Stromversorgung und Troubleshooting

Leider funktioniert die beste CNC-Fäsanlage nicht ohne entsprechende Stromversorgung. Grundsätzlich reicht ein Netzteil 40Volt/5Ampere aus. Glücklich schätze sich der, der ein solches schon besitzt. Immerhin schlägt das Netzteil mit ca 300.-DM als nicht unerheblicher Kostenfaktor bei der Kalkulation der CNC-Anlage zu Buche. Werden nun Motoren mit Stromaufnahmen von mehr als 2Ampere verwendet, wird das ganze noch teurer. Wenn man drei Bautz Motore mit jeweils 4Ampere Nenstrom betreibt, sprengt das Ganze schon jeglichen finanziellen Rahmen. Für die CNC-Anlage ist aber eigentlich nur eine stabilisierte Versorgungsspannung nötig. Eine Stromregelung des Netzteils ist nicht nötig. Relativ einfach läßt sich das ganze mit parallel geschalteten IC`s vom Typ LM317 realisieren. Auf einer Platine sind 10 dieser IC´s untergebracht. Diese Platine ist einfach erweiterbar, so daß die Strombelastbarkeit beliebig erhöht werden kann. Eine Endstufenplatine liefert Ströme bis 15Ampere. Die Enstufe wird von einer kleinen Zusatzplatine angesteuert. Auf dieser kann auch die Spannung von 7Volt bis 30Volt eingestellt werden. Eine Strombegrenzung gibt es wie gesagt nicht. Das war aber auch nicht Ziel der Spannungsstabilisierung. Bei Versuchen habe ich aus der Schaltung schon Ströme von 15 Ampere bei 13,8 Volt entnommen. Bei 27 Volt war auch eine Stromentnahme von 15Ampere machbar. Das Limit jetzt hier nur der verwendete Transformator. Sollte ein Transformator nicht den geforderten Strom liefern können, so ist ein zweiter Transformator mit eigener Gleichrichtung einzusetzen. Die Kosten für die Elektronik belaufen sich auf ca 50.- DM. Der Trafo mit 30Volt/7,3 Ampere schlägt mit 56.-DM zu buche.

Warum sprech ich überhaupt über so eine belanglose Sache. Ein Beispiel aus der Praxis bringt hier den Durchblick. Ich habe ein einfache Stromversorgung mit folgenden Bauteilen aufgebaut. Ein Trafo 30Volt/7,3 Ampere, ein Gleichrichter 80Volt/30Ampere und ein Siebelko 80Volt/47000yF. Im Leerlauf ergab sich eine Spannung von 44,6 Volt. Das sagt schon alles. Wenn nun die Ansteuerplatine  mit Endstufe angeschlossen wird, befindet alles sogleich im Halbleiterhimmel. Der Grund ist die überhöhte Spannung. Dafür sind die Bauteile nicht spezifiziert. Wenn die Stromversorgung mit 4,5Ampere belastet wird stehen immer noch 39Volt an. Das ist zuviel für den L7805 in der Ansteuerstufe. Bei 8,3Ampere Last am Ausgang liegen immer noch 34,5Volt an. Das ist die absolute Grenze für den L7805. Der Hintergrund ist folgender. Der L7805 wird so heiß, das er die geforderten 5Volt nicht mehr stabil hält. Dadurch funktioniert die Stromchopperregelung in der Endstufe nicht mehr und die Endstufe zieht plötzlich alles an Strom, was die Stromversorgung hergibt und brennt schlagartig ab. Konsequenz der ganze Geschichte ist, entweder eine stabilisierte Stromversorgung benutzen, oder billiger einen Trafo mit 24Volt benutzen. Bei 24Volt ergibt sich gleichgerichtet und geglättet eine Leerlaufspannung von 33,8Volt. Das liegt noch voll im Rahmen des möglichen. Zwar bricht die Spannung mit zunehmender Last immer mehr weg und die Motoren fahren mit niedriger Spannung langsammer. Aber ich sage mir lieber etwas langsamer fahren und dafür länger fahren. Was nützt einem die Steuerung von 500.-DM, wenn sie innerhalb von Sekunden abbrennt. Diese Stromversorgung habe ich ausprobiert und kann sie nur weiterempfehlen. Sie ist billig und erfüllt ihren Zweck sehr gut. Geglättet werden sollte mit 10 000yF pro Motor. Die großen Kondensatoren sorgen für einen geringen Brummanteil in der Gleichspannung und nehmen die überschüssige EMK beim Bremsen der Motoren auf.

