Häufig gestellte Fragen zur ODIN-3D/4D Mikroschrittkarte

Hochdynamische Schrittmotorantriebe und Steuerungen

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Einleitung:

Zweck der Auflistung häufig wiederkehrender Fragen ist die Reduzierung der sehr zeitaufwendigen Kunden-Individualbetreuung auf ein erträgliches Maß. Sie werden in die Lage versetzt, sich nachfolgend weitergehende Informationen zu erlesen anstatt zu erfragen. Sind trotzdem noch Fragen offen, mailen Sie mich an (wulf@deutsche-werke.de)

Grundsatz: Was stellt die ODIN-3D Schrittmotorkarte dar?

In ihrer Grundfunktion ist jeder der 3 Kanäle der ODIN-3D Schrittmotorkarte ein intern stromgeregelter und extern getakteter Sin/Cosinus-Generator. Extern 5V TTL compatibel getaktet, z.B. mit dem parallelen Port Ihres PCs, kann jede einzelne Stufe in der Sin/Cosinus Treppenkurve angesteuert und dort falls erforderlich beharrt werden. Der Rotor des Schrittmotors folgt dem sich (mikro-)schrittweise weiterdrehenden Magnetfeld, welches von der Schrittmotorkarte in den Spulen des Stators (feststehender Teil des Motors) erzeugt wird. Da die Weite "von Treppenstufe zu Treppenstufe" bei der ODIN-3D Mikroschrittechnik besonders fein aufgelöst ist, ergibt sich ein sehr harmonischer, reaktionsfreudiger Schrittmotorantrieb.

Die Masterfrage: L298, L6203 von ST oder LMD18245 von National Semiconductor?

Schrittmotorsteuerungen können mit diskreten Bauteilen (Transistoren) oder durch integrierte Brücken-Motortreiber dargestellt werden. Die ODIN-3D Schrittmotorkarte ist eine Applikation des 3A/55V LMD18245T Motortreibers im Mikroschrittverfahren. Die Wettbewerber, namentlich L298 und L6203 mit 4A/42V Halbschrittverfahren sind weit verbreitet. Für Antriebe einfacher Anforderung genügen die Halbschrittsteuerungen zweifellos.

Mikroschrittantriebe mit dem LMD18245 Motortreiber haben den Vorteil erstklassiger Motordynamik. Bei guten Motoren kann aus dem Stand ohne Rampen mit 20KHz Taktfrequenz oder mehr angefahren werden! Max. Drehzahlen von 8 Umdr./sec sind möglich. Da sich die Leistung aus Drehmoment und Drehzahl errechnet, fällt die Gesamtleistung klar zugunsten des LMD18245 Motortreibers aus.

Was kann man tun, um den Phasenstrom der LMD18245 Motortreiber zu erhöhen?

Mit 3A sind die Motortreiber dauerfest. Die Höchstbelastung tritt bei langsamer Taktfolge, bzw. im Stillstand auf. Kurzzeitig sind die LMD18245-Treiber unbeschadet überlastbar, in Peaks sogar bis 6A. Diese Gegebenheit kann ausgenutzt werden, zumal der sin/cosinusförmige Phasenstromverlauf in der Standardbeschaltung nur für einen kleinen Phasenausschnitt auf den Maximalwert ansteigt. Wird die ODIN-3D/4D Schrittmotorsteuerung demnach mit höherer Taktfrequenz betrieben, nähert sich die Maximalbelastung zeitlich den höher bestrombaren Peaks an. Wer bastlerisches Talent hat, kann den strombegrenzenden Widerstand (R_steck= 6,8KOhm) frequenzabhängig variabel machen. Die leichte Austauschbarkeit der Steckwiderstände (in Fassung gesteckt) läßt Experimente zu. Sachunkundigen ist von dieser Art der Leistungssteigerung abzuraten.

Welches CNC-Programm eignet sich für diese Mikroschrittanwendung?

