Was
ist Mikroschritt-Betrieb?
Normalerweise wird ein Schrittmotor im Vollschritt- oder Halbschritt-Betrieb angesteuert. Das bedeutet, daß die Ströme in den beiden Wicklungen nach einem bestimmten Muster ein- und ausgeschaltet werden. Bei jedem Schaltvorgang dreht sich der Motor schlagartig um einen kleinen Winkel weiter. Beim Mikroschritt-Betrieb werden die Wicklungsströme nicht ein- und ausgeschaltet, sondern ändern sich kontinuierlich in Form einer Sinus- bzw. Cosinuskurve. Dabei entstehen keine ruckartigen Bewegungen an der Motorwelle. Das Drehmoment des Motors hängt nur vom Strom ab und ist daher nicht kleiner als beim Voll- und Halbschrittbetrieb. Die FS2 macht 64 Mikroschritte pro Vollschritt ( = 256 Mikroschritte pro Sinus-Periode), und die Amplituden-Auflösung ist 9 Bit ( = 512 Strom-Stufen) bei vollem 1.8 A Wicklungsstrom. Bei kleinerem Strom ist die Auflösung geringer (8 Bit bei 0.9 A, 7 bit bei 0.45 A...). In
den folgenden Diagrammen sehen Sie jeweils oben den zeitlichen Verlauf
des Stroms in einer Motorwicklung. (Der Strom in der anderen Wicklung ist
um 90 Grad phasenverschoben und hier nicht dargestellt.)
Die ersten beiden Diagrame wurden an einem normalen Schrittmotor gemessen (No-Name-Schrittmotor, Wicklungsstrom 0.75A, 72 Vollschritte pro Motorumdrehung, ohne Last). Die
nächsten beiben Diagramme wurden an einem ESCAP-Scheibenmagnet-Schrittmotor
gemessen (PH632, Wicklungsstrom 1.8A, 200 Vollschritte pro Motorumdrehung,
ohne Last).
Sie können diesen Diagrammen folgendes entnehmen: 1. Auch normale Schrittmotore, wie sie in vielen Montierungen eingebaut sind, laufen bei Mikroschritt-Ansteuerung ruhiger als bei Halbschritt-Ansteuerung. (Vollschritt-Betieb ist noch schlechter als Halbschritt-Betrieb.) 2.
Motore, die speziell für den Mikroschrittbetrieb konstruiert wurden
(z.B. ESCAP und SECM) laufen besonders gleichmäßig. Damit besteht
die Möglichkeit die Getriebeübersetzung stark zu verkleinern
und hohe Positionier- Geschwindigkeiten erreichen.
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What
is Microstep mode?
Normally a stepper motor is driven in full step or half step mode. This means that the motor currents are switched on and off according to a special pattern. At each switching event the motor shaft moves a small amount. Using microstep mode the currents in the motor coils are not switched on and off, but they are modified continuous with the shape of a sine wave respectively a cosine wave. There arise no jerky motions at the motor shaft. The torque of the motor depends only on the magnitude of the current and is therefore not smaller than in full or half step mode. The FS2 makes 64 microsteps per full step ( = 256 microsteps per full sine period), and the amplitude resolution is 9 bits ( = 512 current levels) at full 1.8 A coil current. Amplitude resolution is less if the current is set to a smaller value (8 bit at 0.9 A, 7 bit at 0.45 A...). In
each of the following diagrams you can see at the top the coil current
in the course of time. (The current in the other coil is phase shifted
90 degrees and not shown.)
The first two diagrams were made with a normal stepper motor, as it is used in most telescope mounts. (No-Name motor, coil current 0.75A, 72 full steps per motor revolution, without load). The next two diagrams were made with an ESCAP Disc Magnet Motor, which is specially designed for microstep mode. (PH632, coil current 1.8A, 200 full steps per motor revolution, without load). All diagrams shown are based on real measurements and are unadulterated. From these diagrams you can derive the following facts: 1. Even normal stepper motors, as they are built-in in most telescope mounts, run smoother in microstep mode than in half step mode. (Full step mode is even worse than half step mode.) 2. Motors which are specially designed for microstep mode (e.g. ESCAP and SECM motors) run very smooth. With these motors you could reduce the gear ratio of your mount and thus increase the slewing speed of the telescope. Speeds up to 1000x (4 degrees per second) are no problem.
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No-Name-Motor,
Halbschritt
Motorstrom: 0.75A 72 Vollschritte pro Umdrehung Ohne Last Der
Motor erzeugt starke Vibrationen.
No-Name
motor, Half step mode
The motor makes strong vibrations. |
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No-Name-Motor,
Mikroschritt
Motorstrom: 0.75A 72 Vollschritte pro Umdrehung Ohne Last Der
Motor läuft zwar wesentlich ruhiger als bei Halbschritt-Ansteuerung,
aber die Vibrationen sind nur teilweise beseitigt.