Man kann natürlich die Ansteuerplatine mit einer eigenen Spannungsversorgung von 15Volt betreiben. Das setzt aber vorraus, das diese vor der Endstufenstromversorgung eingeschaltet werden. Sonst funktioniert ja die Stromchopperreglung nicht. Und was ist wenn man zur Probe nur einen Motor mal mit 1Ampere ansteuert. Dann wird die Spannung an der Endstufe wieder so hoch das die Endstufe ganz leise aber sicher abkackt. Das ist natürlich kein Zustand. Also entweder stabile Spannungsversorgung benutzen oder 24Volt Tafo benutzen.

Tips zum Aufbau:

Bitte erstmal die Ansteuerstufe aufbauen und dann Testen. Der Ruhestrom der Platine liegt bei ca. 100mA. Ich teste dann immer erst die Signalausgänge. Dazu wird die Ansteuerplatine mit dem PC verbunden und die Software gestartet. Bei PCNC kann man hervorragend die Karte mit dem Parameter Systemtest überprüfen. Es lassen sich die Referenzschalter und die Relais sehr einfach überprüfen. Takt -und Richtungssignal wird an den Ausgängen mit einem Multimeter getestet. Dabei wechseln die Signalzustände von 0Volt auf  5Volt. Dann wird von der Endstufeplatine erstmal nur die linke Endstufe aufgebaut. Danach wird das Poti für den Motorstrom nach links gedreht. Jetzt Motor anschliesen und Versorgungsspannung anlegen. ( Ansteuerplatine und Endstufe sind miteinander verbunden). Es fließt nun ein Strom von ca 200 mA und der Motor ist still. Nun Poti langsam nach rechts drehen. Der Motor fängt nun an zu pfeifen. Das ist die Chopperfrequenz der Stromregelung. Jetzt hat man eigentlich schon fast gewonnen. Nun die nächste Endstufe aufbauen und wieder abgleichen.

Tips zu Steuerung:

Bei einer defekten Endstufe hatte ich die Endstufen IC`s ausgetauscht. Dabei hatte ich aber auch alle L297 aus der Schaltung entfernt. Die defekte Endstufe war die vierte. Nachdem ich die IC´s ersetzt hatte und einen Probelauf startete, zog die Endstufe ca. 8Ampere aus der Stromversorgung. Also Notaus gedrückt und Endstufen wieder ersetzt. Aber das gleiche Spiel, wieder 8Ampere obwohl nur ca. 1Ampere engestellt war. Also alles auseinander gebaut und mit der Fehlersuche begonnen. Nach 2 Stunden viel mir dann ein, daß die Stromchopperregelung nur dann funktioniert, wenn die erste Endstufe bestückt ist. Das liegt daran, weil der erste L297 alle weiteren syncronisiert. Also L297 eingesetzt und voilà alles funktioniert.

Meine Vierkanalendstufe funktionierte bisher einwandfrei und hatte plötzlich ihre Mucken. Die Relais klapperten und nach ca 10 Minuten zog die Endstufe irre viel Strom. Notaus gedrückt und Fehlersuche war angesagt. Selbst mit nur einem Motor zog die Endstufe nach ein paar Minuten viel Strom. Den Fehler hatte ich schnell lokalisiert. Da ich den L7805 nur auf den Kühlkörper geklebt hatte, konnte sich die Klebung lösen. Der L7805 wurde nun nicht mehr richtig gekühlt und stabilisierte die 5Volt nicht mehr (siehe oben). Also den L7805 nun  am Kühlkörper richtig festgeschraubt und alles funktionierte wieder tadellos.

