Steuerung 3D Drucker für Nerds

[Hellmut Kohlsdorf]

Viele Dinge die ich gekauft habe um sie für das optimale Einrichten der Tischkreissäge und der Erweiterung um die Funktionalität eines Frästisches mit der Triton TRA001 Oberfräse sind 3D Druckteile aus dem shop zum YouTube Kanal Nachdenksport. Immerhin haben die etwa 1/5 von dem gekostet was eine Ender 5 Plus gekostet hätte. Ich forsche seit einiger Zeit was es für 3D Drucker gibt und habe gerade heute gelernt, das mich der Ender 5 Plus am meisten reizt. Es gibt auch wieder auf YouTube Kanälen die Info wie man die Verbesserungen der Ender 5 Pro am Ender 5 Plus nachrüsten kann. Auch Dinge wie der Austausch des Lüfters des Netzteils der Ender 5 Plus, dieser soll deshalb recht laut sein. Auch schön für mich persönlich ist, das die Controller der Firma Trinamic aus Hamburg, die ich bereits seit mehr als 10 Jahren verwende in den neuesten Steuerkarten der Creality Schrittmotorsteuerungen verwendet werden. Lohnt sich für den den es interessiert sowohl und der Trinamic Webseite nachzuschauen, www.trinamic.com wie auf dem Youtube Kanal von Trinamic.

https://www.floralivings.com.au/products/10040011069990

Mir gefällt an den Ender 5 Plus die Bauform, welche mir sehr robust erscheint. Die andere Sache die ich in den letzten Wochen sporadisch verfolgte war die Software-Seite hiervon. Ich habe mich für die Software Fusion 360 entschieden, da diese nicht nur kostenlos ist, sondern wie ich finde im Vergleich zu anderer Software leicht zu erlernen und mächtig das Design von Objekten für den 3D Druck. Wie euch ja sicher bekannt ist, muss der Output von einem Tool wie Fusion 3D noch ein sogenannter Slicer verwendet werden, welche das Objekt in jene Scheiben auflöst die der 3D Drucker auf einer Ebene drucken kann. Der Output davon geht ja dann an den 3D Drucker. Hier habe ich noch keine Erfahrung gewinnen können, da ich ja noch nicht einen 3D Drucker besitze.

Der andere interessante Aspekt sind die Filamente. Bei den Versionen des Ender 5 hat der Pro hier die Unterstützung diverser Filamente, PLA dürfte aber in den meisten Fällen zum Einsatz kommen. Der Ender 6, zur Zeit in Kanada für 565 Dollar bepreisst, ich vermute mal USD sind gemeint hat eine Akrylglas Ummantelung, was für temperaturkritische Filament-Sorten von Vorteil sein soll. Aber ich denke der Kaufzeitpunkt wird erst in der Zukunft liegen. Mal sehen was für Benutzer-Erfahrungen publik werden.

Naja, da ich mit der Inbetriebnahme die ich oben aufführe noch länger beschäftigen werde und in 4Q20 auch eine neue Generation von 3D Druckern von Creality verfügbar wird, Ender 6, werde ich mal abwarten wie die so ist. 3D Drucktechnologie ist ja gewaltig am fortentwickeln. Ich will den Einstieg gut bedenken und kann dann in der mir noch verbleibenden Zeit mit dem Aufrüsten des Druckers beschäftigen. Wie bei Computer, morgen ist immer wieder was neues da. Da ist meine begrenzte Zeit passend um einen Einstieg zu wählen und ann in der verbleibenden Zeit es hochzurüsten. Da die Drucker häufig Open Source sind wird man aus der Community vieles sehen.

 

Von Moderator Chris DA bearbeitet

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[DJK94]

Ich bin aktuell auch in der Planung eines 3D-Druckers. Von meinen Vorstellungen kam das Aufbauprinzip des Ender auch noch am ehesten an meine Vorstellungen. Letztendlich war aber keiner der heute verfügbaren für mich befriedigend. Insbesondere das leidige Einsetzen zweier Motoren auf einer Achse geht mir schon am Drucker meines Vaters auf die Nerven. Wenn die Steuerung einmal nen Tick bekommt wird man wahnsinnig. Da gehört ein Motor und eine mechanische Synchronisierung dran - in meinen Augen. Dann traue ich den Führungen nicht soweit, wie ich es verlange.

Wenn ich die erwartbaren Umbauten und Anpassungen plus den Stress betrachte, habe ich beschlossen mir die Arbeit gleich ganz zu geben und selbst was zu konstruieren. Da nach meinem Studium ein neues CAD hermusste bin ich auch bei Fusion360 gelandet. Ich hab zwar immer etwas Hemmungen mit reinen Cloudlösungen aber fürs Hobby kann ichs verkraften. Und es ist angenehm in der Bedienung. Nur Baugruppenverknüpfungen haben eine etwas eigenwillige Logik mit den Gelenken. Aber das war nur eine Sache der Eingewöhnung, dann kommt man auch damit zum Ziel.

Mittlerweile bin ich bei der 4. Überarbeitung der Konstruktion und jedes Mal wurde es mehr Overkill. Die letzte hat auf der oberen Y-Achse Kugelumlaufspindeln und Servomotor gebracht. Eine synchrone Reimenlösung war bei den Massen für mich zu heikel. Das liegt aber an dem Übermäßig stabilen und entsprechend schweren Aufbau.

Billiger als manch fertiger werde ich sicher nicht weg kommen. Aber möglicherweise günstiger, als ein fertiger, der meine Erwartungen erfüllt und ich hatte wieder ein Hobbyprojekt.

Dafür kann ich dann meine ewig geplante Marwede und einige Teile der neuen SeaShadow da drauf machen - hoffentlich :D.

Als Slicer hab ich bei meinem Vater mit Cura gearbeitet. Man muss manchmal sich die Customeinstellungen aktiviere, wenn man gezielte Änderungen machen möchte, aber dafür kann es doch auch einiges.

[Hellmut Kohlsdorf]

@DJK94: Mir gefällt deine herangehen Weise. da ich mich schon seit langem mit Schrittmotoren und ihre Eigenschaften beschäftige bin ich vor inzwischen doch recht vielen Jahren auf die Firma Trinamic in Hamburg gestoßen, welche jetzt von einem großen Konzern aufgekauft wurde. Die ICs für die Schrittmotorsteuerung von Trinamic gelten inzwischen als jene die am Besten für die Steuerung der Schrittmotore eines 3D Druckers eignen. Lange ging Trinamic ihren Weg recht alleine, da große Halbleiter Hersteller auf Software in CPUs und DSP setzen, Ti z. B.. Wenn du zur Webseite von Trinamic gehst, hier her, kannst du die TMCL-IDE kostenlos herunterladen. Als ich mich began vor vielen Jahren für Schrittmotore im Zusammenhang mit meinem Segelbootmodel zu beschäftigen habe ich damals auf der "electronica-Messe" in München eine "StepRocker" Platine geschenkt bekommen. Du kannst einige Videos von mir dazu hier finden. Insbesondere dieses Video wo ich aufgenommen habe wie schnell mein Schrittmotor sich drehen kann. Das Video ist auf Spanisch, da ich mich damals von diesem Forum etwas distanziert habe und ich im spanischen Sprachraum Wissen vermitteln wollte.

Seit der damaligen Versión der TMCL-IDE hat eine wahnsinnige Entwicklung stattgefunden. Die Videos im Trinamic Kanal auf YouTube zeigen die Wirkweise der diversen Techniken die Trinamic Controller interpretieren. Auch kann man lesen wie 3D Drucker Steuerkarten mit den Trinamic ICs die 3D Drucker aufwerten, präziser machen, leiser machen und Endstellungen ohne externe Hardware erkennen. Das wird z: beim automatischen Nivelieren bei 3 D Druckern verwendet. Auch die Beschleunigung und Abbremsung von Schrittmotoren per "Trapez Geschwindigkeitsprofil oder S-förmiges Geschwindigkeitsprofil. Ich erreiche in meinem Video z. B. die sehr hohe Schrittgeschwindigkeit neben der Verwendung von Mkroschritten und auf der Steuerkarte Steprocker angebotenen Funktion 16 zusätzliche Schritte automatisch zu erzeugen, sowie der s-förmigen Beschleunigung das die interne Elektronik des Schrittmotors nicht aus dem Tritt komt und der Schrittmotor vibrierend stehen bleibt. In meinem Video tritt dieses ein als ich mit nur 12 VDC dsa Maximum ohne Last erreichte. Man sieht aber auch wie die Geräuschentwicklung sich zwischen praktisch unhörbar bis laut verändert während man den Schrittmotor langsam beschleunigt. Das pasiert im Verlauf der immer höher eingestellten Schrittgeschwindigkeit mehrmals, ja häufig. Man lernt also auch wie diese häufig unbekannten Eigenschaften eines Schrittmotors und die Mechanik des Motors in Wechselwirkung stehen.

