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  1. Step by Step: Die H-Brücke

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    02.08.2015 von plaintron

    signale_exp

    Im dritten Teil meiner Schrittmotor-Serie wollen wir eine Schaltung herleiten, die in der Lage ist, den Motor mit einem Leistungssignal zu versorgen. Das Bild oben entspricht im Prinzip dem Graph aus dem vorherigen Beitrag, allerdings ist die Darstellung etwas anders gewählt.

    Wir betrachten hier jeden Anschluss des Schrittmotors einzeln: A und B für die blaue Wicklung, C und D für die gelbe Wicklung. Wie wir sehen, wird jeder Anschluss in einem bestimmten Takt zwischen Masse und Betriebsspannung hin und her geschaltet. Liegt Anschluss A auf Betriebsspannung und B auf Masse, fließt der Strom in positiver Richtung durch die Wicklung. B auf Betriebsspannung und A auf Masse sorgt für die umgekehrte Stromrichtung. Liegen beide Anschlüsse auf Masse oder auf Betriebsspannung, fließt kein Strom.

    Wir benötigen also ein Bauteil, das einen Punkt der Schaltung zwischen Betriebsspannung und Masse hin- und herschalten kann. Grundsätzlich können wir das mit zwei einfachen Transistoren in Reihe erledigen und unseren Wicklungsanschluss zwischen die beiden Transistoren hängen. Stark vereinfacht sieht das so aus:gegentakt_exp

    Wer sich schon mal mit Transistorschaltungen beschäftigt hat, erkennt sofort die Gegentaktschaltung, wie sie auch in Audio-Verstärkern zum Einsatz kommt. Dieser Aufbau lässt sich spiegeln, um eine Brückenschaltung herzustellen. Die Motorwicklung hängt dann zwischen den beiden Gegentaktschaltungen, was an den Buchstaben „H“ erinnert. Das Ergebnis wird dann auch H-Brücke genannt. Mit einer H-Brücke können wir einen normalen Elektromotor steuern. Je nach Eingangssignal dreht dieser sich dann links oder rechts herum bzw. überhaupt nicht.

    Für unseren Schrittmotor, der ja über zwei Wicklungen verfügt, benötigen wir zwei H-Brücken, also eine Doppel-H-Brücke. Diese Schaltung hat nun insgesamt vier Steuereingänge, 4 Ausgänge für die Spulen und sieht so aus (Prinzipschaltung L298 von ST):

    L298_block

    Wir sehen hier einige Logik-Bausteine in der Schaltung. Die sind in der Praxis aufwändiger als hier dargestellt und müssen nebenbei auch noch dafür sorgen, dass nie zwei in Reihe liegende Transistoren gleichzeitig schalten. Das würde nämlich dazu führen, dass der magische Rauch aus dem Bauteil entweicht und es nicht mehr funktioniert 😉 Außerdem wird der Ausgangsstrom getaktet, um ihn lastabhängig verändern zu können.

    Mit den Eingangssignalen In1 bis In4 wird der Motortakt gesteuert. Wie das geht und wie diese Signale aussehen müssen, zeige ich im nächsten Artikel dieser Serie.

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  2. Schrittmotortreiber

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    19.12.2014 von plaintron

    Ich muss gestehen, dass Schrittmotortreiber eine gewisse Faszination auf mich ausüben. Klingt komisch, ist aber so, und aus leistungselektronischer Sichtweise auch nachvollziehbar: Schrittmotoren bewegen oft riesige Maschinen auf weniger als einen Hundertstelmillimeter genau. Dazu sind hohe Leistungen notwendig, gleichzeitig ist aber Präzisionsarbeit angesagt, die von winzigen digitalen und analogen Schaltkreisen übernommen wird.

    DRV8825

    45V, 2,2A auf kleinster Fläche:
    DRV8825 von Texas Instruments

    Nanometerdünne Silizium-Strukturen müssen auf einer Fläche von wenigen Quadratmillimetern neben riesigen Spannungsspitzen und großen Ströme zuverlässig funktionieren. Aktuelle, extrem niederohmige MOSFET-Endstufen schaufeln einige Hundert Watt durch die Motoren und erwärmen sich dabei nur geringfügig. Moderne Motortreiber benötigen nicht mal einen separaten Kühlkörper sondern geben ihre überschüssige Wärme über die Kupferleiterbahnen der Platine ab.

    Im letzten Beitrag habe ich einen solchen Baustein abgebildet, es ist der TB6600HG von Toshiba. Dieser Treiber ist extrem weit verbreitet, befindet sich in den meisten billigen China-Endstufen für Fräsmaschinen und bringt alles mit, was man braucht. Nur wenige externe Bauteile sind notwendig. Die Steuerung von Drehrichtung und Geschwindigkeit der Motors erfolgt über zwei Leitungen (Takt, Richtung), außerdem kann per Microstepping eine fast sinusförmige Ausgangsspannung erzeugt werden, was die Motoren sehr leise und gleichmäßig laufen lässt. In den MOSFET-Endstufen sind außerdem Dioden eingebaut, die induktive Spannungsspitzen der Motorwicklungen abfangen.

    Die 13 Jahre alte Kombi von STMicroelectronics aus L297 und L298

    Die 13 Jahre alte Kombi von STMicroelectronics:
    Controller L297 und Endstufe L298

    Nun ist der TB6600HG schon in die Jahre gekommen. Ich habe noch ein paar hier liegen, die ich nicht mehr benötige und demnächst bei eBay einstelle, deshalb auch das Foto. Ursprünglich wollte ich meine CNC-Fräse damit umbauen und die Treiber direkt in die Motorgehäuse setzen, um möglichst wenige Leistungskabel verlegen zu müssen. Aber die TB6600HG haben auch ein paar Nachteile: Sie sind groß, nicht für Oberflächenmontage (SMD) geeignet und sie werden relativ warm, müssen also gekühlt werden. Leider gibt es nicht viele Alternativen, die mit 48 Volt und 3-4 Ampere zuverlässig arbeiten. Die alte Kombination aus L298 als Treiber und L297 als Controller (beide von ST) gibt es zwar im SMD-Format, aber dann müssen wieder acht externe Leerlauf-Dioden eingebaut werden und außerdem kommen nur Rechteck-Signal aus der Endstufe, weil kein Microstepping möglich ist.

    Danach wird die Luft auch schon dünn. Es gibt zwar noch eine Menge weiterer Bauteile in der Leistungsklasse, aber die brauchen entweder einen externen Controller, zusätzliche Leistungs-MOSFETs oder haben nur einen Brückenausgang statt zwei, was dann also die doppelte Anzahl von Endstufen erfordert.

    Habe ich etwas übersehen? Gibt es einen Treiberbaustein, den ich noch nicht kenne? Über Hinweise freue ich mich.

    Dann, Mitte letzten Jahres, tauchten plötzlich Pressemeldungen von Toshiba im Netz auf: Den TB6600 soll es jetzt auch im Flatpack-Gehäuse (HQFP64) als FG-Ausführung geben. Und eine neue Treiberserie ist auch im Anmarsch, TB67S10xA, wobei das ‘x’ für unterschiedliche Typen steht. Da kommt tatsächlich eine Reihe von eierlegenden Wollmilchtreibern auf uns zu, die einfach alles können, und das perfekt, wenn man der Ankündigung glauben darf.

    Was davon nach über einem Jahr übrig geblieben ist, erzähle ich im nächsten Teil dieses Beitrags.

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