Anfangs hatte ich nach einigen Stunden Fräsbetrieb Schrittverluste zu verzeichnen. Das lag daran, daß die Endstufen zu heiß werden und dann Schritte "verschlucken". Seitdem ich die Endstufen zwangskühle ist das Problem weg. Für Ausgangsströme größer 2Ampere pro Endstufe ist einen Zwangskühlung unbedingt zu empfehlen.

Aus leidvoller Erfahrung kann ich auch mitteilen, daß die Schrittmotoren nie unter Spannung aufgesteckt oder abgezogen werden sollten. Die TA8435 verabschieden sich dann mit viel Rauch und Gestank. Also laßt es sein, es schont Nerven und Geldbörse.

An der Ansteuerplatine sollten alle fünf Referenzschalter angeschlossen sein. Damit werden die IC`s auf festem Pegel gehalten und Störungen vermieden. Ich selber bin aber auch schon ohne die Schalter ausgekommen.  Insbesondere aber der CNC-Profi neigt dazu einen Not-Stop einzuleiten. Dies liegt bei offenen Eingängen auch auf der Hand, da die Software davon ausgeht daß während der Fräsfahrt ein Referenzschalter angefahren wurde.  Bei meiner Ansteuerplatine kann das nicht vorkommen, da auch ohne angeschlossene Referenzschalter die Eingänge auf Highpegel gehalten werden.  Für den Anschluß der Schalter nehme ich geschirmtes Mikrofonkabel. Die Schrittmotoren werden mit besonderem geschirmten Kabel versorgt.

Probleme mit dem LPT Port:

Bei neueren PC kann es Probleme mit der Signalausgabe am LPT Port kommen. Ich selbst kenne dieses Problem allerdings nicht. Ich habe die Steuerung mit einigen PC`s ausprobiert und alles funktionierte einwandfrei. Bisher haben mir zwei Leute dieses Problem geschildert. Ich hatte auch die Steuerung oder Software in Verdacht. Aber bei mir liefen die Steuerungen ja einwandfrei. Wie sich herausstellte lag es an der LPT Port Karte. Dieses Problem haben aber wohl nur neuere Rechner. Man kann das elegant umgehen indem man sich für 20.-DM eine ISA Slot LPT Karte kauft und einbaut. Damit sollte es dann klappen.

Um es nochmals ganz deutlich zu sagen. Die L6203 sind für 46 Volt maximale Betriebspannung spezifiziert. Wer da was anderes erzählt. soll es mir beweisen. Ich bin für jede Neuerung zu haben. Das sage ich deshalb, weil jemand aus Holland in der CNC-Mailingliste angab, daß die Chips bis maximal 52 Volt Versorgungsspannung vertragen. Dies ist der absolute Grenzwert laut Datenblatt. Nach einigen Versuchen bin ich zum Ergebnis gekommen, daß die Chips sich in der Praxis schon bei 44 - 45 Volt in den Halbleiterhimmel verabschieden. Ein Telefongespäch mit Herrn Boenigk bestätigte dieses auch. Er benutzt den L6203 auch schon sehr lange. Die Chips verabschieden sich ohne jede Vorwarnung bei Überspannung. Also beachtet das bei der Konstruktion der Endstufe. Noch etwas zur Versorgungsspannung der Motoren. Bei einem Motor wie dem Vexta mit Daten von 3.4Volt/1.1Ampere merkt man kaum eine Geschwindigkeitserhöhung bei Erhöhung der Versorgungspannung. Ob diese 30 Volt oder 40 Volt beträgt ist fast egal. Interresant wird es schon bei Motordaten von 2,4 Volt/1.8Ampere. Da merkt man die Versorgungsspannung von 44Volt doch schon recht deutlich. Je kleiner die angegebene Grundspannung des Motors, desto schneller läuft er bei hoher Versorgungsspannung. Man muß dann aber der Entkoppelplatine eine eigene Versorgungsspannung zuführen, da der L7805 nur max 34 Volt Eingangsspannung verträgt. Hier bieten sich ca. 15Volt an um auch den L7812 korrekt zu bedienen.