Seit ein paar Jahren besitze ich diese Evaluationskarten. Die Platine "Startrampe" stellt die Verbindung zum PC über USB, enthält einen ARM Controller, auf welchen jene Software läuft, welche die High-Level Funktionalitätten implementiert, welche durch die TMCL-IDE genutzt und gesteuert wird.

Die "Brücken-Platine" ist eine Entwicklung gegenüber früher, welche alle Signale die zwischen einem Mikrocontroller und den Stepper-Steuerungs-ICs stattfindet für z.B einen Logik-Analyzer zugänglich macht.

Alle Software is Open-Source auf auf GitHub kostenlos verfügbar, was das ecosystem der 3D Drucker es ermöglicht die Firmewar weiter zu entwickeln.

Als 3 Platine ist dann jeweils eine solche zu erwerben, welche den gewünschten Trinamic Schrittmotor-Steuerungs-IC enthält. So kann man von Einem zu einem  anderen IC wechseln und benötigt jeweils nur die spezifische Karte. da man alle Signale die von der Landungsbrücke über die Brückenplatine zugänglich hat, könnte man zum Beispiel auch einen viel mächtigeren ARM  Controller verwenden, hier sind die preiswerten Platinen  LPCXpresso die es für alle NXP ARM Prozessoren von Embedded Artists gibt die man auch auf ebay und anderen Portalen bekommt. Der LPC1769 der heute als der leistungstarke 120MHZ 32 Bit Prozessor für z. B. Creality 3D Drucker bekommt, den habe ich vor vielen Jahren für meinen Modellsegler und der Schotsteuerung gewählt und gekauft. Unter anderem weil er einen Quadratur-Enkoder als periphere Funktion enthält, welche es möglich machen meine magnetischen Winkelsensoren die auch einen direkten Quadratur-Enkoder Ausgang haben zu verbinden. Die MCUXpresso IDE von NXP, auch kostenlos, kann zur Programmierung verwendet werden und viele LPCXpresso-Karten habben auch eine Tochter-Platine die es der IDE auf dem PC ermöglich eng mit der Software auf dem Zielsystem zu arbeiten.

Jetzt zu dem eigentlichen Grund für meine Antwort auf deinem Beitrag. Die Trinamic Controller machen es möglich nicht nur Schrittfehler zu vermeiden, bzw. zuverlässig zu erkennen, wenn es mal passieren sollte, sondern sie können auch die Stromversorgung des Schrittmotors auf 120% kurzzeitig zu erhöhen bei Spitzen Belastungen. Auch kann die Leistungsversorgung des Schrittmotors abhängig vom jeweils benötigtem Drehmoment hoch oder herunter zu fahren, woduch der Leistungsverbrauch des Schrittmotors wesentlich reduziert wird, was bei Akku betriebenen Schiffsmodellen sehr hilfreich ist. Ein anderer Nutzen konnte ich in einem Forum hervorheben. Ein "Schrittmotor-experte" schrieb dort, dass man Schrittmotoren daran erkennt dass man sich an ihnen leicht verbrennen kann. da man normalerweise einen Schrittmotor mit soviel Strom versorgt, das dieser auch die Drehmoment-Spitzen bereitstellen kann. Da aber immer mit dem höchsten benötigten Drehmoment die Versorgung des Schrittmotors erfolgt, erwärmt sich dieser. da aber die Trinamic Controller nur immer den gerade benötigten Drehmoment plus einer definierbaren Differenz versorgt, wird dieser eben nicht so warm.

Die Funktion "Stallguard" erkennt wenn ein Schrittmotor auf Widerstand stößt und mn auch Schrittmotor-Schrittfehler vermeiden und erkennen kann, ist der synchrone Lauf von 2 oder mehr Schrittmotore auch ohne mechanische Kopplung zuverlässig zu erreichen.

 

 

[DJK94]

Die Trinamic sind mir mal von einem Arbeitskollegen in anderem Zusammenhang bekannt gemacht worden.
Aktuell überlege ich noch das originalboard der Prusa-Drucker zu verwenden. Die haben tatsächlich auch Trinamic Treiber drauf. Mir gehts es aber vor allem dabei auch darum, dass ich mir sicher sein kann, dass eventuelle Nachrüstoptionen für Multifilament oder Dual-Extruder schon möglich sind. Das muss ich dann wenns akut wird nochmal sicherstellen. Ich würde es bestimmt auch hinbekommen günstigere Steuerungen anzupassen. Aber ich habe so viel anderes vor, dass ich irgendwo mal aufhören muss selber zu machen. Und da die Steuerung selbst deutlich EInarbeitung benötigen würde lass ich das da mal. Die Einstellung auf die am Drucker vorherrschenden Übersetzungen und die Kalibrierungen werden genug Aufwand.

Eine elektronische Synchronisierung mag zwar machbar sein, es funktioniert ja auch bei genug Druckern. Aber es fällt für mich in die Kategorie: schön solange es funktioniert, aber sicher ist was andres. Denn wenn der Treiber den Schrittfehler erkennt muss ich der Steuerung immernoch sagen, wie sie damit umgehen soll. Bei der Fräse meines Vaters ist es so, dass der Schrittmotortreiber bei Erkennen eines Schrittfehlers einen Fehler ausgibt und die Steuerung dann stopt. Denn ansonsten kann halt auch mal was kaputt gehn. Und so beim Drucker - Was mach ich wenn ich weiß einer hängt. Dann muss ich den andren auch stoppen, oder die Fehlschritte zählen können und entsprechend korrigieren. Nur meistens gibts ja einen guten Grund für den Schrittverlust. Wenn eine Seite fest klemmt, dann sollte eh alles stoppen und wenn ich so an der Grenze fahre, dass er Schritte verleirt ist es nur eine Frage der Zeit bis der andere es auch tut. Im besten Fall braucht der Druck lange fürs Korrigieren. Im schlechtesten ist das Ergebnis eh hin.

Daher versuche ich auf mechanische Synchronisation zu vertrauen. Was ohne Zweifel auch nicht ohne ist, da ich ziemlich lange Riemen dafür brauche und die dann zusätzlich gespannt werden müssen, voraussichtlich. Ich werde sehen, wies geht.

[Hellmut Kohlsdorf]

Hallo. Ich bin in diesem Forum als Beratungsresistent bekannt.  Das was du schreibst ist bestens nachvollziehbar. Erlaube mir aber weitere Überlegungen mit dir zu teilen. Ich denke halt immer weiter und da wäre es schön die Gedanken zu teilen. Genauso übrigens deine Gedanken hierzu.

Ich habe gestern auch so weiter reflektiert. Anders als beim Fräsen, ist das Schadensfrei bei Unterbrechungen zu reagieren, Teil der Funktionalität eines 3D Druckers. Sei es wegen Stromunterbrechung, sei es wegen Ende des Filaments. Ich denke wenn man sich im Programkode der 3D Drucker anschaut wo die Routinen sind um bei einem dieser Fälle zu reagieren, dann wäre das Reagieren auf Schrittmotorfehler eine weitere Variante und ließe sich im Kode sehr leicht ergänzen. Wenn zum Beispiel der Programmkode eine "case Anweisung" nutzen würde, dan wäre die Reaktion auf den Schrittfehler nur ein weiterer Fall. Auch muss im Kode stehen wie die bereits unterstützten Unterbrechungen diese erkannt werden, dann würde man für den Schrittfehler nur einen weiterren Kode erstellen.