Da trennt sich die Spreu vom Weizen. Das Programm sollte mindestens 30KHz takten können! Bringt Ihr Lieblings-Programm diese Rate nicht, kann nicht die volle Motorendrehzahl gefahren werden. Hardware (und das sagt das Wort "Hardware" schon) ist naturgemäß schwieriger zu entwerfen und unflexibler als Software. Man konstruiert also nicht die Hardware nach der vorhandenen Software, sondern die Software nach der Hardware! Sprechen Sie den Programmierer der von Ihnen bevorzugten CNC-Software auf die ggf. erforderliche Anpassung in Bezug auf Taktrate (>30KHz) und ausreichender Anzahl unterstützter Relais an. Fragen Sie kritisch, warum Datenleitungen unbenutzt sind, wenn stattdessen ein Relais geschaltet werden könnte.

Welche Motoren können betrieben werden?

2 und 4-Phasen Standard-Schrittmotore. Empfohlende Phasenwiderstände von 0.3 bis max. 5 Ohm.

„Idealmotoren“ sind die PK2913-E4.0B, PK299-E4.5B und PK269-JDB von der Fa. Oriental Motor. Die Motoren haben hohe Haltemomente und ein gutes dynamisches Verhalten und können zusammen mit der ODIN-3D/4D Schrittmotorkarte problemlos im Mikroschritt betrieben werden. Es können je 2 der 4 Spulen parallel geschaltet werden. Die Serienschaltung der Phasen ermöglicht das Nenndrehmoment zu erreichen, jedoch ist die max. erreichbare Verfahrgeschwindigkeit geringer als mit der Parallelschaltung.

In der Typenbezeichnung steht das „E“ für die metrische Ausführung der Wellen. Zollausführung „F“.

„A“ ist die Ausführung mit einem Wellenende, „B“ 2 Wellenenden, jeweils 14mm (metrisch).

Verkabelung (PK299-E4.5B) in Parallelschaltung:

Phase1:

Schwarz+Orange , Gelb+Grün

Phase2:

Braun+Rot , Blau+Weiß

Was ist alles im Bausatz enthalten?

Es sind alle in der Stückliste aufgeführten Bauteile enthalten. Sie brauchen nur noch PC, Netzteil, Motoren und ggf. einen kleinen Lüfter zu installieren.

Zum 3D oder 4D-Bausatz gehört eine Aufbauanleitung, nach der Schritt für Schritt vorzugehen ist. Außerdem ist eine Anleitung zur Installation dabei. Da die sich Bausatzbeschreibung u.a. auf die Bestückungsskizze bezieht, ist es erforderlich, sich die erforderlichen Bilddateien von der Homepage aufzurufen. Auf der Homepage (www.national-motion-control.de) können Sie durch Anklicken der Abbildungen oftmals noch eine andere Ansicht mit Detailinformationen, z.B. zur Lage der Durchkontaktierungen, erhalten.

Der Bausatz ist eingetroffen, wie gehe ich nun vor?

Kontrollieren Sie anhand der Stückliste ob alle Teile enthalten sind. Laden Sie sich die Lern-Software vom Internet herunter. Diese Software benötigen Sie für die Inbetriebnahme, weil alle Funktionen der Schrittmotorkarte unterstützt werden. Wollen Sie später auf eine andere Software umsteigen, können Sie das mitgelieferte Datenkabel öffnen und gemäß der beiliegenden Pinbelegungstabelle (connect.doc) umlöten.

Entnehmen Sie die Platine ihrer Verpackung. Da Kupfer leicht anläuft, ist die Platine mit Klarlack gegen Oxidation konserviert. Wischen Sie den anhaftenden Lack mit Lösungsmittel weg. Prüfen Sie die Platine sehr sorgfälltig auf Kurzschlüsse! Die Platine ist vom Hersteller auf Sicht geprüft worden. Verlassen Sie sich nicht alleine darauf und messen Sie alles mit einem hochohmigen Multimeter durch. Die Platinenoberfläche kann noch zusätzlich zur Verbesserung der Lötbarkeit aktiviert werden. Hierzu nimmt man feinkörniges Schleifvlies oder die aus der KFZ-Lackreinigung bekannten Negerkekse. Stahlwolle eignet sich nicht, weil das Kurzschlüsse verursacht.

