Schrittmotoren sind für viele Bewegungs- und Positionssteuerungsanwendungen eine optimale Wahl. Sie sind in einer Vielzahl von Größen und Drehmomenten erhältlich und deutlich günstiger als High-End-Servomotoren. Daher wollen wir uns mit Möglichkeiten befassen, die Leistung von Schrittmotoren durch den Einsatz von Rückkopplungssystemen auf das Niveau von Servomotoren zu steigern. Schrittmotoren mit Rückkopplung sind zwar kein vollständiger Ersatz für Servomotoren, bieten aber für viele praktische Anwendungen eine zuverlässige Alternative. Diese Lösungen im Bereich der Bewegungssteuerung verbessern die Maschinenleistung, ohne das Budget zu sprengen.

Vorteile und Nachteile von Schrittmotoren – Eine Übersicht

Schrittmotoren sind bürstenlose Gleichstrommotoren, die sich in diskreten Schritten bewegen, anstatt eine kontinuierliche Drehbewegung auszuführen. Diese Schrittbewegungen werden durch Magnetfeldverschiebungen erzeugt, die von elektromagnetischen Spulen im Stator erzeugt werden. Die Funktionsweise eines Schrittmotors hängt von … ab.Regler– Ein elektronisches Gerät, das die Statorspulen des Motors sequenziell mit Strom versorgt und so Schrittbewegungen auslöst. Die Leistungsfähigkeit des Controllers hat einen erheblichen Einfluss auf die Motorleistung.

Es gibt verschiedene Arten von Schrittmotoren, doch die gängigsten Varianten bieten eine gute Auflösung (200 Schritte pro Umdrehung oder besser) sowie ein beachtliches Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen, eine robuste Bauweise, eine lange Lebensdauer und vergleichsweise geringe Kosten. Allerdings weisen sie auch Einschränkungen auf. Das Drehmoment nimmt bei höheren Drehzahlen ab, und (bei einfachen Steuerungen) können Schrittmotoren zu Schwingungen – hochfrequenten Vibrationen – neigen. Der größte Nachteil besteht darin, dass einfache Schrittmotorsysteme selbst in Positionieranwendungen im offenen Regelkreis arbeiten.

Schrittmotoren reagieren auf Anweisungen der Steuerung, eine bestimmte Anzahl von Schritten auszuführen – geben der Steuerung jedoch keine Rückmeldung darüber, ob diese Bewegung abgeschlossen wurde. Wenn der Motor die angeforderten Schritte nicht ausführt, kann daher eine zunehmende Diskrepanz zwischen den Anweisungen der Steuerung entstehen.setzt vorausals die Drehposition der Motorwelle und dieWAHRDie Position der Welle (und aller daran befestigten Lasten oder angetriebenen Mechanismen) kann zu Fehlanpassungen führen. Solche Fehlanpassungen treten auf, wenn das Drehmoment des Motors nicht ausreicht, um den mechanischen Widerstand zu überwinden. Tatsächlich können diese Fehlanpassungen bei hohen Drehzahlen zu einem erheblichen Problem werden, da die Drehmomentabgabe des Motors dann begrenzt ist. Aus diesem Grund dimensionieren Konstrukteure Schrittmotoren oft überdimensioniert, um Schrittverluste zu vermeiden, selbst wenn dies zu einer übermäßigen Größe und einem zu hohen Gewicht der Schrittmotoren für die meisten Bewegungsabläufe führt.

Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass beim Stillstand eines herkömmlich eingesetzten Schrittmotors Strom durch die Motorwicklungen fließen muss, um die Motorwelle in Position zu halten. Dies verbraucht elektrische Energie und erhitzt die Motorwicklungen sowie die umliegenden Bauteile.

Rückmeldungen zu Schrittmotorsystemen für zuverlässige Positionierung

Durch das Hinzufügen von Encodern zu einem Schrittmotorsystem zur Rückmeldung der Wellenposition wird der Regelkreis im Wesentlichen geschlossen. Der Einsatz dieser Rückmeldeeinrichtungen erhöht zwar die Gesamtsystemkosten, jedoch nicht so stark wie der Umstieg auf einen Servomotor.