Die 3D Drucker müssen ja, um bei einem der unterstützten Unterbrechungen zu reagieren, die x/y/z-Koordinate in einer Variablen abgelegt sein, damit der 3D Drucker, wenn zum Beispiel eine neue Filament-Rolle eingesetzt wird wissen wo er seinen Druckvorgang fortführen muss. Bei Schrittfehler würde man diese Koordinate ebenfalls verwenden können. Die Funktionalität des StallGuard der Trinamic ICs würde man nutzen. Der Drucker betätigt den Schrittmotor und fährt bei jeder Koordinate an einen Endpunkt der dem in Druck befindlichen Objekt abseitigen Seite um das Objekt im Druck nicht zu bestätigen. So würde ein solcher 3D Drucker das abfangen können. Aber in den Dokumentationen von Trinamic zu den Fnktionalitäten steht auch wie das IC weiß wie viel Drehmoment sie benötigt um die Funktion der Schrittmotors zu erfüllen. Kurz: Jeder Widerstandsdrehmoment dem der Schrittmotor bei seiner Funktion ausgesetzt ist bewirkt eine Änderung wie sehr die Position des Rotors von der lastfreinen Position abweicht. Wenn also dieser Winkel um einen Schwellwert abweicht, dann erhöht das Trinamic IC entweder den Strum um mehr Drehmoment zu erzeuge, oder senkt diesem um weniger Strum zum Schrittmotor zu liefern. So funktioniert z. B. die StallGuard+Funktion. Wenn du also den Schrittmotor von einem leistungsfähigeren Netzteil versorgst, mehr Strom und mehr Spannung z . B., dann kann man die Wahrscheinlichkeit eines Schrittfehlers durch Überlast deutlichst reduzieren. Das benutze ich bei der Versorgung der Schrittmotor meiner selbsterfundenen Schotsteuerung. Ich verwende Schrittmotoren mit einem nominalen Spannungswert von 3,6 VDC aus 12 in Reihe geschalteten LiFePO4 Akkus. Die liefern voll fast 40 VDC und dann wenn sie wieder aufgeladen werden müssen etwa 24 VDC. So können meine Schrittmotore bis zum 10x des nominalen Drehmoments liefern. Da der Strom durch das Trinamic IC begrenzt wird, erhält der Schrittmotor immer nur soviel Strom wie er für das Lastdrehmoment beötigt, plus einem Puffer.

Ich freue mich wenn in meiner Werkstatt im nächsten Jahr der Ordnungzustand erreicht wird, dass ich wieder experimentieren kann wie auf den oben verlinkten Videos von mir auf YouTube gezeigt. Auch werde ich nach dem Fertig-Einstellen meiner Tisch-Kreissäge und Frästisch-Kombination, falls nicht dazwischen der Kauf des Ender 5 Plus erfolgt, endlich meine Bohrfräse wieder reparieren. Ich kann dann die Schotttrommel so weit weiter fertigstellen können, dass ich meine Experimente mit den Schrittmotoren dann auch unter Last fortführen kann.

Edited November 25, 2020 by Hellmut Kohlsdorf

[DJK94]

Eine ordentliche Steuerung setze ich für mich voraus. Das Thema vom Drucker meines Vaters, der sogar nur einen Motor der Z-Achse auf Haltestrom bringt und den anderen völlig frei lässt finde ich einfach unvollständig. Es gibt sicher Möglichkeiten die Fehlergefahr bei Einsatz zweier Motoren auf einer Achse zu minimieren - Sei es durch solche Abbruchroutinen mit "Neustart" am Abbruchpunkt oder direkt Reserven und eine gute Steuerung.

Dennoch ist mir mit einer mechanischen Synchronisierung wohler. Dazu kommt, dass man je nach Steuerung schauen muss, ob zwei Motoren unterstützt werden. Einige Boards haben ja eine Achse dafür vorbereitet. Habe ich die zwei Motoren aber auf einer anderen Achse muss man kreativ werden. Mein Vater hat eine andere Steuerung so "überlistet", dass er die Motoren in Reihe an einen Ausgang gesteckt hat. Hat den Vorteil, dass die Schritte immer Snchron ankommen. Nur kann ein Motor immernoch hängen bleiben und dann wird knifflig die wieder synchron zu bekommen, wenn ich sie nicht getrennt ansteuern kann.
Auch daher ist es mir einfach recht, wenn ich auf jeder Achse nur einen Motor habe. Dann bekomem ich sicher keine Probleme.

Netzteilreserven für die Motoren sollen sicher sein. Wobei man da bei den meisten Boards etwas beschränkt ist. Solange die Treiber auf dem Board sind kann ich nicht beliebig Überspannung anbieten, aber die Stromfestigkeit sollte gegeben sein.

Erstmal muss ich mit meiner Konstruktion so weit kommen, dass ich zufrieden bin und Material bestellen kann. Wenn die Mechanik dann steht gehts an die Steuerung.

Aktuelle Sorgen macht mir noch das Druckbett. Da möchte ich auf das ständige nivellieren verzichten können und das bedeutet ein ausreichend steifes Bett, das genug Freiheit für Wärmedehnung hat. Zudem muss ich schauen, ob ich fertige Komponentne für meine Fläche bekommen kann.

Daniel

 

[Hellmut Kohlsdorf]

Dieses Video ist eines von jenem die einfach Spaß machen anzusehen. Hier sieht man den Unterschied zwischen einem linearen Anstieg und Fall der Geschwindigkeit zu der Verendung von s-förmigen Geschwindigkeitsprofilen. So gibt es im YouTube Kanal von Trinamic einiges interesantes zu sehen.

[DJK94]

Der Antrieb selbst ist interessant. Da hat man direkt alle Übersetzung gelöst

[Hellmut Kohlsdorf]

So ist es. Auch das Thema synchronisieren ist banal zu lösen. Schrittmotoren können z. B. über ein Signal angetrieben werden. Jeder Impuls ein Schritt oder Mikroschritt. Bei 3D Druckern wenn die Steuerplatine nicht mehr als die Unterstützung von 3 Motoren plus Filament-Einzug, dann legt an der Signalleitung eine Y-Verbindung  und dann die Verbindung zu jeweils einen der Schrittmotore für die Z-Achse. Der Ender 5 Plus hat 2 Schrittmotore für die Z-Achse.

Wenn du es dir leisten kannst, es ist nicht teuer, StepRocker bei eBay. Ich würde mir aber den Evaluations kit von Trinamic kaufen. Hier der Link wo man es kaufen kann. Du musst dann aber vorab entscheiden welchen IC du evaluieren wills. Der TMC2208 ist zur Zeit der leistungsfähigste der auch von der Firmware unterstützt wird. Mit dem TMC2209, für den würde ich die Platine für den Evaluations kit aussuchen. Bei eBay bekommst du schon einen Schrittmotor für 10,99 Euro inklusive Versandkosten. Der hat eine Nominalspannung von 2,8 VDC. Betreibe ihn z. B. mit 12 VDC und er hat dann den 4-fachen Drehmoment. Wichtig ist bei der Auswahl des Schrittmotors das die Nominalspannung aus dem Datenblatt möglichst gering bei Motoren mit gleichem Drehmoment sind. So erkennt man höherwertige und es sollte ein"Hybrid 2-Phasen Schrittmotor sein. Aus denen kommen 4 oder mehr Kabel. Wie du auf meinen YouTube Kanal siehst kann man so in Verbindung mit der IDE von Trinamic einerseits lernen welche Parameter es gibt, welche die Funktion des Schrittmotors beeinflussen und wie sich diverse Modi auf den Betrieb eines Schrittmotors in der IDE gibt.

[DJK94]

Was du beschreibst scheint mir der noch weitere Schritt einer Steuerung. Nämlich mit einzelner Steuerung und getrennten Endstufen. Da mag das alles wieder gut funktionieren. Das Board was ich aktuell im Auge habe hat die Trinamic-Endstufen direkt auf der Platine integriert. Da ist das Umbauen auf andere Belegungen mit etwas Aufwand verbunden, den ich mir erstmal nur für den Servo machen wollte.

Deine Spannungsempfehlung muss ich nochmal genauer überdenken. Da bin ich aufs erste lesen skeptisch, ob das wirklich Sinn ergibt. Denn nach meinem Kenntnisstand ist das Drehmoment eines Motors von der Wicklungszahl und dem Strom abhängig. Eine höhere Wicklungszahl bedeutet dabei, dass bei gleichem Strom mehr Drehmomment anliegt. Entsprechend bedeutet eine höhere Windungszahl auch einen höheren Widerstand, was für den gleichen Strom eine entsprechend höhere Spannung benötigt. Aus meinen Erkennnissen entspricht eine höhere Nennspannung meist auch eine geringere Drehzahlkonstante.

Insgesamt würde ich also daraus leiten, dass einen Motor mit geringerer Nennspannung zu wählen es ermöglicht ihn zu überstromen, was nicht unbedingt langzeittauglich ist. Dazu kann aber eine höhere Drehzhal gefahren werden, weil eben die höhere Drehzahlkonstante eine höhere Enddrehzahl ergibt. Wobei die Drehzahl ja irgendwann wieder Steruerungslimitiert ist und das Drehmomment nimmt mit der Drehzahl bei Schrittmotoren meist auch ab. Das sind alles erstmal nur Folgerungen aus meinen Erkenntnissen mit anderen Motoren. Die Übertragbarkeit auf Schrittmotoren muss ich nochmal prüfen.

Im Zweifel nehm ich dazu direkt Datenblätter und vergleiche die Kurven für Drehzahl-Drehmoment. Nur eine kleinere Nennspannung, als verfügbar durchs Netzteil ist wahrscheinlich ungünstig, weil ich dann den Strom nicht in den Motor bekomme und er nicht voll leisten kann.

