Schrittmotoren: Fünf Tipps zu Stepper-Antrieben

| Redakteur: Gerd Kucera

Der TMC4671 für u.a. Schrittmotoren, BLDC, PMSM integriert alle heute verlangten Regelschleifen als erprobte State-Machines, um den Mikrocontroller und dessen Software von zeitkritischen Aufgaben zu entlasten.
Der TMC4671 für u.a. Schrittmotoren, BLDC, PMSM integriert alle heute verlangten Regelschleifen als erprobte State-Machines, um den Mikrocontroller und dessen Software von zeitkritischen Aufgaben zu entlasten. (Bild: Trinamic)

Sind hohes Drehmoment und präzise Positionierung bei niedrigen Drehzahlen notwendig, empfiehlt Antriebstechnik-Experte Michael Randt Schrittmotoren.

Vor 15 Jahren machten die Chip-Entwickler der Hamburger Trinamic mit ICs und Modulen zur Ansteuerung von Schrittmotoren und BLDC-Motoren auf sich aufmerksam. Michael Randt, Gründer und heute CEO von Trinamic, konstatiert: „Mit regelmäßigen Produkt-Releases haben wir nicht nur die Schrittmotor-Treiber auf Technologien für die Stromregelung und sensorlose Diagnose aktualisiert. Zur Entwicklung zeitgemäßer Lösungen gibt es beispielsweise entsprechende Module und PANdrive-Motoren mit integrierter Steuerung. Stets sorgen wir für eine einfache Schnittstelle zwischen der digitalen und physischen Welt.“

Erster vollintegrierter Servoregler-Chip mit FOC

Zur feldorientierten Regelung von BLDC-, PM-Synchronmotoren, Schrittmotoren und auch DC-Motoren in dedizierter Hardware kommt jetzt der erste vollintegrierte Servoregler-Chip TMC4671 (Bild 1) auf den Markt. Er integriert alle heute verlangten Regelschleifen als erprobte und verlässliche State-Machines, was den Mikrocontroller und dessen Software von allen zeitkritischen Aufgaben entlastet; alle Regelaufgaben übernimmt der Baustein unabhängig.

Der Prozessor liefert lediglich die Initialisierung und danach Zielpositionen und Zieldrehzahlen. Der Chip hat integrierte Analog-Digital-Umsetzer, Lagegeber-Schnittstellen, einen Positions-Interpolator für den Betrieb mit niedrig auflösenden Gebern und ist geeignet für Anwendungen wie kollaborative Roboter, Pick&Place-Maschinen, E-Mobilität, Laborautomatisierung und Medizintechnik.

Michael Randt: „Über die Lebensdauer einer Elektronik müssen typischerweise die Firmware-Applikationsschicht oder die Bus-Protokolle regelmäßig an neue Erfordernisse angepasst werden, während die Mechanik und der Motor unverändert bleiben. Da wir alle Echtzeitaufgaben in verlässlicher und erprobter Hardware realisieren, wird der Aufwand sowohl für die initiale Software-Entwicklung als auch für diese Updates massiv reduziert.“

Die gestellte Aufgabe war es, mit einem Single-Chip (TMC4671, Servocontroller zur FOC-Regelung) in Embedded-Motorsteuerungen die Entwicklungszeit zu minimieren und gleichzeitig die Leistung hinsichtlich Effizienz und Dynamik von üblicherweise aufwändigen Invertern zu erreichen. Statt die Regler selbst in einem Mikrocontroller oder Signalprozessor zu implementieren, muss der Entwickler lediglich parametrieren; hierbei hilft ihm die Trinamic-Software-Umgebung.

„Der Baustein bietet mit bis zu 100 kHz einstellbare Stromregler- und Schaltfrequenzen, die sonst nur mit FPGA oder großen DSP erreicht werden können“, betont Randt, „speziell bei Motoren mit kleinen Induktivitäten können so der Strom-Ripple und damit auch die Stator-Verluste deutlich reduziert werden. Der IC unterstützt verschiedene Positionsgeber-Schnittstellen wie beispielsweise A/B/N-Inkremental-Geber, verarbeitet sowohl Sinus/Cosinus-Signale als auch digitale und analoge Hall-Signale, die sich nach Bedarf den kaskadierten Reglern zuordnen lassen. Mit seiner Delta-Sigma-Strommessung ist der Baustein auch gut mit externen, isolierenden Frontends verwendbar.“

Zum Chip TMC4671 im QFN76 Package gibt es das TMC4671-EVAL-Board sowie das Breakout-Board TMC4671-BOB. Parametrierungs-Tools in der frei verfügbaren Software TMCL-IDE helfen, die passenden Reglerparameter und Einstellungen zu finden. Alle Evaluation-Boards sind Open-Source-Hardware und können als Basis für ein eigenes Design dienen.