Gehen Sie anschließend gemäß der beiliegenden Aufbauanleitung Schritt für Schritt vor.

Warum hat die Schrittmotorkarte keinen "richtigen" Kühlkörper mit großer Verrippung?

Die zur ODIN-3D/4D gehörenden Kühlwinkel reichen vollkommen aus! Mag ein "Rippenwald" noch so potent aussehen, so zeugt er doch von erheblicher Verlustleistung der Motortreiber. Die LMD18245 Motortreiber haben ganz im Gegensatz zu anderen Motortreibern keine thermischen Probleme. Die auf der ODIN-3D/4D montierten Kühlwinkel haben vielmehr die Funktion der 3-dimensionalen Stromverteilung des Massepotentials. Die Masse wird den Motortreibern und den Spannungsreglern über die Montageflächen zugeführt, bzw. abgeleitet. Die Kühlwirkung ist eher zweitrangig. Sie tun der Schrittmotorkarte demnach nichts Gutes an, Veränderungen an den Kühlwinkeln, bzw. der Masseverteilung vorzunehmen. Isolieren Sie keinesfalls die Montageflächen mit Glimmer gegen Masse!! Kühlleitpaste ist nicht zu verwenden! Falls Sie keinen Lüfter verwenden möchten, können Sie zusätzliche Kühlkörper/bleche auf den Aluwinkeln aufmontieren oder die Kühlwinkel mit der Gehäuserückwand wärmeleitend verschrauben.

Wie funktioniert die Stromabsenkung?

Die Stromabsenkung verändert die Wertigkeit des Digital/Analog-Wandlers jener Motortreiber, welche der Cosinuskurve folgen. Wie oben beschrieben, dreht sich der Rotor dem Drehfeld (mikro-)schrittweise nach. Steht der Rotor nun in einer Zwangsstellung auf einer beliebigen Stufe der Treppenkurve, darf der Strom nicht abgesenkt werden. Würde man es dennoch machen, kann der Rotor die eingenommene Position nicht exakt beibehalten. Standard-Schrittmotoren mit 1.8° Vollschrittwinkel benötigen 50 elektrische Umdrehungen für eine volle mechanische Umdrehung des Rotors. Es sind somit nur 50 stabile Positionen möglich. In einer dieser Lagen beharrt der Rotor immer dann, wenn die Schrittmotorkarte eingeschaltet wird. Nur in diesen 50 stabilen Positionen ist es möglich, die Stromabsenkung über Pin1 der Schnittstelle zu aktivieren, ohne eine Lageveränderung zu riskieren. An allen anderen Zwischenpositionen, in denen der Rotor nur durch das Drehfeld gehalten wird, ist die Stromabsenkung intern durch die GAL-Controllern blockiert. Möchten Sie dennoch die Stromabsenkung zu jedem beliebigen Zeitpunkt, machen Sie den in dem Schaltplan mit 6,8KOhm bestimmten Widerstand variabel schaltbar. Diese technische Änderung müssen Sie selbst vornehmen. Wenn Ihr PC mit der Schrittmotorkarte verbunden und hochgefahren ist, muß gleich nach dem Einschalten der Haupt- u. Hilfsspannung die Stromabsenkung aktiv sein. Sind beide Jumper vor dem vorderen GAL (Chip1) gesteckt, senkt sich der Strom auf den niedrigsten Wert (ca. 30%) ab. Wenn das nicht der Fall ist, ist möglicherweise durch den Einschaltvorgang der Stromversorgungen das GAL (Chip1), indem sich ein unter anderem ein Binärzähler befindet, unkontrolliert getaktet worden. Damit ist gleichzeitig die Stromabsenkung inaktiv und der Motor steht unter vollem Strom, je nachdem wieviele Störimpulse auf das GAL gelangt sind. Abhilfe ist hier durch ausreichende Filterung des Netzteiles zu schaffen. Sie können die Stromabsenkung prüfen, indem Sie nach dem Einschaltvorgang die Jumper ziehen, bzw. stecken. Dann muß sich der Phasenstrom der einen Phase (siehe auch Phasenverlauf) verändern. Das leise Zischen der Chopperregelung verändert sich dabei ebenfalls. Sie brauchen also nur auf das Geräusch zu achten.

