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Schrittmotor-Vermessung Teil 2 - A4988

Zum Teil 1 - Messungen mit L293

Zum Unterschied der Schrittmotor-Vermessung auf Basis einer L293 H-Brücke erfolgen die nachfolgenden Messungen mit einer A4988 Motorsteuerung. Bei der A4988 Motorsteuerung erfolgt eine Strombegrenzung, so dass man mit einer viel größeren Spannung als der Nennspannung den Motor betreiben kann und dadurch höhere Geschwindigkeiten erreicht. Außerdem erlaubt die A4988 Motorsteuerung außer Vollschritt auch Halbschritt, Viertelschritt, Achtelschritt und Sechszehntelschritt Steuerung für einen ruhigeren Lauf. Vorsicht ist beim Betrieb der A4988 in soweit angebracht, da sich die Steuerung bei Betrieb mit nicht angeschlossenem Motor selbst zerstört !!!

Motor-Vermessung mit Drehgeber und Langzeit-Logik-Analyse

Die erste Vermessung des Schrittmotors 35BYG104 erfolgt mit dem Drehgeber und angeschlossenem Logic Analysator im Leerlauf. Verwendet wird die Library AH-Pololu, welche angepasst wurde, um höhere Geschwindigkeiten einstellen zu können. Die Pulsbreite wurde von 100us auf 10us reduziert.
Registriert wurden Phasenwechsel mit dem Logic Analysator und die maximale Geschwindigkeit bei der der Motor sicher läuft. Die Genauigkeit der Positionierung wurde nicht berücksichtigt. Die Messergebniss waren für alle Modi ähnlich. In den unteren Geschwindigkeiten (<70RPM) traten verstärkt Phasenwechsel auf, bei mittleren Geschwindigkeiten war der Impulszug gleichmäßiger und ab 230RPM lief der Motor teilweise nicht mehr an.

Motor-Vermessung 35BYG104 mit Last

Analog zu den Messungen mit der H-Brücke wurde ermittelt, bei welcher Geschwindigkeit und Mode welches Gewicht noch angehoben und gehalten wird. Die Kurve ähnelt sehr der Kurve der H-Brücke, weshalb hier auf eine Kurvendarstellung verzichtet wird.
Die Hauptunterschiede zur Messung mit der H-Brücke sind wie folgt:
Es werden höhere Geschwindigkeiten erreicht, was bei einer Stromregelung zu erwarten war. Der Mode, bei dem die höchsten Geschwindigkeiten erzielt wurden ist der 16-Microstepping. Hier wurde bei 1.41Ncm >270RPM und bei 2.09Ncm 260RPM erreicht. Bei 2.63Ncm war für alle Modes bei 200RPM das Ende erreicht. 3.0Ncm wurde in allen Modes bei keiner Geschwindigkeit gehoben. D.h., auch mit dem A4988 wird der holding torque Nennwert von 6.5Ncm bei weitem nicht erreicht.

Bilder

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Pololu kompatible A4988 Schrittmotorsteuerung mit Stromregelung. Am Modul unten sieht man das Potentiometer zur Einstellung des maximalen Stroms. Die Messung erfolgt auf der Poti-Seite, welche dem Kühlkörper zugewandt ist.

Motor-Vermessung SM42BYGHW603 mit Last

Die Werte für den SM42BYGHW603 Motor mit 38Ncm holding torque und 2.2Ncm detent torque sind entsprechend größer als beim 35BYG104 und wurden mit Drehmomenten von 2.32, 4.38, 11.94 und 18.04Ncm durchgeführt. Die größte Geschwindigkeit von 300RPM wurde für 8-/16-Microstepping bei 4.38Ncm erzielt. 180RPM wurden noch bei 11.94Ncm sowohl bei Vollschritt als auch bei 16-Microstepping erreicht. Die 18.04 Ncm wurden bei keiner Geschwindigkeit gehoben und somit der Nennwert von 38Ncm ebenfalls weit verfehlt. Alle Geschwindigkeiten von 10 bis 180RPM wurden bei 11.94Ncm nur mit 16-Microstepping erreicht. 8-Microstepping hörte ging bis 160Ncm und Vollschritt fing erst bei 90RPM an.