No-Name
motor, Microstep mode
The motor runs smoother than in half step mode but vibrations are not removed completely. A further improvement is possible by a special modification of the current waveform. This is implemented since software version 1.14. For example with this motor the vibrations can be reduced by 50% (not displayed here). |
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ESCAP
PH632 Motor
Halbschritt Motorstrom:
1.80A
Der
Motor erzeugt starke Vibrationen.
ESCAP
PH632 motor
Coil
current: 1.80A
The motor makes strong vibrations. |
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ESCAP
PH632 Motor
Mikroschritt Motorstrom:
1.80A
Der
Motor läuft sehr ruhig und gleichmäßig.
ESCAP
PH632 motor
Coil
current: 1.80A
This motor runs very silent and smooth. |
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SANYO
DENKI 103-770-1640 Motor
Mikroschritt Motorstrom: 0.70A
Der Motor läuft
nicht ganz gleichmässig, aber mit einer verzerrten Srom-Kurvenform
ist eine Verbesserung möglich. Siehe nächstes Bild.
SANYO
DENKI 103-770-1640 motor
Coil current:
0.70A
This motor doesn't run smooth, but it's possible to improve this by modifying the current waveform. See next picture. |
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SANYO
DENKI 103-770-1640 Motor
Mikroschritt Motorstrom:
0.70A
Durch
die Verzerrung der Strom-Kurvenform läuft der Motor wesentlich gleichmässiger.
Dem Strom wurden 10% der 4. Harmonischen überlagert.
SANYO
DENKI 103-770-1640 motor
Coil
current: 0.70A
The motor runs smoother because the current waveform was modified by adding 10% of the 4th harmonic to the current. |
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Nanotec
ST5709S1208 Motor
Mikroschritt Motorstrom:
1.60A
Der
Motor läuft sehr ruhig und gleichmäßig.
Nanotec
ST5709S1208 Motor
Coil
current: 1.60A
This motor runs very silent and smooth. |
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SECM4
Motor
Mikroschritt Motorstrom:
1.80A
Der
Motor läuft sehr ruhig und gleichmäßig.
SECM4
motor
Coil
current: 1.80A
This
motor runs very silent and smooth.
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ESCAP
P530 Motor
Mikroschritt-Betrieb Betriebsspannung:
12V
Der
Motor läuft sehr gleichmäßig.
ESCAP
P530 Motor
Supply
Voltage: 12V
The
motor runs very smooth.
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ESCAP
P530 Motor
Mikroschritt-Betrieb Betriebsspannung:
40V
Wegen
der hohen Betriebsspannung läuft der Motor nicht völlig gleichmäßig.
ESCAP
P530 Motor
Supply
Voltage: 40V
The
motor doesn't run absolutely smooth because of the high supply voltage.
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ESCAP
P530 Motor
Mikroschritt-Betrieb Betriebsspannung:
40V
Gegenüber
den vorigen Bild wurde nur der "Offset" Parameter von 0.00A auf 0.09A geändert.
Die kleinen Stufen in der unteren Kurve sind verschwunden und der Motor
läuft jetzt sehr gleichmäßig.
ESCAP
P530 Motor
Supply
Voltage: 40V
Same
parameters as in the last picture, except that the "offset" parameter was
changed from 0.00A to 0.09A.
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SANYO
DENKI 103H548-04500
Mikroschritt Motorstrom:
0.80A
Der
Motor läuft ruhig und gleichmäßig.
SANYO
DENKI 103H548-04500
Coil
current: 0.80A
This motor runs silent and smooth. |
Alle Kurven wurden mit diesem Versuchsaufbau gemessen: | All curves were measured with this setup: |
Der zu testende Motor (1) wird von einer FS2 (2) mit normaler Nachführ-Geschwindigkeit angesteuert. Der Strom in einer Wicklung wird mit einem Zangen-Stromwandler (3) erfasst und auf dem Oszilloskop dargestellt. Der Motor ist direkt mit einem hochauflösenden optischen Encoder (4) gekoppelt. Das Ausgangssignal des Encoders wird in einem Konverter (5) in eine dem Drehwinkel proportionale Spannung umgesetzt, welche ebenfalls auf dem Oszilloskop dargestellt wird. Weiterhin besteht bei diesem Versuchsaufbau die Möglichkeit, auf eine Seiltrommel (6) ein Seil aufzuwickeln, mit dem ein Gewicht hochgezogen werden kann, so daß das Laufverhalten des Motors unter Last getestet werden kann. | The motor under test (1) is driven by a FS2 (2) with normal tracking speed. The current in one motor winding is measured by a current clamp (3) and displayed on an oscilloscope. The motor is directly coupled to a high resolution encoder (4). A converter (5) converts the the output signal of the encoder into a voltage which is proportional to the turning angle of the motor. This voltage is also displayed on the oscilloscope. With this setup it is also possible to test the motor under constant load, if a string is wound on the wheel (6) and a weight is pulled up by this string. |