Geräuscharme Schrittmotoren für neue Anwendungsfelder

Mit der neuen Stealth-Chop-Technologie lassen sich Schrittmotoren außergewöhnlich leise betreiben.Trinamic

Schrittmotoren sind einer der verbreitetesten Motortypen. Strengere EMV-Anforderungen in einfacheren Gerätegehäusen fördern die Verbreitung noch, weil klassische, günstige Gleichstrommotoren wegen ihres bürstenbehafteten Kommutators nicht mehr in Frage kommen. Gleichzeitig schrumpfen viele industrielle Maschinen auf die Größe von Desktop-Geräten. Während noch vor wenigen Jahren eine Dentalfräse zur Anfertigung von Inlays und Implantaten im Zentrallabor stand und von Laborpersonal bedient wurde, geht der Trend nun zu kleinen, dezentralen Geräten, die jeder Zahnarzt in seiner eigenen Praxis betreiben und damit seine Patienten ohne Wartezeiten und aufwendige Provisorien mit Inlays versorgen kann. Ein ähnlicher Trend ist bei 3D-Druckern zu beobachten: Es werden immer mehr und immer kleinere Geräte gebaut.

Alle diese Geräte arbeiten nah am Anwender und sind oft lange Zeit kontinuierlich in Betrieb. Diese Entwicklung wäre nicht möglich gewesen, würde man die Schrittmotoren wie noch zu Zeiten der Nadeldrucker im Voll- oder Halbschrittbetrieb ansteuern. Seit Trinamic im Jahr 2010 mit der TMC262-Serie Schrittmotortreiber mit einer maximalen Auflösung von 256 Mikroschritten pro Vollschritt vorgestellt hat, können Entwickler die Motoren quasi sinusförmig bestromen.

Bild 1: Das vereinfachte physikalische Modell eines Schrittmotors zeigt das gleiche Verhalten wie sein reales Vorbild. Anhand des Modells lassen sich die Auswirkungen der Treiber-Varianten sehr viel leichter durchrechnen.Trinamic

Mit Mikrostepping Vibrationen vermeiden

Zum besseren Verständnis der Geräuschquellen bei einem Schrittmotor ist es hilfreich, den Motor in einem vereinfachten Modell zu betrachten: Bild 1 zeigt die für das Verhalten des Motors relevanten physikalischen Eigenschaften. Das Modell macht den Motor mathematisch einfacher betrachtbar, zeigt aber in den vorrangigen Größen dasselbe Verhalten wie sein Vorbild. So treten Resonanzen zum Beispiel wie bei einem realen Motor auf, sie sind lediglich in ihrer Frequenz verschoben.

Das Modell verhält sich als Oszillator, ähnlich dem physikalischen Pendel. Im vereinfachten Modell ist eine elektrische Umdrehung gleich einer mechanischen Umdrehung. Übertragen auf einen realen Schrittmotor entspricht eine elektrische Umdrehung vier Vollschritten, typischerweise entspricht das demnach bei Hybridschrittmotoren mit 200 Vollschritten einem Winkel von 7,2°.

Bild 2: Im Vollschrittbetrieb zeigen Schrittmotoren ein ausgeprägtes Einschwingverhalten: Nach jeder Stufe zittert der Antrieb recht geräuschvoll.Trinamic

Wird jeder Schritt als das Auslenken eines gedämpften Pendels interpretiert, zeigt sich als Reaktion auf jeden Schritt ein Einschwingverhalten. Im Vollschrittbetrieb wird das Pendel um 90 elektrische Grad, oder 1,8° mechanisch ausgelenkt. In der Folge zeigt der reale Schrittmotor wie beim Pendel ein ausgeprägtes Einschwingverhalten (Bild 2). Mit zunehmender Mikroschrittauflösung sinkt also im Pendel-Modell die Amplitude der Auslenkung. Damit reduzieren sich auch die Vibrationen, die der Einschwingvorgang verursacht.

