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Untersuchung der Schrittmotortreiberkarte von Letmathe

Da die Mechanik bei diesem Projekt genug Herausforderung darstellt, wollte ich mich diesmal nicht um die Elektronik kümmern müssen. Ich entschied mich deshalb zu einer Treiberkarte, die ich über den parallelen Port an den PC anschließe, und die dann direkt die Schrittmotoren treiben kann. Als beste Lösung erschien mir eine Karte mit dem TB6560AHQ, nach Möglichkeit für vier Achsen. Die vierte Achse als Backup, wenn ein Treiber mal ausfällt und für mögliche Umbauten als RepRap oder für eine tatsächliche vierte Achse zum Herstellen von Zahnrädern oder Ähnlichem.

Es gibt ein relativ reichhaltiges Angebot von No-Name-Treiberkarte mit dem TB6560AHQ bei Ebay. Allerdings konnte ich viel Negatives zu diesen Karten finden. Zumindest kann man sich nicht sicher sein, ob man ein gutes, oder ein schlechtes Layout bekommt. Ich habe mich deshalb letztendlich für ein Angebot bei einem deutschen Modellbaushop entschieden. Da diese Karte denen von Ebay sehr ähnlich sieht, möchte ich diese hier etwas genauer untersuchen. Und so mögliche Unterschiede der MDLCNC Schrittmotorsteuerung für 4 Motoren (3,5A Endstufen) von Modellbau Letmathe(externer Link) zu den No-Name-Treiberkarten aufzuzeigen. Die Infos über die No-Name-Karten stammen nur aus Beiträgen verschiedener Foren und der Analyse der Produktbilder.

Seit September 2013 gibt es eine überarbeitete Version der Treiberkarte, die einige hier besprochenen Punkte berücksichtigt. Freundlicherweise hat mir Modellbau Letmathe eine Karte zur Verfügung gestellt. Ich habe den Text etwas umformuliert und an den entsprechenden Stellen ergänzt. Mit der alten Version ist die MDLCNC-T0 gemeint, die noch keine Versionsnummer auf der Platine trug. Als neue Version wird die MDLCNC-T4V3 bezeichnet.
Stellen die sich direkt auf die neue Version beziehen sind hervorgehoben.

Der ursprüngliche Text kann der Vollständigkeit halber unter Letmathe-MDLCNC-T0 eingesehen werden.

Betrachtet man zunächst die versprochenen Leistungsdaten und vergleicht diese mit dem Datenblatt des TB6560AHQ(externer Link) fällt zunächst auf, dass der Chip mit der maximal möglichen Spannung betrieben wird. Laut Letmathe kann die Betriebsspannung bis 36V betragen, als empfohlene Spannung wird 34V angegeben. Im Datenblatt des IC wird die absolute Maximalspannung mit 40V angegeben, die empfohlene Betriebsspannung aber nur bis 34V. Als Zweites sollte man beim beworbenen Motorstrom von 3,5A bedenken, dass dieser Strom der absolute Maximalstrom ist, den der Treiber verkraften kann. Der tatsächliche Strom wird in dem verwendeten Schaltungsdesign aber auf unter 3A begrenzt.

Damit sind die wesentlichen Leistungsdaten geklärt und ich wende mich nun der Schnittstelle zwischen dem parallelen Port und den Treiber-ICs zu. Nahezu alle Karte, auch die bei Ebay, verwenden hier Optokoppler um eine galvanische Trennung zwischen dem PC und dem Leistungsteil zu ermöglichen. Allerdings kann man bei vielen Karten schon auf den Bildern erkennen, und in diesem Forum(externer Link) wurde es auch genauer untersucht, dass keine Trennung der beiden Seiten besteht. Um die Optokoppler zu treiben, werden häufig ICs der 74HC140 Reihe verwendet. Und um diese wieder mit Strom zu versorgen, wird aus der Betriebsspannung von der Motorseite per Linearregler einfach 5V erzeugt und auf die PC-Seite geführt. Damit ist natürlich keine Trennung mehr gegeben. Zudem kann man in dem verlinkten Thread auch davon lesen, dass die Optokoppler in der verwendeten Beschaltung sehr langsam sind.