Ein Ansatz zur Hinzufügung von Encoder-Rückmeldung besteht darin, in folgendem Modus zu arbeiten:bewegen und überprüfenIn diesem Modus wird ein einfacher Inkrementalgeber an der Abtriebswelle des Schrittmotors angebracht. Wenn die Steuerung Schrittbefehle an den Motor sendet, überprüft der Geber kontinuierlich, ob die befohlenen Bewegungen ausgeführt wurden. Falls der Motor die angeforderte Schrittzahl nicht erreicht, kann die Steuerung weitere Schritte anfordern, bis der Motor die gewünschte Position erreicht hat. Komplexere Steuerungen erhöhen zusätzlich den Phasenstrom des Motors, um das Drehmoment für diese zusätzlichen Schritte zu steigern.

Die in solchen Bewegungs- und Überprüfungssystemen verwendeten Encoder haben typischerweise eine Auflösung, die ein Vielfaches von 200 Positionen pro Umdrehung beträgt.

Beachten Sie, dass Setups, die Bewegungs- und Überprüfungsmodi verwenden, zwar von der Verwendung überdimensionierter Motoren profitieren können, jedoch nicht in dem Maße überdimensioniert sein müssen, wie es bei einfachen Open-Loop-Systemen erforderlich ist.

Beachten Sie außerdem, dass dieser Modus intelligenten Steuerungen dabei helfen kann, die Halteströme im Motor feinabzustimmen, um beim Anhalten leichte Effizienzverbesserungen zu erzielen … obwohl der Gesamtenergieverbrauch tendenziell immer noch hoch ist.

Geschlossene Schrittmotorsteuerung mit Absolutwertgebern

Eine weitere, etwas anspruchsvollere Option für kritische Positionsregelungsanwendungen ist die Regelung mit geschlossenem Regelkreis unter Verwendung von Absolutwertgebern mit mehreren Umdrehungen. Die hier verwendeten Geber werden an der Abtriebswelle eines Schrittmotors befestigt, um Folgendes zu überwachen:

1. Die Winkelposition des Schrittmotors sowie
2. Die Anzahl der vollen Umdrehungen des Schrittmotors.

In dieser Konfiguration wird der Schrittmotor wie ein bürstenloser Gleichstrommotor (BLDC-Motor) mit hoher Polzahl angesteuert, und der Encoder liefert dem Controller kontinuierlich Positionsrückmeldung. Der dem Motor zugeführte Haltestrom wird dann exakt auf den Wert abgestimmt, der erforderlich ist, um die Position innerhalb einer vorgegebenen Toleranz zu halten. Ein wie ein bürstenloser Servomotor angesteuerter Schrittmotor ist energieeffizient und kostengünstiger als ein echter BLDC-Servomotor. Warum also nicht kostengünstige Schrittmotoren für alle BLDC-Servoanwendungen verwenden?

Schrittmotoren in geschlossenen Servosystemen stoßen auf eine physikalische Grenze, die bei echten BLDC-Servomotoren nicht auftritt. Genauer gesagt arbeiten Schrittmotoren in diesem Betrieb im Wesentlichen wie 50-polige bürstenlose Motoren und erreichen daher nicht die mit Servomotoren möglichen Drehzahlen. Zudem besitzen die Rotoren von Schrittmotoren eine höhere Trägheit als die von BLDC-Servomotoren gleicher Leistung und können daher nicht die gleichen Beschleunigungen erzielen.

Wenn ein Schrittmotor im BLDC-Modus verwendet wird, erfüllt der Encoder eine wichtige Funktion.KommutierungDie Aufgabe besteht darin, die exakte Drehposition der Motorwelle zu melden, wodurch die Steuerung die entsprechenden Stator-Elektromagnete für die kontinuierliche Rotation bedarfsgerecht ansteuern kann. Darüber hinaus können präzise Absolutwertgeber fortschrittlichen Mikroschrittsteuerungen helfen, den Phasenstrom feinabzustimmen und so das in einfacheren Schrittmotorsystemen auftretende Nachschwingen (Vibrationen) zu reduzieren.