Perfekte Stromregelung ist der Schlüssel

Der klassische Voll- oder Halbschrittbetrieb schaltet die Phasen der Schrittmotoren unmittelbar gegen die Versorgungsspannung. Bei diesem Betriebsmodus wird der Strom nur durch die Induktivität und im statischen Fall durch den Innenwiderstand des Motors begrenzt. Mikrostepping hingegen arbeitet üblicherweise mit einer Konstantstromregelung. Die typische bipolare Ansteuerung des Motors erfordert eine MOSFET-Vollbrücke pro Motorphase. Da die Spulen des Motors aufgrund der in ihnen gespeicherten Energie dazu neigen, den Strom nach Abschalten der Versorgungsspannung aufrechtzuhalten, reicht – vor allem bei höheren Drehzahlen – ein einfaches Abschalten der Spannung nicht aus um hinreichend schnell einen Stromfluss in die Gegenrichtung aufzubauen und damit den Magneten umzupolen.

Bild 3: Die Leistungsschalter können sich in drei verschiedenen Schaltzuständen befinden.Trinamic

Die Vollbrücke erlaubt drei grundlegende Schaltzustände (Bild 3): Im angeschalteten Zustand leitet sie den Strom in der Richtung des Zielstroms durch die Spule. Für das Abschalten stehen je nach Ziel zwei Modi zur Verfügung: Soll der Stromfluss schnell gestoppt werden, wird im sogenannten Fast-Decay-Modus, also dem schnellen Abklingen des Stroms, die Spannung in Gegenrichtung des Zielstroms geschaltet. Damit kann man im abfallenden Ast der Sinuskurve den Strom schnell reduzieren. Im ansteigenden Ast führt dieses Verfahren aber zu einem vergrößerten Stromripple. Für diesen Betriebszustand eignet sich der Slow-Decay-Betrieb besser, der den Strom rezirkuliert.

Vorteile verbinden

Moderne Schrittmotortreiber mischen die Vorteile dieser beiden Schaltzustände in einem Mixed-Decay-Verfahren. Sie arbeiten in der ansteigenden Halbwelle des Sinus vor allem mit Slow-Decay, während in der abfallenden Welle der Fast-Decay-Modus überwiegt. Die Verteilung der beiden Modi kann der Anwender meist in mehreren Stufen einstellen. Die integrierten Treiber schalten nach Erreichen des Zielstroms in eine Abfolge der beiden Ausschaltzustände. Dadurch ergib sich aber ein neues Problem: Schaltet der Treiber bei Erreichen des Zielstromes ab, bleibt der mittlere, effektive Strom stets etwas unterhalb des Zielstroms zurück. Es bildet sich dadurch im Nulldurchgang der Sinuswelle ein Plateau aus, das einem einzelnen, etwas verlängerten Schritt entspricht. Dieses Plateau kann man akustisch deutlich wahrnehmen.

Seit 2010 bietet Trinamic mit dem Spread-Cycle-Verfahren einen weiterentwickelten Mixed-Decay-Modus an, der zum einen die idealen Verhältnisse der beiden Abschaltzustände für jeden Chopperzyklus automatisch neu ermittelt und mischt und zum zweiten mit einem Hystereseverfahren arbeitet, das es erlaubt den eingestellten Zielstrom effektiv auch zu erreichen. Dadurch entspricht das Verfahren eher einer Pulsdichte- als einer Pulsbreitenmodulation. Das Spektrum der Schaltfrequenzen wird aufgeweitet und kann sehr schnell und dynamisch veränderten Lastsituationen gerecht werden.

Bis heute erlaubt das Verfahren die laut Trinamic beste am Markt verfügbare Kommutierung für Schrittmotoren vor allem bei höheren Geschwindigkeiten. Diese schnelle und flexible Regelung arbeitet allerdings mit Schaltfrequenzen im hörbaren Bereich. Magnetostriktion, also das mechanische Verformen der Spule in wechselnden Magnetfeldern, verwandelt die Schaltfrequenzen in eine hörbare, mechanische Schwingung. Derselbe Effekt verursacht auch das Brummen bei Transformatoren und das hochfrequenten Geräusch mancher Schaltnetzteile. Die Vorteile der Regelung und die reduzierten mechanischen Schwingungen und Resonanzen erkauft man sich als Entwickler also zum Teil durch eine auditiv wahrnehmbare Verformung der Motorspulen.