Die Karte von Letmathe setzt das Konzept mit den Optokopplern dagegen vorbildlich um. Zur Spannungsversorgung auf der PC-Seite wird ein galvanisch getrennter DC-DC-Wandler eingesetzt und für die anderen Versorgungsspannungen sparsame Schaltwandler. Für die Signale werden schnelle Optokoppler des Typs 6N137 und EL817 eingesetzt.

Die schnellen TTL-Optokoppler (6N137) haben laut Datenblatt nur eine Signalverzögerung von etwa 50ns. Und liegen somit in einem Bereich, der gut zwei bis drei Dekaden unter der verwendeten Pulslänge von 5µs bis 50µs liegt. Zum Abschätzen der maximalen Schrittfrequenz können die Optokoppler somit vernachlässigt werden.

Für die weniger zeitkritischen Signale wie das Relais und die Enable-Signale werden die etwas langsameren EL817 eingesetzt (max. 80kHz).

Schaltplan um den TB6560AHQ der Letmathe-Karte (nicht vollständig).

Die maximale Schrittfrequenz wird hier nur von dem Treiber-IC bestimmt. Bei der alten Version arbeitet der interne Oszillator mit ca. 130kHz. Woraus folgt, dass die Kapazität Cosc wie im Datenblatt vorgeschlagen etwa 330pF groß ist. Nach dem Datenblatt sollte somit die minimale Pulsweite 30µs und die Pulspause ebenfalls 30µs betragen. Die maximale Schrittfrequenz wäre somit etwa 16kHz.

In der neueren Version wurde dagegen ein 150pF Kondensator eingesetzt, mit dem der Treiber wesentlich schneller arbeitet, aber sich immer noch im Rahmen des Datenblatts befindet. Hier ist die Frequenz des Oszillators 275kHz, woraus sich eine Schrittfrequenz von maximal 34kHz ergibt.

Als Einstellung für LinuxCNC (EMC2) folgen dafür die in der Tabelle angegebenen Einstellungen. Die Werte für »Direction Hold« und »Setup« wurden geschätzt, da das Datenblatt des TB6560 dazu nichts aussagt (zumindest habe ich es nicht gefunden).

Einstellungen für EMC2
BezeichnungWert (MDLCNC-T0)Wert (MDLCNC-T4V3)
Step Time31000ns15000ns
Step Space31000ns15000ns
Direction Hold50000ns50000ns
Direction Setup50000ns50000ns

Der Treiber-IC betreibt die Schrittmotoren mit einem konstanten Strom. Dazu werden Messwiderstände auf der Leiterkarte verwendet, über die der Strom gemessen werden kann. Auf der alten Karte werden dazu zwei 330mΩ Widerstände parallel verwendet. Nach dem Datenblatt ergibt sich so ein maximaler Strom von ca. 3A, der auf 75%, 50% und 20% abgesenkt werden kann. Der Strom liegt damit etwas über den angegebenen 2,5A, auch wenn man die Leiterbahnwiderstände mit einbezieht.

Die neue Version setzt hier zwei parallele 390mΩ Widerstände ein, somit ist hier der Strom in den Stufen 2,56A, 1,92A, 1,28A und 0,51A einstellbar.

Wie in der Beschreibung zur Karte angegeben ist eine Stromabsenkung bei Motorstillstand vorgesehen. Diese wurde diskret realisiert und senkt den Konstantstrom bei Stillstand (längerer CLK Low-Pegel) auf die 20%-Stufe. Der Schaltplan für diesen Teil ist im folgenden Bild abgebildet.

Schaltplan für die Stromabsenkung bei Motorstillstand (nicht vollständig).

Die Beschaltung mit den Schutzdioden bei der Version MDLCNC-T0 an den Spulen der Motoren mutet komisch an (Schaltplan ganz oben). Die Dioden können nur leiten, wenn einer der Spulenanschlüsse negativer als 0V wird. Da aber auf weitere Dioden nach Plus verzichtet wurde, können diese Dioden kein Induktionsspitzen ableiten. Laut Datenblatt besitzt der IC bereits interne und braucht keine zusätzlichen externen Dioden, zumal sie in dieser Konfiguration den IC meiner Meinung nach nicht entlasten können.
Interessant ist, dass ein Typ der No-Name-Karten, die ich mir angeschaut habe, genau die gleiche Dioden Konfiguration am Ausgang benutzt. Eine andere dagegen verzichtet auf die Dioden vollständig. Meiner Meinung nach können die Dioden entfallen, sie schaden aber auch nicht.