Wie funktioniert die dynamische Schrittumschaltung?

Um nicht Mitbewerbern die Gelegenheit zu geben diese Funktion ohne eigene Mühe abzukupfern, möchte ich nicht zu deutlich werden, wie dieses im Einzelnen realisiert wurde. Einige Controller-Versionen lassen sich während der Fahrt auf eine niedrige Schrittweite umschalten und das Gleiche auch zurück, sooft Sie wollen. Das CNC-Programm braucht nicht mitzuzählen, demnach wird auch kein Schritt vergessen. Diese Controller müssen immer im Mikroschritt (z.B. 1/18) getaktet werden, wenn auch am Motortreiber Halbschritt herauskommt. Auf der ODIN-3D Schrittmotorkarte erfolgt die Schrittumschaltung aller 3 Achsen gemeinsam. Pin1 vom GAL (Chip2) hat hierbei die Schaltfunktion. Auf logisch High gesetzt, arbeitet die Endstufe im Mikroschritt. Logisch Low stellt dann die niedrige Schrittweite dar. Das Layout der Schrittmotorkarte ist so ausgelegt, daß Sie auch GAL-Controller einsetzen können, die die Schrittumschaltung an Pin13 vom GAL (Chip2) haben. Dort sind Lötflächen vorhanden, die eine einfache Änderung zulassen. Hat Ihr Lieblings-CNC-Programm diese Schrittumschaltung nicht vorgesehen, geht dieses auch über die Boost-, bzw. über eine der Standard-Relaisfunktionen zu realisieren.

Warum werden als Controller GALs und nicht Mikroprozessoren verwendet?

GALs (Generic Array Logic) eignen sich besonders gut für zeitkritische Applikationen. Sie sind günstig, robust und extrem schnell, da die Arbeitsweise parallel erfolgt. Jeweils zwei GAL22V10 bilden einen zusammenhängenden Schrittmotorcontroller für eine Achse.

Mikroprozessoren PICs und AVRs, usw. einzusetzen ginge ebenfalls. Dahingehend wurden Versuche gemacht und ein AVRMega8 findet sogar im angebotenen 5-Phasen-Controller erfolgreiche Verwendung. Während ein GAL die Information immer sofort parallel durchschaltet, arbeitet ein Mikroprozessor die Informationen seriell nach dem Takt des Schwingquarzes, bzw. des eingebauten Resonators (falls vorhanden) ab. Der Vorteil gegenüber den GALs liegt in einer oft höheren Speicherkapazität. Nachteilig sind der Preis, die Arbeitsgeschwindigkeit, der nur scheinbare Echtzeitbetrieb und vor allem das Startverhalten. Das Quarz muß erst anschwingen und der Mikroprozessor kann außerdem abstürzen! Das ist von den GALs in der ODIN-3D Applikation nicht bekannt.

Der LMD18245 hat einen eingebauten 4Bit D/A-Wandler. Wie kommt man bis auf 30 Mikroschritte?

Ganz einfach! 2 Motortreiber mit ihren jeweiligen 4 Bit D/A-Wandlern bilden einen Achsantrieb. Von den theoretisch möglichen 256 Mikroschritten erweisen sich die meisten als nicht sinnvoll. Bei 30, bzw. 32 ist die praktische Grenze erreicht. Der damit darstellbare Sin/Cos-Kurvenverlauf ist optimal. Beachten Sie bitte, daß die 1/30step Mikroschrittcontroller eine Spezialausführung darstellen. Aus Kapazitätsgründen des GALs (Chip2) müssen Pin15 und Pin17 an diesem Chip gegenüber dem Platinenlayout vertauscht werden. Standardcontroller ist deshalb die 1/25step-Ausführung. Der Unterschied im Laufverhalten ist unwesentlich. Wenn Sie eine Bestellung aufgeben und keine gegenteilige Anweisung geben, bekommen Sie die 1/25step Controller geliefert.