Konstantspannungsregelung für niedrige Geschwindigkeiten

Die 2014 vorgestellt Serie von Schrittmotortreibern von Trinamic greift diese Geräuschentwicklung im unteren Drehzahlbereich auf und wirkt ihr mit einer Technologie namens Stealth-Chop entgegen. Kern der Technologie ist eine komplett veränderte, auf niedrige bis mittlere Drehzahlen optimierte Stromregelung.

Das Stealth-Chop-Verfahren basiert auf einer Konstantspannungsregelung und prägt weiterhin einen Sinus mit einer Auflösung von 256 Mikroschritten vom Vollschritt ein. Um einen weiteren Drehzahlbereich zu erlauben als ein rein spannungsgesteuerter Motor, misst der Treiber weiterhin den Strom und regelt entsprechend nach. Anders als bei anderen Spannungsmodus-Steuerungen muss der Entwickler also keine geschwindigkeits- und versorgungsspannungsabhängige Kurve parametrieren. Der Stealth-Chop-Modus steuert diese Parameter selbstständig nach, daher lassen sich die Treiber sehr einfach einsetzen, zum Teil ist nicht einmal ein Bus-Interface für die Parametrierung nötig.

Da die Schaltfrequenzen oberhalb des hörbaren Bereichs liegen, wirkt der Schrittmotor dadurch komplett geräuschlos. Selbst wechselnde Drehzahlen in CNC-Anwendungen, die bei hochwertigen Stromregelungen eine charakteristische Tonfolge emittierten, sind bei den neuen Treibern ohne aufwendiges Tuning geräuschlos.

Bild 4: Besonderes Augenmerk müssen Entwickler von Schrittmotorsteuerungen auf die Distribution der thermischen Verlustleistung legen.Trinamic

Schrittmotorsteuerungen designen

Schrittmotortreiberstufen treiben üblicherweise erhebliche Ströme auf relativ kleinen Flächen. Daher steht beim Layout die Verlustleistung im Fokus der Überlegungen (Bild 4). Um die Nennströme der Treiberbausteine auszureizen, ist eine hinreichend gute Distributionsfläche erforderlich für die thermische Verlustleistung an den Leistungsschaltern und auch an den Strommesswiderständen. Für die jüngsten Generationen von Motortreibern hat Trinamic dafür ein modulares Evaluations- und Referenzdesign-System entwickelt und dabei das Layout thermisch optimiert und getestet. Sowohl die Schaltpläne als auch das Layout stellt Trinamic als PDF- und als ECAD-Datei zur Verfügung. Auf dem Board selbst ist jeweils eine Minimalbeschaltung des Bausteins markiert.

Bild 5: Das modulare Evaluationsboard und Referenzlayout für Schrittmotortreiber vereinfacht Tests der Treiber ebenso wie neue Designs.Trinamic

Da eine hochwertige Stromregelung nur mit ausgezeichneter Strommessung möglich ist, ist ein besonderes Augenmerk auf die Positionierung und das Routing zu den Sense-Widerständen zu legen. Die Schaltung muss Spannungen von wenigen Millivolt gegenüber Masse messen, entsprechend empfindlich ist die Messung gegen Übersprechen aus anderen Signalen oder Schwankungen der Masse (Bild 5). Beim Layout ist daher auf eine niederimpedante, massive Masseanbindung der Messwiderstände zu achten, zum Beispiel durch eine kurze Anbindung auf eine idealerweise dedizierte Masse-Ebene. Vor allem Signale, die unmittelbar unter oder nahe der Sense-Widerstände verlaufen, können unerwünschtes Übersprechen verursachen, das durch die Stromregelung verstärkt und dadurch hörbar wird. Auch für die Positionierung der Sense-Widerstände eignet sich das erprobte Layout des Evaluations-Boards als Vorlage.

In der Ruhe liegt die Kraft

Die neuen Regelverfahren dämpfen nicht nur die Vibrationen und Resonanzen direkt am Linearmotor auf ein unhörbares Maß, sie sorgen auch dafür, dass sich die Spulen nicht mehr durch ihre magnetisch bedingte Verformung melden. Damit arbeiten die als laut geltenden Antriebe nun verblüffend leise. Dank kompletter Evaluations-Boards ist das Design-in der Schrittmotortreiber schnell erledigt. Die Ohren der Anwender werden es danken!

(lei)