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Schrittmotorantriebe sind heute die preisgünstigste Methode, eine Fräs- oder Drehmaschine auf CNC-Betrieb umzubauen oder komplett neu zu konstruieren. Sehr viele der am Markt verfügbaren Schrittmotoren sind dabei für den bipolaren Betrieb mit einem Phasenstrom von 4 A ausgelegt. Es liegt also nahe, Schrittmotor-Endstufen einzusetzen, die diesen Strom liefern können und dazu noch eine gewisse Sicherheitsmarge haben.

Ich habe längere Zeit nach einer brauchbaren und einigermaßen preisgünstigen Endstufe mit rund 5 A Phasenstrom und Mikroschritt-Betrieb gesucht. Natürlich gibt es solche Endstufen auch von asiatischen Herstellern, sie werden im Internet an verschiedenen Stellen angeboten. Ich wollte aber eine Endstufe verwenden und auch anbieten, die von einem deutschen Hersteller stammt, mit dem man auch noch reden kann und bei Problemen auch Hilfe bekommt. Bei einer kleineren Firma im Schwarzwald bin ich dann fündig geworden.



Die Endstufenkarte

Weil die Endstufe als OEM-Modul konzipiert ist, besitzt sie keine Anschlussklemmen und Einstellmöglichkeiten für den Phasenstrom und dei Schrittzahl. Ich habe deshalb eine Mutterplatine entwickelt, auf die bis zu vier der Endstufenkarten aufgesteckt werden können. Das Ganze ergibt einen sehr kompakten Endstufen-Block mit einer Grundfläche von 160 x 100 mm.



Die Mutterplatine



Mutterplatine mit vier aufgesteckten Endstufen

Die Endstufe ist für den Einsatz in Verbindung mit der CNC-Schnittstelle vorgesehen. Die Verbindung zwischen den Platinen zur Übertragung der Schritt-/Richtungssignale wird über ein 10poliges Flachbandkabel mit den entsprechenden Steckern hergestellt. Motorseitig sind pro Endstufe vier Schraubklemmen auf der Mutterplatine verfügbar. Die Stromversorgung erfolgt über die CNC-Schnittstellenplatine mit Kabeln und Steckverbindern. Schrittzahl und Phasenstrom werden für jede Endstufe gesondert über digitale Schalter auf der Mutterplatine eingestellt.

Die großen Widerstände auf der Mutterplatine waren nur auf der Prototypenplatine und sind in der endgültigen Version nicht mehr vorhanden.

Meine Idee hinter der Sache ist, auch elektronisch weniger bewanderten den Aufbau einer kompletten, betriebsfertigen CNC-Steuerung zu ermöglichen. Die CNC-Schnittstellenkarte, eine Mutterplatine, Endstufen und einem Netzteil sind alles, was dazu notwendig ist. Will man für die Steuersoftware einen Laptop ohne Parallelschnittstelle verwenden, kommt noch eine USB-Schnittstelle dazu. Das Ganze kann dann in ein beliebiges Gehäuse eingebaut werden. Praktisch alle Verbindungen sind gesteckt oder geschraubt, Lötarbeiten nur in Ausnahmefällen erforderlich. Mit einem Minimum an Sorgfalt ist der Erfolg garantiert. Dazu kommt, dass die Endstufen gegen Überstrom, Überspannung, Unterspannung und Übertemperatur geschützt sind. Es sollte also schwer fallen, die Endstufen "abzuschießen".

Die Endstufen-Karten sind in modernster MOSFET-Technologie realisiert und entwickeln sehr wenig Wärme. Ein Kühlkörper ist daher nicht erforderlich, was zum kompakten Aufbau der Endstufe beiträgt.

Ein digitaler Signalprozessor (DSP) ist für die digitale Regelung des Phasenstroms zuständig und kontrolliert auch alle anderen Prozesse der Karte.

Beim Einschalten werden die wichtigsten elektrischen Eigenschaften des angeschlossenen Schrittmotors automatisch erfasst. Auf Basis dieser Informationen stellt der DSP die Betriebsparameter so ein, dass sich eine optimale Dynamik und Laufruhe ergibt. Das Leistungsteil passt sich also ohne Zutun des Anwenders dem jeweiligen Motor an.

In der kritischen Beschleunigungsphase des Schrittmotors wird eine Boostfunktion aktiv, die - abhängig von der geforderten Beschleunigung - den Phasenstrom erhöht. Dadurch sind höhere Beschleunigungswerte möglich als mit einer konstanten Bestromung des Motors.

Um Strom zu sparen und um die Erwärmung des Motors zu reduzieren senkt die Endstufe den Phasenstrom auf 60% des Sollwerts ab, wenn länger als eine Sekunde kein Schrittimpuls am Eingang ankommt.

Die Betriebszustände der Endstufe und des angeschlossenen Motors werden kontinuierlich erfasst und angepasst. Das sorgt für ein höheres Drehmoment des Motors im oberen Drehzahlbereich, so dass auch dort noch dynamisch positioniert werden kann.

Bei abnehmender Drehzahl bis hin zum Stillstand wechselt der Leistungsteil allmählich in den Standby-Modus, der Motor ist dann bei vollem Haltemoment vollkommen ruhig.

Die Endstufe ist voll digital ausgeführt. Die Phasenstrommessung erfolgt direkt in den Motorwicklungen. Dabei wurde besonders auf die Einhaltung guter Laufeigenschaften wie resonanzarmer Lauf, Schrittwinkelgenauigkeit und hohe Drehmomentkonstanz von Schritt zu Schritt geachtet.

Obwohl die Endstufe ohne Kühlung betrieben werden kann, empfiehlt sich bei höheren Umgebungstemperaturen oder beim Einbau in ein geschlossenes Gehäuse der Einsatz eines handelsüblich Lüfters.

Hier nochmal die Eigenschaften übersichtlich zusammengefaßt:

• geeignet für alle gängigen bipolaren Hybrid-Schrittmotoren
• Betriebsspannung von 24 bis 50 Volt
• Phasenstrom einstellbar zwischen 1,0 und 5,0 Ampere
• Einstellbare Schritte pro Umdrehung: 200, 400, 500, 1000, 2000, 5000 und 10000
• automatisches Motorsetup beim Einschalten
• automatische Anpassung der Betriebsparameter:
• hohe Dynamik im oberen Drehzahlbereich
• hohe Durchzugskraft in der Beschleunigungsphase
• geräusch- und resonanzarmer Lauf
• hohe Schrittgenauigkeit und Drehmomentkonstanz von Schritt zu Schritt
• geräuschlos im Stillstand durch Standby-Modus
• Schutz gegen Überstrom, Übertemperatur, Überspannung, Unterspannung
• automatische Stromabsenkung bei Stillstand
• variable Boost-Funktion beim Beschleunigen
• Zustandsanzeige mit LED

Die Mutterplatine und einzelne Endstufenkarten gibt es im Shop und das Handbuch dazu finden Sie hier.