A4988-Motorsteuerung

Die A4988-Motorsteuerung von Allegro unterscheidet sich von einer einfachen Brückenschaltung wie bei der L293-Motorsteuerung dadurch, dass sie Strom gesteuert ist. Somit kann der Motor mit einer viel höheren Spannung als seine Nennspannung betrieben werden, da der Strom überwacht wird. Der zulässige maximale Nennstrom des Motors wird mit einem Potentiometer auf der Motorsteuerungsplatine eingestellt. Generell wird die Motorsteuerung nur bei angeschlossenem Motor eingeschaltet, da sich die Steuerung sonst selber zerstört. Für die Poti-Einstellung wird die Motorspannung jedoch nicht eingeschaltet. Am Poti (Mittelanzapfung wird die Spannung gemessen und mit Gefühl die richtige Poti-Position eingestellt. 1A entspricht dabei 400mV, d.h. die maximalen 0.4A für den SM42BYGHW603 erfordern eine Poti-Spannung von 0.4 * 400mV = 160mV maximal (Vollschritt siehe weiter unten).

Die A4988-Motorsteuerung erlaubt 5 verschiedene Modi: Voll-Schritt, Halb-Schritt, 4-, 8- und 16-Mikroschritt-Mode. Die Stromwerte werden pro Schritt über einen "translator" basierende fixe-Sinustabelle erzeugt. Die Stufenabfolge ist wie folgt:

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Aus obigen Kurvenverläufen geht hervor, dass sich ein Vollschritt-Mode und ein Halb-Schritt-Mode eines A4988 generell von denen einer Standard-Brückenschaltung, wie z.B. des L293, unterscheidet. Im Vollschritt-Mode bringt der A4988 nur 70,7% des Nennstrom anstelle der 100% beim L293, im Halbschritt-Mode dagegen bringt der A4988 bei den Zwischenschritten 70,7% anstelle der 50% des L293. D.h. ein Vollschritt-Mode bei Verwendung eines A4988 ist nicht sinnvoll, es sei den, dass man den maximalen Strom per Poti auf das 1.414-fache erhöht. Dann sollte man aber die anderen 4 Modes nicht mehr benutzen.

Die Stromregelung erfolgt beim A4988 durch PWM mit fixer Auszeit. Nachfolgende Screendumps zeigen die PWM bei Vollschritt-Mode:

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Der erste Screendump zeigt 5 Pakete a 4 Schritte. Im zweiten Screendump kann man die 4 Schritte anhand des Step-Signals (rosa) gut erkennen. Man erkennt auch, dass die Stromregelung, d.h. PWM, etwa nach der Hälfte des 1. Schrittes bei der ersten Phase (gelb) und dito im 2. Schritt für Phase 2 (türkis) einsetzt. Die Pulsmodulation mi unterschiedlichen Pulsbreiten erkennt man im 3. Screendump bei Phase 1(gelb).

Nachdem obige Bilder jeweils Phase 1 und 2 des Motors zeigen, stellen nachfolgende Bilder beide Seiten von Phase 1 gegenüber Masse bei 16er-Mikroschritt dar.

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Die erste Detailaufnahme zeigt, dass beide Seiten der H-Brücke des A4988 gleichzeitig stimuliert werden. Die fixe Auszeit der Pulsbreitenmodulation entspricht der Zeit, wo beide Signale auf LOW sind. Die Zeit entspricht etwa der Hälfte der Pulsbreite des eingehenden Step-Signales. Bei der zweiten Aufnahme wurden die beiden Signale von Phase 1 jeweils über einen 53Hz-Tiefpass geführt, so dass die PWM-Signale analog dargestellt werden. Violett wurde zusätzlich die mathematische Addition der beiden Oszi-Kanäle eingeblendet. Eine Sinus-Welle entspricht dabei den 4 Schritten des FullStep-Zyklus, d.h., eine Welle besteht aus 4 * 16 = 64 Mikroschritten.


Zum Teil 1 - Messungen mit L293


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