Schrittmotoren: Fünf Tipps zu Stepper-Antrieben

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Würth Elektronik eiSos GmbH & Co. KG

Schrittmotor-Treiber mit wettable flanks für die AOI

Der Schrittmotortreiber TMC2202-WA integriert Leistungs-MOSFETs und ist im QFN-Gehäuse untergebracht (Bild 4). Dieses wettable flanks package (wQFN32 Package, 5 mm x 5 mm) ermöglicht die sichere automatische optische Inspektion, denn nach der Lötung bilden sich für die AOI-Kamera gut sichtbare Lötstellen aus.

Dazu Michael Randt: „Die Bildverarbeitungsdisziplin AOI nach der automatisierten Montage von elektronischen Bauteilen ist für Baugruppenhersteller ein Muss, denn Zuverlässigkeit und Robustheit einer Baugruppe hängen von der fehlerfreien Lötung der Bauteile ab. Während die korrekte Lötung von QFP-Gehäusen mit einer Kamera problemlos von oben überprüfbar ist, braucht man für QFN-Gehäuse in der Regel eine Röntgenanalyse. Durch die Kombination des geringen Board-Platzbedarfs eines bleifreien Gehäuses mit einfach zu prüfenden Seiten ist der TMC2202 unser erstes Bauteil mit wettable flanks, bei dem sich aufgrund der Form der Leiter ein für die AOI sichtbares Lotbild zeigt.“

Der Treiber TMC2202-WA steuert Motorströme bis 1,2 A_RMS und hat eine Schrittauflösung bis 256 Mikroschritten pro Vollschritt zur Sinusregelung – auch in Systemen mit begrenzter Schrittfrequenz. Die Weiterentwicklung der vor zwei Jahren eingeführten StealthChop-Technologie hat die Motorgeräusche bei niedrigen Drehzahlen nahezu komplett beseitigt. StealthChop macht die präzise Steuerung von Schrittmotoren nicht nur möglich, sondern auch für Anwendungen in Umgebungen erschwinglich, die absolute Ruhe erfordern, wie es beispielsweise in Büros und Wohnungen der Fall ist.

Wegen der großen Akzeptanz von StealthChop in 3D-Druckanwendungen wurden die Komponenten für eine Drop-in-Kompatibilität mit vorhandener 3D-Druckerelektronik weiterentwickelt. Dadurch sind laut Randt optimierte Anwendungen ohne kostspielige Re-Designs möglich.

TMC2202-WA hat einen Schritt-/Richtungseingang für einen vollständig autonomen Betrieb; mit der UART-Schnittstelle sind weitere Tuning- und Steueroptionen möglich. Sind die idealen Einstellungen gefunden, lassen sie sich im OTP-Speicher ablegen (OTP; One Time Programmable). Zur Entwicklungsunterstützung gibt es ein End-to-End-Evaluation-Kit. Die Entwicklungsboards sind als Open-Source-Hardware ausgelegt und als Referenz-Design frei verfügbar.

Positionieren mit bis zu 5000 Umdrehungen pro Minute

Michael Randt: „Vor über 15 Jahren haben wir mit der mechatronischen Komplettlösung PANdrive Pionierarbeit geleistet, in einem Segment der Antriebstechnik, das derzeit Smart Motors genannt wird. Bis heute treiben wir die Grenzen der Leistungsfähigkeit integrierter Antriebe stetig voran. Besonders in diesem Jahr gibt es eine Reihe von Produkt-Designs, die neue Techniken zur Stromregelung und Diagnosefähigkeit nutzen. Ein Beispiel dafür ist die Entwicklung PANdrive PD42-x-1241, die die Grenze dessen ausreizt, was mit Schrittmotoren derzeit möglich ist. Das x in der Bezeichnung steht für die jeweiligen Versionen wie PD42-3-1241 oder PD42-4-1241.“

Das System PD-3-1241 (Bild 5, vereinfachtes Blockschaltbild) ist für besonders schnelle Positionierung mit einem 42-mm-Flansch-Schrittmotor ausgerüstet, der spezielle Hochstrom-Wicklungen besitzt. Der Antrieb nutzt StealthChop und CoolStep sowie den eingangs erwähnten magnetischen Encoder SensOstep, der eine sichere Schrittverlusterkennung auch bei niedrigen Drehzahlen und im Stillstand garantiert.

Wie alle PANdrive-Systeme besitzt PD-3-1241 die aktuellen Trinamic-Funktionen für Motion und Motorsteuerung. Kommuniziert wird wahlweise über ein RS485 oder CAN Interface mit einer PLC oder einem andern Host. Dazu werden Varianten mit TMCL- oder dem Industrie-Standard-Protokoll CANopen angeboten. Mit der kostenlos verfügbaren TMCL-IDE kann das Modul auch für den Stand-Alone-Betrieb programmiert werden.

Der Antrieb ist für typische Versorgungsspannungen von 12 bis 24 V ausgelegt und erreicht bei 24 V mit einem maximalen Phasenstrom von 3 A bis zu 5000 Umdrehungen pro Minute. Ein integrierter SixPoint-Rampengenerator ermöglichst schnelle und verlässliche Positionierung auch in Anwendungen, die eine Änderung von Zielpositionen oder Rampenparametern während der Fahr erfordern. Pandrive hat Referenzschalter-Eingänge und erlaubt alternativ sensorloses Homing über StallGuard2.

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