[Ralph Cornell]

Wie löst ihr das Problem verlorener Schritte? Mit Leerschritten am Ende?

[Hellmut Kohlsdorf]

@DJK94: Schrittmotoren sind halt nicht die üblichen Motoren. Die Schrittmotor-Steuerungskarte bzw. der der eingesetzte Trinamic Chip, der TMV2208, übernimmt die Begrenzung des Stroms. Er verwendet dazu eine PWM. Die nominal Stromwerte des Schrittmotors definieren wieviel Strom die Wicklungen im Schrittmotor gut abkönnen.

Die Formel P[W] = U[V] * I[A] erlaubt die Aufnahmeleistung des Schrittmotors zu berechnen.

I[A]: Das ist der im Datenblatt angegebene maximale Strom, z. B. 4A

U[V] laut Datenblatt, z .B. 3 VDC

Die nominale Leistung des Motors ist also 4A * 3V = 12 W.

Versorge ich den Schrittmotor mit 30VDC. dann ist die Leistung P[W] = [120W] = 4A * 30V. Die PWM des Trinamic ICs auf der Steuerkarte verwendet PWM und begrenzt den Strom auf die 4A welche die Wicklung verträgt. Es ist deshalb wichtig bei der Wahl des Schrittmotors einen auszuwählen der die gewollte Leistung erzielt, bei welchem die nominale Spannung aber möglichst klein ist. Das sagt auch was über die Güte des Schrittmotors aus. Die Wicklung verträgt eben viel Strom. 

Die Trinamic ICs auf der Steuerkarte hat diese PWM Strombegrenzungsfunktion. Der Motor erhält eben nicht mehr als den nominalen Strom.

Was die Steuerkarte angeht, gibt es auf YouTube einen sehr guten Kanal. "Kersey Fabrications" und dort dieses Video:

https://youtu.be/dbS9MA4UkZA 

Ich habe ihn kontaktiert und die erhoffte Antwort bekommen. In der Tabelle der 5 Steuerkarte für den 3D Drucker ist einer mit einem M4 Arm Controller. Dieser Controller kann viel mächtiger sein als ein M3, nicht nur wegen der höheren Frequenz, der ARM M3 kann maximal  120 MHz. Die Videoserie zu der ich dir den Link gegeben hat folgt dem Prinzip:

Erst ein Ausdruck mit der bestehenden Lösung, dann einen Ausdruck mit der hochgerüsteten Lösung. Hier wird deutlich, dass die Rechenleistung einen entscheidenden Einfluss auf die Qualität des Ausdrucks und eng damit verbundenm wie schnell ein3D Drucker drucken kann. Ist aber eben nicht alleine dafür verantwortlich.

 

@Ralph: Das schone an den Trinamic ICs ist, das diese einen Schrittfehler erkennen. Ja, sie verwenden sogar diese "StallGuard-Funktionalität" und können sich den Endanschlag ersparen. Auf dem YouTube Kanal von Trinamic gibt es Videos die das zeigen und noch viele weitere Funktionalitäten. Die TMC2209 haben mehr Funktionalitäten als der heute meistens zum Einsatz kommende TMC2208. Das Ecosystem bei den 3D Druckern und das der Quellkode frei zugänglich ist ermöglicht es das solche weiteren Funktionalitäten nach und nach als patches verfügbar werden und z.B. Creality dafür bekennt ist bei seinen Druckern nach und nach in der Firmware ergänzt werden.

Wenn also die Firmware auf der Steuerkarte einen Schritt-Fehler erkennt, dann wird das auf die gleiche Art gehändelt wie ein Abbruch weil das Filament zu ende ist, die Stromversorgung ausgefallen ist.

 

Edited November 28, 2020 by Hellmut Kohlsdorf

[DJK94]

Mir ist klar, dass Schrittmotoren üblicherweise Stromgesteuert werden. Wobei das sogar bei einem "normalen" BLDC geht. Der läuft dann halt auch im Vollsynchronbetrieb. Das ist im Grunde einfach zu steuern, aber nicht unbedingt effizient.

Die Leistungsberechnung ist mir bekannt. Das bedeutet aber auch, dass bei gleichem Nennstrom ein Motor, der zum erreichen dieses Stroms anstelle 3V 12V braucht entsprechend eine 4fache Leistungsaufnahme hat. Da die zusätzlich erforderliche Spannung, um den Strom zu erreichen aus dem Widerstand der Spule resultiert, der wiederum von der Windugnszahl abhängt, die Wiederum die Feldstärke und damit das Drehmoment bestimmt, ergibt sich nach meinem Wissen, dass ein Motor, der eine höhere Nennspannugn bei gleichem Nennstrom hat entsprechend mehr Drehmomment liefern kann. Wobei der Zusammenhang wahrscheinlich nicht linear sein wird.

Daher erschließt sich mir nur begrenzt der Sinn die Spannung zu krass über der Nennspannung zu halten. Dass sie erhöht angesetzt wird, kenne ich zb. von den CNC-Steuerungen meines Vaters. Dadurch kann ich mir eben Reserven schaffen, dass der gewünschte Strom auch sicher am Schrittmotor ankommt. Und im Mittel müsste der Strom aus meiner Versorgungsquelle geringer ausfallen, als der durch den Motor, da eben die Leistung gleich bleibt.

Was mir bzgl Schrittverlust und Abbruchroutine mit Neustart noch eingefallen ist. Das gibt möglicherweise eine Antwort auf Ralphs Frage.

Was soll mein Drucker tun, wenn er eine Fehlermeldung bekommt? Er sollte am besten einfach weitermachen, aber muss den Schrittverlust ausgleichen. Dazu muss er ihn aber kennen. Die einzige sichere Methode die mir einfällt wäre eine neue Referenzfahrt. Denn mit einem Schrittverlust ist im Grunde der Verlust der Position verbunden. Sobald ich also nicht mehr weiß wie viele Schritte bisher gemacht sind, weiß ich auch nicht mehr wo ich bin. Selbst wenn ich die verlorenen Schritte kenne, weiß ich noch nicht sicher wo ich bin. Denn wenn ich durch Überlast auf der Stelle getreten bin bin ich hinter meinem Soll und wenn ich mich verzählt habe, weil ich zu schnell war bin ich vielleicht weiter als das Soll. Letzerer Fall ist mit Spindeln wahrscheinlich eher unwahrscheinlich, da dann schon sehr viel Trägheit die Spindel weiterdrehen müsste. Ein Riemen hat aber keine Selbsthemmung und könnte wohl eher mal überschießen.

Für eine Sichere Positionsbestimmung muss ich also auf Referenz und neu zählen auf die letzte Sollposition von der ich sicher weiß, dass ich da war.
Bei Abtragenden Verfahren ist das auch kein Problem. Denn die initiale Referenzfahrt darf ja nicht mit dem Werkstück kollidieren. Und das wird mit zunehmender Bearbeitung nur kleiner.
Aber beim Drucken wird mein Teil mit dem Fortschritt größer. Eine Kollision wird also zunehmend wahrscheinlich. Ein Neustart bzw eine Weiterführung sehe ich als kaum machbar, weil ich eine sichere Korrektur nach dem Schrittfehler brauche und wie gesagt ohne Referenzfahrt wüsste ich nicht wie ich das sicher schaffe. Schließe ich den Fall des Überschießens aus, könnte man die Schritte nacholen. Der Strukturfehler ist aber da. Vielleicht egal, vielleicht auch nicht.

Da ein Schrittfehler wahrscheinlich ohnehin einen externen Fehler als Ursache hat hat das Erkennen aber den Vorteil, dass eine Blockade nicht zu größerem Schaden führt. Da man die dann erst beheben muss ist das Teil in den meisten Fällen wohl ohnehin verloren.
Hauptziel muss weiter das Vermeiden von Fehlern sein. Da helfen dann nur passend ausgewählte Motoren.

[DJK94]

Kleiner Nachtrag, nachdem ich gestern nochmal mit meinem Vater gesprochen hatte. Der baut seine CNC Steuerungen mit 70V Spannugnsversorgung für die Schrittmotoren. Da Hellmut ja schon die Versorgung mit deutlicher Spannungsreserve angesprochen hatte wollte ich das nochmal klarer verstehen.

Es geht dabei um eine "Eigenheit" von Spulen, die beim Schrittmotor deutlich die Charakteristik bestimmt. Und zwar sind Spulen immer ein Stromdämpfer. Bedeutet eben, dass der Strom nach anlegen der Spannung sich nur verzögert aufbaut. Da das Feld und damit das Drehmoment im Motor aber vom Strom abhängt liegt das Drehmoment auch erst an, wenn der volle Strom durch die Spulen fließt. Da wir einen Motor drehen wollen, müssen wir die Spulen im Wechsel bestromen. Das bedeutet wir haben bei jedem Schaltwechsel das Problem, dass wir eine Verzögerung haben bis das volle Drehmoment anliegt.