In der neuen Version sind diese Dioden entfallen, was aber für den Nutzer keinen Unterschied macht.

Es wurde darauf geachtet, dass beim Einschalten ein Reset durchgeführt wird, aber leider wurde in der alten Version nicht auf die vom Datenblatt vorgeschriebene Einschaltsequenz der Spannungen geachtet. Die Logikspannnung (5V) sollte vor der Motorspannung am IC anliegen. Hier allerdings wird es anders herum sein. Währen die Motorspannung beim Einschalten sofort da ist, muss der Strom erst seinen Weg durch den 5V Schaltregler finden und die 100µF Kapazität aufladen, bevor die Logikspannung anliegt.

Die neue Version setzt hier auf eine Schaltung mit einem P-MOSFET, der direkt am Spannungseingang sitzt und die Motorspannung erst nach etwas Verzögerung dazuschaltet. Dazu wir eine kleine diskrete Schaltung verwendet. Diese schaltet nachdem die 5V-Versorgung vorhanden ist, den MOSFET etwas verzögert ein. Damit wird die Motorspannung zum TB6560AHQ freischaltet und der TB6560 beim Einschalten geschont. In der alten Version floss beim Einschalten kurzzeitig ein sehr hoher Strom durch die Motortreiber, der weit außerhalb des zulässigen Betriebsbereichs lag, diese wird bei der neuen Version verhindert.

Einschaltverzögerung für die Motorspannung (nicht vollständig).

Zusammenfassung

Abschließend kann man sagen, dass beide Versionen der Karte einen guten und durchdachten Eindruck machen. Es wurden die offensichtlichen Fehler der billigen Treiberkarten vermieden und die Optokoppler ordentlich ausgewählt, sowie an eine galvanisch getrennte Spannungsversorgung für die Komponenten auf der PC-Seite gedacht. Es wurde zudem eine Motorstromabsenkung im Stillstand realisiert, die man auf den No-Name-Karten meistens nicht findet. Die Schrittfrequenz ist mit 16kHz in der alten Version ausreichend, zumal diese bei den No-Name-Karten teilweise noch dreimal geringer ist (1nF => 5,5kHz). Die neue Version kann hier mit 34kHz punkten.

Und die Nachlässigkeit bei der Einschaltreihenfolge in der alten Version, die scheinbar alle ähnlichen Karten betrifft, wurde bei der neuen Version behoben.

Es folgt noch ein Bild, auf denen man die untersuchten Treiberkarten erkennen kann, um möglicherweise einen Versionsvergleich mit der eigenen Karte machen zu können. Das erste Bild zeigt die Version 0, das zweite Bild die Version 4V3.

Foto der Treiberkarte von Letmathe mit dem TB6560AHQ, ohne den Kühlkörper.

Foto der Treiberkarte von Letmathe mit dem TB6560AHQ, ohne den Kühlkörper.

Außerdem noch ein Bild, dass ein paar ausgewählte Lötstellen der alten Version zeigt, die meiner Meinung nach in der Qualität besser sein könnten. Es wurde scheinbar die Lotpaste bei den SMD Bauteilen etwas ungleichmäßig aufgetragen und bei den THD Bauteilen hat die Zeit nicht gereicht, um die Lötstelle komplett durchzuerwärmen.

Die untersuchte Karte der neuen Version zeigt dagegen keine Unregelmäßigkeiten bei den SMD Bauteilen und auch die HMD-Lötungen sehen besser aus, hier ist das Lot zumindest bis nach oben in das Lötauge geflossen, auch wenn sich oben kein Löthügel gebildet hat.

Foto der ungenügenden Lötstellen an den Widerstandsnetzwerken und Foto der Lötstellen an den THD Bauteilen, das Lot konnte nicht ganz in die Durchkontaktierung einfließen.

Quellen:

Die MDLCNC-Karten wurden in den gezeigten Versionen vermessen, die No-Name-Karten wurden nur anhand der Auktionsbilder bei Ebay sowie den Beiträgen in den Foren bewertet. Einige Quellen sind:

Erstellt im Februar 13, Überarbeitet im September 13.