Controller/Treiber für 1-Achsen-Stepper-Antriebe

Mit dem Board TMCM-1240 (Bild 2) ist die Serie der Motor-montierbaren Module erweitert worden. Dieses Modul nutzt die eigene, verbesserte Treibertechnik zusammen mit dem lautlosen Steuerungsmodus StealthChop der zweiten Generation und der sensorlosen, lastabhängigen Stromanpassung CoolStep. Für eine sichere Erfassung von Schrittverlusten, auch im Stillstand, sorgt der magnetische Encoder SensOstep.

Wie die anderen TMCM-Module kombiniert TMCM-1240 auch besondere Funktionen zur Motorregelung sowie PLC-Funktionen. Über die RS485- oder CAN-Schnittstelle und mit TMCL oder dem optionalen Protokoll CANopen ist die Kommunikation mit einem Host möglich. Zusammen mit der kostenlosen Software TMCL-IDE lässt sich ein Stand-Alone-Programmablauf implementieren.

Ausgelegt ist das Modul für eine Betriebsspannung von 12 bis 24 VDC bei einem Phasenstrom von 2 ARMS und hat damit ein Haltemoment von 0,22 bis 0,7 Nm. Neben StealthChop (lautlose Positionierung bei niedriger Drehzahl) optimiert SpreadCycle die Performance bei Hochgeschwindigkeit.

Der integrierte Rampengenerator SixPoint pro Achse ermöglicht ein präzises und schnelles Positionieren selbst in Umgebungen, in denen Parameter und Zielpositionen während der Bewegung geändert werden müssen. Das Modul hat Referenzschalteingänge rechts und links für jede Achse und eine Funktion namens StallGuard2 für das sensorlose Referenzieren.

Optimierte Effizienz des Mehrachsen-Servo-Moduls

Mit dem Servo-Modul TMCM-3351 auf Board Level (Bild 3) gibt es jetzt für 3-Achsen-Schrittmotoren die energieeffizientere Variante der seit 10 Jahren etablierten Platinenlösung TMCM-351, die vor allem in der Laborautomatisierung zum Einsatz kommt.

Michael Randt: „Nach dem Erfolg des 3-Achsen-Boards TMCM-351 stand bei der Entwicklung von TMCM-3351, genau wie bei seinem Vorgänger, eine einfache Bedienung im Mittelpunkt, allerdings jetzt mit zusätzlicher Closed-Loop-Servo-Regelung.“

Das Board treibt drei bipolare 2-Phasen-Schrittmotoren mit maximal 2,8 A Phasenstrom. TMCM-3351 ist ein kosten- und energieoptimierter Servocontroller für Schrittmotoren mit A/B/N-Drehgeber, der die Treiber-ICs TMC5160 für Schrittmotoren und den Closed-Loop-Motion-Controller TMC4361 nutzt. Dieser Controller für S-förmige Rampen eignet sich sehr gut für Liquid-Handling-Systeme und die Handhabung empfindlicher Waren.

„Bei der Suche nach energieeffizienten Antrieben liegt der Fokus üblicherweise auf Servomotoren“, betont Randt, „Schrittmotoren haben gerade bei niedrigen Drehzahlen ein wesentlich höheres Drehmoment als Servomotoren ähnlicher Größe und können daher teure und auch ineffiziente Getriebe einsparen. Unsere Schrittmotor-Servoregler kombinieren das Beste aus beiden Welten: die Effizienz eines Servomotors zum Preis eines Schrittmotors.“

TMCM-3351 kombiniert Funktionen zur Motorregelung und für Motion Control mit PLC-Funktionen. Mit einer RS485-, RS232-, CAN- oder USB-Schnittstelle mit TMCL- oder dem optionalen CANopen-Protokoll ist auch die Kommunikation mit einem Industrie-Standard-Host möglich. Auch hier ist mit der kostenlosen und Software TMCL-IDE auf dem Modul ein Stand-Alone-Programmablauf implementierbar.

Die drei Hardware-Rampencontroller unterstützen wahlweise den SixPoint-Rampengenerator, der für die schnelle Positionierung optimiert ist, oder S-förmige Rampenprofile für das Handling von Flüssigkeiten oder empfindlichen Gütern. Entwickelt wurde das Board TMCM-3351 für bipolare Schrittmotoren mit A/B/N-Encodern und ist als Embedded-Modul nur 150 mm x 10 mm groß. Die Versorgungsspannung kann 11 bis 28 V betragen, der Motorstrom liegt bei 2,8 ARMS maximal.

Event-Tipp Auf dem Praxisforum Elektrische Antriebstechnik 2019 erklärt Michael Randt in seinem Vortrag „Ein-Chip-Servoregler zur feldorientierten Regelung von BLDC, PMSM und Schrittmotoren für Embedded-Anwendungen in Automotive, Medizin und Industrie“ unter anderem das optimale Design-in solcher Motion-Chips.

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