Je schneller der Motor drehen soll, desto kürzer ist die Zeit zwischen den Schaltwechseln. Bis zu einer bestimmten Grenzdrehzahl ist die Zeit zwischen den Schaltspielen lang genug, dass ich das Strommaximum und damit das volle Drehmoment erreichen kann. Schalte ich nun vor dem Strommaximum schon um, dann fällt mein Drehmoment direkt ab, da eben nicht mehr der volle Strom durch die Spulen gehen kann. Das bedeutet mit zunehmender Drehzahl fällt das Drehmoment drastisch ab.

Um das Problem etwas zu kompensieren kann ich die Versorgungsspannung erhöhen. Mit zunehmender Spannung steigt der Strom in der Spule schneller. Ohne Regelsystem würde er auch höher steigen, aber genau da greift dann die Schrittmotorsteuerung mit der Strombegrenzung ein. Wenn also mein Strom in der Spule schneller auf das vorgegebene Maximum steigt, dann können die Zeitschritte zwischen den Umpolungen auch kürzer werden. Die Drehmomentkennlinie verschiebt sich zugunsten höherer Drehzahlen.

Und aus diesem Grund muss ich einen Teil meiner Annahmen bzgl. Nennspannungsauswahl am Schrittmotor von oben relativieren. Je nach Einsatz kann es also durchaus sinnvoll sein einen Motor mit geringerer Nennspannung zu wählen, wenn dadurch ein größerer Spannungspuffer möglich ist und ich so bei erwarteten Drehzahlen auch noch Drehmomment anliegen habe. Da heißt es dann also erst recht Datenblätter wälzen.

 

OT: Die letzten Beiträge sind ja nun mehr über Schrittmotoren und 3D-Drucker gewesen. Wenn da noch viel dazukommen sollte wäre vielleicht ein anderes Thema passender, als es hier zur Tischkreissäge zu packen. Aktuell bliebe es ein recht kurzes eigenes Thema, aber vielleicht lohnt sich ein Umzug doch bald.

 

Grüße

Daniel

[Hellmut Kohlsdorf]

Hallo Daniel. Was Du bisher außer acht lässts sind die Funktionen die eine 2-Phasen-Schrittmotorsteuerung erfüllt, hier. z.B. der TLC2208. Es sind jetzt schon viele Jahre vergangen seit ich einen Kurs über fortgeschrittene Themen im Zusammenhang mit dem Thema Schrittmotor und Schrittmotor-Steuerung veröffentlicht hatte. Animositäten mit einigen Herren hier im Forum haben mich auf Spanisch und Englische Schiffsmodell-Foren wechseln lassen. Insbesondere da ich in Südamerika geboren wurde, wollte ich die Gelegenheit nutzen Menschen aus meinem Sprachraum zu evangelisieren, wie man den Begriff bei Apple versteht. Ich werde mal versuchen hier ein wenig davon zu beantworten, da Du Daniel ernsthaft in diesem Thread argumentierst. Leider macht mir meine Gesundheit arge Probleme und das hat zur Folge dass ich vieles vergesse, bzw. nicht mehr parat habe. Foren-Beträge von mir haben also für mich auch die Aufgabe durch Lektüre meine Erinnerung wieder aufzufrischen. Leider schließen einige Foren und dann sind meine Berichte dort verloren. Ich werde also versuchen das Thema zu adressieren.

Hilfreich habe ich es immer empfunden wenn man Dinge ansehen kann und dann so einen Bezug für das was man liest zu haben. Übrigens ist das ein Thema das gezielt bei Tischkreissägen und beim erstellen von Teilen für diese und den Frästisch sind. Hier ein Video das ich aufgenommen habe als ich wissen wollte wie schnell mein Schrittmotor Schritte machen kann. Ich nutze dabei alle Funktionen des Trinamic ICs, welche ich von der IDE aus steuern kann. Das Video ist 14 Minuten lang. Ich hatte nicht erwartet, dass es so lang dauern würde bis der Motor aussteigt. Das Experiment läuft mit der Spannung die mein Spannungsverdoppler aus der 12 V Spannung meines umgebauten PC-Netzteil erzeugt. Die beider Multimeter zeigen links den Strom und rechts die Spannung. Der Schrittmotor hat eine nominale Spannung von 3,6 VDC und die Last ist nur jene die im Motor durch die induzierte Spannung inverser Polarität entsteht. Aber dazu mehr später.

Nachdem dieses Video gezeigt hat die schnell unter optimalen Bedingungen seine Schritte machen kann, nun zur Theorie:

Bei ein Schrittmotor gibt es 2 grundsätzliche Größen die seinen Betrieb beeinflussen, elektrische Parameter und mechanische Parameter seiner Konstruktion. Die mechanischen Parameter sind für einen bestimmten Motor etwas konsttruktion bedingtes und für uns eine Konstante. Wir designen ja keine Schrittmotoren. Warum ein Schrittmotor sein größtes Moment dann hat wen er auf einer Position hält sind die induzierte Spannung inverser Polarität. Bekannt ist ja, das der absolute Wert einer induzierten Spannung davon abhängt wie schnell sich die an eineer Spule angelegte Spannung verändert und um welchen Betrag. Je schneller und höher der Wert der Angelegten Spannung sich ändert, umso höher ist der absolute Wert der induzierten Spannung. Steigt also die Schrittgeschwindigkeit eines Schrittmotors steigt der absolute Wert der induzierten Spannung. Steht der Motor, dann ist die induzierte Spannung "0" und das Drehmoment entsteht durch den Wert der angelegten Spannung. Der Schrittmotor hat intern natürlich eine Arbeit zu leisten. Drehe ich also den Schrittmotor immer schneller, nimmt der induzierte Spannungswert zu, bis die verbleibende Spannung Utotal nicht mehr genug Drehmoment erzeugen kann um die mechanische Arbeit im Schrittmotor zu verrichten. Der Motor bleibt stehen und vibriert.

Utotal = Uangelegt - IUinduziertI

Zusätzlich gibt es noch die mechanische Störung die konstruktionsbedingt ist, eine Größe die ich nicht spezifizieren kann. Hochwertige Schrittmotoren machen 200 Vollschritte pro Umdreheung und der Trinamic IC kann bis zu 256 Mikroschritte erzeugen. Die mechanischen Parameter in Wechselwirkung mit dem elektrischen Parameter sind für das Laufgeräusch des Schrittmotors verantwortlich. Gibt es hier eine Resonanz, dann wird der Lauf des Schrittmotors lauter. Indem man eine Schrittgeschwindigkeit in der Nähe des gewollten verwendet, kann man leisen oder fast geräuschlosen Lauf des Schrittmotors erreichen. Die modernen Trinamic ICs haben aber auch einen Betriebsmodus der den leisen Lauf der Schrittmotoren erzeugt und so bei 3D Druckern den dort genannen "Silent Mode" bewirken.

Ich habe vom Marketing Manager der Trinamic die Erlaubnis ihre Bilder und Videos zu verwenden.

In dieser 1. Graphik erkennt man wie im Vollschritt-Modus der große Spannungshub die Spannung oszylieren lässt bis sie sich einschwingt. Das die Spulen in einem modernen "Hybrid-Schrittmotor" 200 Vollschritte pro 360°Umdrehung machen, zeigt, das man nicht den vereinfachenden Graphiken zur Erklärung benutzt 1:1 anwenden kann. Mehr dazu später.

Mit dieser Graphik wird gezeigt, wie die elektrisch störende Größe des Einschwingen der Spannung bei Mikroschritten praktisch vernachlässigbar wird. So einen Effekt hat man auch wenn man einfache Schrittmotoren die z.B. nur 20 Vollschritte für eine 360° Umdrehung haben, versus 200 Vollschritte pro 360°.

Mit dieser Graphik ein anderer Blick auf das gleiche Thema.

Diese Graphik zeigt sehr schön den Drehmomentverlust, welcher durch die induzierte Spannung erzeugt wird. Für mich ist es daher nachvollziehbar, wenn die angelegte Spannung größer ist, so ist das auf die Versorgungsspannung bezogene erzeugte Drehmoment größer. Es Bedarf daher eine absolut größere induzierte Spannung damit die resultierende Spannung nicht mehr ausreicht um den Drehmotor entweder noch schneller zu Drehen und/oder die Last zu bewegen. Es gibt noch weitere Funktionalität welche das eben gezeigte Verhalten in Schrittmotoren nutzt und die ich bei meinem Video zum Thema wie schnell kan ich den Schrittmotor dazu bringen seine Schritte zu machen.

