zum prüfen der aufgebauten Schaltung und zur Abstimmung der Motorströme und Ausschaltverzögerung

4.9 Downloads

File type	Bezeichnung	Bezeichnung
	TN001	Beschreibung für den Aufbau und die Konfiguration der Schrittmotorkarte (in englischer Sprache)
	Stückliste	Stückliste für die 4 Ampere Schrittmotorkarte
	Schaltplan	Schaltplan der 4 Ampere Schrittmotorkarte
	Testsoftware	Einfache Testsoftware für die parallele Schnittstelle unter MS-Windows NT, 2000 oder XP
	Testkabel	Pinbelegung für das Testkabel der Testsoftware