Sind Schrittmotorkarten mit 64, 128 oder 256 Mikroschritten überlegen?

Ja und Nein. Der LMD18245 bietet die Möglichkeit externe D/A-Wandler anzuschließen. Damit ginge sowas auch. Nur ist bei so kleinen Schrittaufteilungen an der Motorachse von Mikroschritt zu Mikroschritt kaum noch eine Veränderung des Drehwinkels festzustellen. Solche feinstauflösenden Mikroschrittkarten bieten immer auch die Möglichkeit geringere Schrittweiten einzustellen (was dann auch aus der Not heraus gemacht wird). Nicht ohne Grund, denn Ihr Lieblings-CNC-Programm müßte im 1/256 step-Modus echte 256KHz takten können um den Motor auf nur 5U/sec. zu bringen. So ein Programm sollen Sie erstmal finden, es sei denn, Sie nehmen das auf dieser Homepage vorgestellte Programm, setzen die Bildschirmausgabe auf Minimum (Parameter M 0) und betreiben das auf einem mittelschnellen PC.

Wie sieht es mit der Ersatzteilversorgung aus?

Die Ersatzteilversorgung ist sehr langfristig gesichert. Solange die Firma National Semiconductor den LMD18245 Motortreiber und Lattice das GAL22V10 oder Vergleichstypen herstellen, wird es auch diese ODIN-3D/4D Schrittmotorkarte geben. Falls einer der Hersteller die Produktion der o.g. Bauteile einstellt, werden rechtzeitig ausreichende Lagerbestände für eine mehrjährige Weiterversorgung mit Ersatzteilen angelegt. Geht Ihnen ein Bauteil kaputt, sollten Sie eine kurze E-Mail mit der Teilebezeichnung und erforderlichen Anzahl schicken. Ihnen wird dann der Preis genannt und die haben den Betrag vorab zu überweisen, sofern es sich um teure Ersatzteile handelt. Während Lieferungen von Bausätzen und Komplettkarten im versicherten Paket erfolgen, werden Ersatzteillieferungen standardmäßig unversichert und auf Risiko des Empfängers versendet. Möchten Sie dennoch den Versand in einem versicherten Paket, müssen Sie das in der Ersatzteilbestellung benennen.

Kann ich oder meine Firma die GAL-Mikroschrittcontroller auf einem eigenen Layout einsetzen?

Ja. Die Controller werden auch einzeln, sowie in beliebigen Stückzahlen verkauft. Der Preis gestaltet sich mengenabhängig. Der niedrigst mögliche Preis beträgt ca. netto 6,- Euro pro Achse (GALChip1 & GALChip2) bei Bestellung >1000 Achscontrollern mit den je 2 programmierten GAL-Chips.

Umsatzsteuerbefreite Lieferungen ins Ausland, geht das?

Sofern Sie eine Umsatzsteuer-Identifikationsnummer (UID) besitzen und diese benennen, wird unter bestimmten Bedingungen die Umsatzsteuer in der Rechnung weder berechnet noch ausgewiesen.

Gibt es Lieferbeschränkungen?

Das für die Hardwareprogrammierung verwendete Entwicklungstool von Lattice stammt aus den USA. Desweiteren sind die GAL22V10 (Lattice) und die LMD18245 (NS) Motortreiber ebenfalls US-Produkte. Insbesondere die GAL-Mikroschrittcontroller unterliegen damit Handels- u. Exportbeschränkungen, woran sich gehalten wird. Die von den USA als sog. "Schurkenstaaten", sowie Herkömmlinge und Nahestehende derer, bezeichneten Kreise dürfen nicht beliefert werden. Bitte haben Sie Verständnis dafür.

###### Fortsetzung folgt...