 

Wenn ich einen Schrittmotor beschleunige oder verlangsamere, wird normaler Weise das hier geziegte lineare Geschwindigkeitsprofil gefahren. Die Trinamic ICs bieten aber auch die Funktionalität ein S-förmiges Geschwindigkeitsprofil zu fahren. Sinn davon ist es die elektrischen Parameter des Schrittmotors kontrollierter zu verändern. Damit erreicht man 2 Ziele. Der eine ist eine höhere Schrittgeschwindikeit oder die Fähigkeit mehr Drehmoment für Last bereitzustellen während der Beschleunigung der Schrittgeschwindigkeit durch ein stabileres Verhalten der elektrischen Parameter.

Die andere Möglichkeit des S-förmigen Geschwindigkeitsprofils ist in diesem Video gezeigt.

So, ich habe diese Graphiken hier eingefügt weil ich mit Ihnen die Funktionalität von stallGuard2 und coolStep erklären und zeigen kann. Die erste Graphik zeigt einen hybriden 2-Phasen-Schrittmotor. Die 2. Graphik zeigt am Beispiel eines Halbschrittes 2 Dinde die ich für wichtig zum Thema halte. Beim Mehrschritt-Betrieb eines Schrittmotors erfolgt duch kluge Kombination der Spannung an den Spulen, die die Wahrheitstabelle zeigt das Spiel der angelegten Spannungen durch welche die Mikroschritte erzeugt werden. Die 3. Graphik zeigt was in den 2 Video nach meiner Meinung den Sachverhalt nicht nur Betreff deiner Fragen, sondern auch der von Ralph.

 

 

Wenn ein Schrittmotor ohne Last betrieben wird, so nimmt der Rotor eine durch die in den Spulen angelegten Spannungen auf eine ganz exakte Drehposition. Wird der Schrittmotor mit einer Last beauftragt, dann ist die "Arbeit" des Schrittmotors dadurch sichtbar, das der Rotor von der Idealposition abweicht, und zwar abhängig von der Größe der angelegten Last. das kann das Trinamic IC erkennen und nutzen. Stößt das bewegte Objekt auf ein Hindernis, verändert sich die Position des Rotors, das IC erkennt es und kann praktisch sofort reagieren.

So, ich habe diese Graphiken hier eingefügt weil ich mit Ihnen die Funktionalität von stallGuard2 und coolStep erklären und zeigen kann. Die erste Graphik zeigt einen hybriden 2-Phasen-Schrittmotor. Die 2. Graphik zeigt am Beispiel eines Halbschrittes 2 Dinde die ich für wichtig zum Thema halte. Beim Mehrschritt-Betrieb eines Schrittmotors erfolgt duch kluge Kombination der Spannung an den Spulen, die die Wahrheitstabelle zeigt das Spiel der angelegten Spannungen durch welche die Mikroschritte erzeugt werden. Die 3. Graphik zeigt was in den 2 Video nach meiner Meinung den Sachverhalt nicht nur Betreff deiner Fragen, sondern auch der von Ralph. Wichtig, und gerade wenn man wie ich einen Schrittmotor als Winde verwenden will is stallGuard wie im 1. Video zu sehen. Sollte die Schot meines Modellseglers sich irgendwo erhaken, zerstört das enorme Drehmoment des von mir verwendeten Schrittmotors im schlimmsten Fall das ganze Modell. Die stallGuard funktion würde das Erkennen und so reagieren können wie im 1. Video gezeigt.

 

 

Dieses 2. Video zeigt wie das Trinamic IC mit der von Trinamic als coolStep genannten Funktionalität verwendet und den Strom so zu regulieren, das das entstehende Drehmoment die Last durch  erforderliche Höhe bereitstellt. Es ist also so, dass das Schrittmotor nur jeweils soviel Strom durch den Schrittmotor leitet, als wie die Augenblickliche Last erfordert. Es wird dadurch verhindert, das der Schrittmotor einen Schrittfehler macht. Die Graphik in dem Video veranschaulicht es. ja, es kann diese Funktionalität sogar nutzen um im Fall von Lastspitzen einen kurzeitigen Strom größer als den nominal Strom fliessen zu lassen.

 

Die Trinamic ICs besitzen noch mehr sehr nützliche Funktionalitäten.

 

 

 

[DJK94]

Das sind ja sehr ausführliche Darstellungen. Ich erlaube mir aber etwas zum ersten Absatz anzumerken. Soweit mich mein Wissen und meine Recherchen nicht völlig trügen bringst du da etwas die Zuständigkeiten von Strom und Spannung am Motor durcheinander. Das Drehmomment wird durch das Magentische Feld der Spulen erzeugt und das Feld interessiert sich nur für den fließenden Strom. Die Spannung ist praktisch nur der "Treiber", der dafür zu sorgen hat, dass die Widerständer überwunden werden, um den Strom fließen zu lassen.
Was ich ja korrigiert hatte zu meinen Aussagen und wo wir uns offenbar einig sind, ist dass eine größere Versorgungsspannung uns hilft den Motor schneller umpolen zu lassen, da sie der induzierten Spannung entgegensteht. Diese resultiert allerdings nicht aus der Spannungsänderung an der Spule, sondern aus dem sich verändernden Magnetfeld. Und dieses resultiert aus der Stromänderung in der Spule und der Rotation des Rotors.
Ohne Widerstände hätte ich im Einschaltzeitpunkt einen unendlich hohen Stromsprung. Dieser würde eine entsprechend unendlich hohe Magnetfeldänderung bewirken. Diese ergibt ihrerseits eine gegengepolte Induktionsspannung. So erhalten wir dann in der Realität die gedämpfte Stromanstiegskurve in einer Spule. Die Genertaorspannung des Staors in den Spulen steigt natürlich mit zunehmender Drehzahl. Das beduetet mit zunehmender Drehzahl werden beide Effekte immer wichtiger.
Je größer die Versorgungsspannung ist, desto größer kann die induzierte Spannung ausfallen bis kein Strom mehr fließt. Ich bekomme also steilere Stromanstiege und auch bei hohen Drehzahlen noch genug Strom durch die Spulen und so Drehmoment. Die Generatorspannung hatte ich tatsächlich vergessen. Ich denke jetzt sind wir uns einig.

Was ich aus deinen Ausführungen noch nicht ganz durchschaue sind die Begrifflichenkeiten bzgl. Microstep. Die Stromkurven sehen für mich aus, als würde man von regulärer Blockkommutierung auf Sinuskommutierung wechseln. Das ist in der Tat nicht verkehrt und wir nutzen es bei unseren BLDC Konstruktionen allgemein auch. Es kann auch Laufruhe und Geräusche verbessern. Ich verbinde mit dem begriff aber eher eine Fortsetzung der Halbschrittaufteilung. Mein Vater meinte eben, dass seine Steuerungen auf 1/64 oder gar 1/128 Schritt laufen. Das ist dann aber nciht dieses Sinusstromversorgung, sondern ein Ansteuern der Spulenströme in der Art, dass ich eben Zwischenpositionen gezielt anfahren lasse. Die Sinusglättung bringt mir evtl Ruhe und die Schritteilung direkt Auflösung und Genauigkeit.

coolStep sieht in der Tat nicht uninteressant aus. Wie sinnvoll sich das bei einem Drucker allerdigns einsetzen lässt müsste man mal testen. Bei einer Fräse oder Lasttransportern habe ich ja wirklich veränderliche Lasten, wo ich dann auch abhängig davon Spar- /Schoneffekte erzielen kann. Ein Drucker hat aber in den meisten Fällen eher kostante Lasten. Da lässt sich wohl eher vermeiden überdimensionierte Stromwerte zur Sicherheit vorzuhalten. Schaden kanns aber wahrscheinlich nicht und dann kann mans auch mitnehmen.

Ich muss aber zugeben, dass ich zwar gerne mich in einiges Einarbeite. Das mache ich überlicherweise aber dann wenn ich vor der Problemstellung stehe. Und da bin ich noch nicht soweit. Erstmal muss meine Hardwarekonstruktion fertig werden und dann bin ich froh, wenn ich die Achsen schonmal überhaupt verfahren kann. Ich plane aktuell nicht mir die Steuerung komplett selbst zu bauen und zu programmieren. Wobei ich sicher nicht um einige Anpassungen herumkommen werde. Alleine schon, weil ich keine Standardübersetzungsverhältnisse haben werde. Aber das ist hoffentlich relativ einfache Softwaregeschichte und der Elektronikaufbau der Steuerung macht mir weniger Angst.

[Hellmut Kohlsdorf]

Hallo Daniel. Was Du bisher außer acht lässts sind die Funktionen die eine 2-Phasen-Schrittmotorsteuerung erfüllt, hier. z.B. der TLC2208. Es sind jetzt schon viele Jahre vergangen seit ich einen Kurs über fortgeschrittene Themen im Zusammenhang mit dem Thema Schrittmotor und Schrittmotor-Steuerung veröffentlicht hatte. Animositäten mit einigen Herren hier im Forum haben mich auf Spanisch und Englische Schiffsmodell-Foren wechseln lassen. Insbesondere da ich in Südamerika geboren wurde, wollte ich die Gelegenheit nutzen Menschen aus meinem Sprachraum zu evangelisieren, wie man den Begriff bei Apple versteht. Ich werde mal versuchen hier ein wenig davon zu beantworten, da Du Daniel ernsthaft in diesem Thread argumentierst. Leider macht mir meine Gesundheit arge Probleme und das hat zur Folge dass ich vieles vergesse, bzw. nicht mehr parat habe. Foren-Beträge von mir haben also für mich auch die Aufgabe durch Lektüre meine Erinnerung wieder aufzufrischen. Leider schließen einige Foren und dann sind meine Berichte dort verloren. Ich werde also versuchen das Thema zu adressieren.

Hilfreich habe ich es immer empfunden wenn man Dinge ansehen kann und dann so einen Bezug für das was man liest zu haben. Übrigens ist das ein Thema das gezielt bei Tischkreissägen und beim erstellen von Teilen für diese und den Frästisch sind. Hier ein Video das ich aufgenommen habe als ich wissen wollte wie schnell mein Schrittmotor Schritte machen kann. Ich nutze dabei alle Funktionen des Trinamic ICs, welche ich von der IDE aus steuern kann. Das Video ist 14 Minuten lang. Ich hatte nicht erwartet, dass es so lang dauern würde bis der Motor aussteigt. Das Experiment läuft mit der Spannung die mein Spannungsverdoppler aus der 12 V Spannung meines umgebauten PC-Netzteil erzeugt. Die beider Multimeter zeigen links den Strom und rechts die Spannung. Der Schrittmotor hat eine nominale Spannung von 3,6 VDC und die Last ist nur jene die im Motor durch die induzierte Spannung inverser Polarität entsteht. Aber dazu mehr später.

Nachdem dieses Video gezeigt hat die schnell unter optimalen Bedingungen seine Schritte machen kann, nun zur Theorie:

Bei ein Schrittmotor gibt es 2 grundsätzliche Größen die seinen Betrieb beeinflussen, elektrische Parameter und mechanische Parameter seiner Konstruktion. Die mechanischen Parameter sind für einen bestimmten Motor etwas konsttruktion bedingtes und für uns eine Konstante. Wir designen ja keine Schrittmotoren. Warum ein Schrittmotor sein größtes Moment dann hat wen er auf einer Position hält sind die induzierte Spannung inverser Polarität. Bekannt ist ja, das der absolute Wert einer induzierten Spannung davon abhängt wie schnell sich die an eineer Spule angelegte Spannung verändert und um welchen Betrag. Je schneller und höher der Wert der Angelegten Spannung sich ändert, umso höher ist der absolute Wert der induzierten Spannung. Steigt also die Schrittgeschwindigkeit eines Schrittmotors steigt der absolute Wert der induzierten Spannung. Steht der Motor, dann ist die induzierte Spannung "0" und das Drehmoment entsteht durch den Wert der angelegten Spannung. Der Schrittmotor hat intern natürlich eine Arbeit zu leisten. Drehe ich also den Schrittmotor immer schneller, nimmt der induzierte Spannungswert zu, bis die verbleibende Spannung Utotal nicht mehr genug Drehmoment erzeugen kann um die mechanische Arbeit im Schrittmotor zu verrichten. Der Motor bleibt stehen und vibriert.

Utotal = Uangelegt - IUinduziertI

Zusätzlich gibt es noch die mechanische Störung die konstruktionsbedingt ist, eine Größe die ich nicht spezifizieren kann. Hochwertige Schrittmotoren machen 200 Vollschritte pro Umdreheung und der Trinamic IC kann bis zu 256 Mikroschritte erzeugen. Die mechanischen Parameter in Wechselwirkung mit dem elektrischen Parameter sind für das Laufgeräusch des Schrittmotors verantwortlich. Gibt es hier eine Resonanz, dann wird der Lauf des Schrittmotors lauter. Indem man eine Schrittgeschwindigkeit in der Nähe des gewollten verwendet, kann man leisen oder fast geräuschlosen Lauf des Schrittmotors erreichen. Die modernen Trinamic ICs haben aber auch einen Betriebsmodus der den leisen Lauf der Schrittmotoren erzeugt und so bei 3D Druckern den dort genannen "Silent Mode" bewirken.

Ich habe vom Marketing Manager der Trinamic die Erlaubnis ihre Bilder und Videos zu verwenden.

In dieser 1. Graphik erkennt man wie im Vollschritt-Modus der große Spannungshub die Spannung oszylieren lässt bis sie sich einschwingt. Das die Spulen in einem modernen "Hybrid-Schrittmotor" 200 Vollschritte pro 360°Umdrehung machen, zeigt, das man nicht den vereinfachenden Graphiken zur Erklärung benutzt 1:1 anwenden kann. Mehr dazu später.

Mit dieser Graphik wird gezeigt, wie die elektrisch störende Größe des Einschwingen der Spannung bei Mikroschritten praktisch vernachlässigbar wird. So einen Effekt hat man auch wenn man einfache Schrittmotoren die z.B. nur 20 Vollschritte für eine 360° Umdrehung haben, versus 200 Vollschritte pro 360°.

Mit dieser Graphik ein anderer Blick auf das gleiche Thema.

Diese Graphik zeigt sehr schön den Drehmomentverlust, welcher durch die induzierte Spannung erzeugt wird.

 

 

 

[Hellmut Kohlsdorf]

Du hast natürlich vollkommen recht, nicht der Strom, sondern das Magnetfeld bewirkt das Drehmoment.

Ich stimme dir auch zu, wenn ein Moderator den Inhalt zum Themenbereich Schrittmotor in einen eigenen neu zu erstellenden Thread schieben würde, wäre es angemessener. Dank deiner und Ralphs Beteiligungen ist der Umfang so große geworden, das ein Umzug absolut gerecht fertigt wäre. Könntest Du den Moderator mit dieser Bitte ansprechen? Meine gestörte Beziehung zu einigen Herren hier im Forum lässt es mich wünschen Du mögest sie kontaktieren.

Microstep sind in erster Linie das durchführen von mehreren Schritten auf den Weg von einem Vollschritt zu nächsten. Zu diesem Thema. Es sind jetzt 7 Jahre seit ich mich zuletzt intensiv mit dem Thema beschäftigt habe. Deine Aussage  zum Thema Strom und Magnetfeld zeigt wie sich bei mir Lässigkeiten in der Begriffsnutzung einbürgern. Aber noch kurz zum Thema 2D Drucker und diesem Themenbereich. Seit 3D Drucker die Mächtigkeit der Trinamic ICs entdeckt haben, ist Trinamic zu einer wichtigen Lieferanten für den 3D Druckermarkt geworden. Ich kenne und habe mit ihnen vor 7 bis 8 Jahren kontakt gehabt, da waren sie noch eine vergleichbar kleine Klitsche, wo man auf der Messe noch die wichtigsten Personen der Firma traf und sprechen konnte.

Noch einen kleinen Hinweis der nur tangential zu diesem gehört. Bei meinen Recherchen zum Thema 3D Drucker und dem Aufrüsten dieser bin ich auf etwas für mich neues gestoßen. Es sind "Smoother-Module". So ein sehr preiswertes Modul schaltet man zwischen dem Ausgang der Trinamic-Module auf den Steuerkarten und dem Schrittmotor. Diese Module glätten die Signale an den Schrittmotor und sorgen dadurch zu einer höher wertigen Versorgung des Schrittmotors und damit zu den elektrischen Eigenschaften des Motors im Betrieb.

Zu dem Thema Sinusverlauf der Ströme durch die Spulen. Hier meine Interpretation ohne auf befunde bei Trinamic zu verweisen. Die Trinamic ICs  haben keinen Einfluss auf die an den Motorspulen anliegenden Spannungen. Die Trinamic ICs steuern nur den Strom per PWM und werten die Infos aus die sie aus dieser Funktion verfügbar haben. Wäre vielleicht eine Frage die man bei Trinamic stellen könnte. Woher und wie gewinnt ein Trinamic-Steuer-IC die Informationen die sie für Funktionen wie StallGuard und andere verenden?

Ich möchte dir noch den Link zu den App-Notes geben. Die Qualität und die vielen Aspekte die dort vorgestellt werden habe ich noch selber nicht studiert. Aber was ich noch los werden will betrift die Latenzzeiten die du in deiner Antwort ansprichst. Analoge Latenzzeiten in Schrittmotoren sind so langsam, das digitale Auswertung und Reaktionen praktisch sofort passieren.

[Chris DA]

Von Moderator Chris DA bearbeitet

Verschoben, weil das hat ja wenig mit ner Tischkreissäge zu tun 

[Hellmut Kohlsdorf]

Danke für das Verlegen in ein eigenes Thread.

[Chris DA]

Immer gerne! 

[Hellmut Kohlsdorf]

Der 3D Drucker ist eingetroffen! Mist, habe in meiner Werkstatt im Augenblich weder den Ort wo ich die Versandkiste abstellen kann, noch wo ich den Drucker zusammenbauen kann noch erst recht wi ich den Drucker aufstelle. Dieser "Black Friday" ermöglichte mir Dinde viel schneller zu erwerben als wie schnell ich die dazu erforderlichen Arbeiten machen kannn. Ein echtes "Luxus Problem"!

[Hellmut Kohlsdorf]

@Daniel: Die Aluminium Teile die den Rahmen des Ender 5 Plus bilden sind doch arg filigran. Sobald ich den Drucker soweit eingerichtet und die Elemente hochgerüstet habe liegt hier sicher eine Aufgabe vor mir. Vorher aber habe ich noch vor die Steuerkarte auf jene Versión aufzurüsten, welcher den ARM M4 nutzt und mit dem SilentStepStick TMC5160 zu versehen und die Motor-Versorgungspannung auf 24 VDC zu erhöhen. Dazu muss ich von Hand auch das Betriebs<stem Marlin dafür adaptieren.. Anleitungen wie man das macht finden sich auf YouTube. Ich finde es heute Nacht nicht mehr. Aber es gibt auf YouTube ein Video von die Funktion diverser SilentStepSticks verglichen wird und der Einfluss der diversen Parameter auf die Bewegung des Druckkopfes mit 12 VDC und 24 VDC. Ser SilentStepStick 5160 kann vom Trinamic IC TMC5601 auch mit bis zu 50 VDC betrieben werden. Der ARM M4 Controller auf einer Karte wird mit 168 MHz getackt, obwohl der ARM M4 mit weit über 220 MHz betrieben werden kann. Ich denke das Board Design das bisher mit ARM M3 wurde mit 160 MHz betrieben und da konnte die Frekuenz eben nur auf 168 MHz zuverlässig erhöht werden. Alles die erfordert das Betriebsystem Marlin zu modifizieren.

[DJK94]

Das mit dem Filigranen und wackeligen Rahmen hatte ich befürchtet. Deshalb hab ich mich entschieden es eher zu übertreiben und baue meinen auf 40mm Profilen auf. 30er würden wohl reichen, aber ich konnte auf die Schnelle letzte Tage keinen Bezug für die gewünschten Winkelprofile in den Ecken finden. Zudem würde ich auch damit "nur" 20mm mehr Innenmaß bekommen. Aber ich mach die Tage erstmal die Konstruktion fertig, um überhaupt beurteilen zu können, wie groß mein Druckraum aktuell wird.

Dann werde ich mal eine Liste erstellen, um eine Kostenabschätzung machen zu können.

Und wenn die Mechanik beschlossen ist, muss ich mal raussuchen, ob das von mir geplante Board alle Funktionen erfüllt, die ich wünsche. Ich meine das geplante Prusaboard müsste das können. Nur muss ich eben auf die Kalibrierung zugreifen können, um die Schritte einzustellen. Vorteil wäre nur auch, dass das Board wohl schon auf 24V läuft, wenn ich das recht im Kopf habe.

Ich denke die Tage werd ich auch mal nen Baubericht dazu anfangen.

[Hellmut Kohlsdorf]

Prusa 3D Drucker stehen wohl für solide zuverlässige Lösung. Du baust den Rahmen selber. Ich würde, wenn ich schon so vorgehe die Zeit-Komponente darin sehen, dass 3D Drucker z. Z.  sich wirklich explosiv weiterentwickeln. Um das auf die Steuerkarte eines 3D Druckers zu beziehen. Angefangen hat vieles mit 8 Bit Controllern von Avnet. Man sieht sie heute noch in zum Verkauf angebotenen Systemen. Zur zeit sind die 32 Bit Prozessoren der mainstream und hier ARM M3 Controller. Mit diesen habe ich mich schon vor 7 Jahren beschäftigt, der LPC1769. Die Peripherie-Funktionen im Controller passten optimal für meinen geplanten Einsatz im Modellsegelboot, meine Carina. Jetzt sieht man aller erste Steuerkarten mit dem ARM M4. Da man möglichst wenig Aufwand, Kosten und Risiko bei den Steuerkarten wollte, ist man beim ARM M4 von den 160 MHz bei den ARM M3 zu ARM M4 gewechselt. Das ecosystem hat sich mit den ARM M4 bisher vergleichsweise wenig beschäftigt. Hier findet man Controller mit 220 MHz. Anpassungen des Betriebssystemes Merlin auf diese ARM M4 sieht man erste Implementierungen. Aber auch andere Familien als die ARM Mx, z. B. ARM RT usw., durch die Verfügbarkeit mehrer CPU Kerne in diesen Controllers bieten Potentiale.

Interessant ist auch die Entwicklung der Trinamic Schrittmotor-Treiber. Gab es zuerst Bausteine die nicht von Trinamic stammten, sind diese inzwischen weitestgehend durch Trinamic ICs verdrängt.Auch die Tatsache das Trinamic mit Watterrot SilentStepSticks bereitstellt, hat den Einsatz in 3D Druckern revolutioniert. Steuerkarten für 3D Drucker haben zwischen 3, 5 und 6 Steckplätze für diese SilentStepSticks. Solche mit TMC2208 sind heute mainstream, TMC3209 ist die Nutzung der zusätzlichen Funktionalitäten im Marlin Betriebsstem noch im Reifungsprozess. Von Trinamic/Watterrot gibt es inzwischen auch die SilentStepSticks TMC5601 und TMC5601HV. Sehr detaillierte Untersuchung experimenteller Artfür diese neue SilentStepSticks 5601/5601 HV sind noch nicht veröffentlicht, bzw. habe ich nocht nicht gefunden. Aber der Vergleich vom Betrieb dieser SilentStepSticks mit 12 VDC und mit 24 VDC zeigen, dass diese Spannungsverdoppelung der Motoranschluss-Spannung große Wirkung hat. Auch wichtig ist es zu sehen dass die Spannungserhöhung keine Anpassung der Betriebssoftware erfodert. Wo es allerdings hapert ist bei den Netzteilen, hier habe ich nur 12 VDC Motorspannung und nicht die zusätzliche 24 VDC Spannungsversorgung gefunden. Hier werde ich noch weiter recherchieren. Aber einen wichtigen Unterschied der SilenSteSticks 5601 und 5601HV ist die maximale zulässige Motorspannung. Beim 5601 ist es =< 35 VDC, beim 5601HY ist es <= 50 VDC. Da im Automobil, LKW und wohl auch bei den Zügen nimmt eine 48 VDC Spannung einzug. Das sollte Netteile mit 48 VDC populärer, preiswerter verfügbar machen.

Was bringt eine Erhöhung der Motor-Versorgungspannung: Schnelleres drucken können ohne Qualitätsverlust oder Probleme wir Schrittfehler.

Was bringt der Einsatz von Höherwertigen Controllern mit erhöter Frequenz: Höhere Verarbeitungsleistung die bei einer höheren Druckgeschwindigkeit keine Qualitätseinbussen bedeutet.

Welche weiteren Parameter erscheinen mir Stand heute bedeutsam? Die Temperatur beim Drucken und die Kühlung der am Druck beteiligten Elementen und bei der Abkühlung der gedruckten flüssigen Filament-Substanzen. Darüber hinaus hat die "Raum-Temperatur im Druckvolumen immer größeren Einfluss wenn man schneller drucken will, aber auch wenn man andere Filamentypen einsetzen möchte. Eng auch mit diesen Parametern verknüpft ist das gleichzeitige Drucken von Filamenten unterschiedlicher Farben. Elemente mit dem Einzug von bis zu 4 Filamenten gleichzeitig hat zwar noch einen Technikstand der noch ungereift ist und das Mischen der geschmolzenen Filamente zu neunen Farben wie man es bei Bildschirmen mit den 3 Grundfarben RGB kennt.

 

Edited December 4, 2020 by Hellmut Kohlsdorf