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Rückmeldung über Schrittmotoren für bessere Positionierung und Halt (und weniger Klingeln)

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FRAGEN UND ANTWORTEN

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Schrittmotoren sind die erste Wahl für viele Bewegungs- und Positionssteuerungsanwendungen. Sie sind in einer Vielzahl von Größen und Drehmomenten erhältlich und deutlich preiswerter als High-End-Servomotoren. Lassen Sie uns also über Möglichkeiten sprechen, die Leistung von Schrittmotoren durch den Einbau von Rückkopplungsvorrichtungen auf die von Servomotoren zu erhöhen. Schrittmotoren mit Rückführung sind kein vollständiger Ersatz für Servomotoren, aber sie können eine zuverlässige Alternative für viele reale Anwendungen darstellen. Diese Lösungen für das Bewegungsdesign verbessern die Maschinenleistung, ohne das Budget zu sprengen.

Vorteile und Nachteile von Schrittmotoren
Schrittmotoren sind bürstenlose Gleichstrom-Elektromotoren, die sich in diskreten Schritten bewegen, anstatt eine kontinuierliche Drehbewegung auszuführen. Diese Schrittbewegungen werden durch Magnetfeldverschiebungen von elektromagnetischen Spulen im Stator angetrieben. Der Betrieb eines Schrittmotors hängt von einem Steuergerät ab - einem elektronischen Gerät, das die Statorspulen des Motors mit Strom in einer Sequenz versorgt, die die Schrittbewegungen antreibt. Die Fähigkeiten des Controllers haben einen erheblichen Einfluss auf die Motorleistung.

Es gibt verschiedene Arten von Schrittmotoren, aber die gängigsten bieten eine gute Auflösung (200 Schritte pro Umdrehung oder mehr) sowie ein beachtliches Drehmoment bei niedriger Geschwindigkeit, eine robuste Konstruktion, eine lange Lebensdauer und relativ niedrige Kosten. Allerdings haben sie auch ihre Grenzen. Das Drehmoment fällt bei höheren Drehzahlen ab, und (bei einfachen Steuerungen) können Schrittmotoren zu Schwingungen mit hohen Frequenzen neigen. Der größte Nachteil ist, dass selbst bei Positionierungsanwendungen einfache Schrittmotorsysteme mit offenem Regelkreis arbeiten.

Schrittmotoren reagieren auf Anweisungen der Steuerung, sich eine bestimmte Anzahl von Schritten zu bewegen - geben aber keine Rückmeldung an die Steuerung, ob diese Bewegung abgeschlossen wurde. Wenn der Motor also die angeforderten Schrittbewegungen nicht ausführt, kann eine wachsende Diskrepanz zwischen dem, was die Steuerung als Drehposition der Motorwelle annimmt, und der tatsächlichen Position der Welle (und aller angeschlossenen Lasten oder angetriebenen Mechanismen) entstehen. Solche Diskrepanzen treten auf, wenn das Motordrehmoment nicht ausreicht, um den mechanischen Widerstand zu überwinden ... und in der Tat können diese Diskrepanzen bei hohen Drehzahlen zu einem erheblichen Problem werden, denn dann ist die Drehmoment-Ausgangsleistung des Motors begrenzt. Das ist der Grund, warum Konstrukteure Schrittmotoren oft überspezifizieren - um Fehltritte zu vermeiden, selbst wenn dies dazu führt, dass die Schrittmotoren für alle außer den anspruchsvollsten Bewegungsprofilen zu groß und zu schwer sind.

Ein weiterer Nachteil ist, dass beim Anhalten eines herkömmlichen Schrittmotors Strom durch die Motorwicklungen fließen muss, um die Welle des Schrittmotors in Position zu halten. Dies verbraucht elektrische Energie und erwärmt die Motorwicklungen und die umgebenden Bauteile.

Rückmeldungen zu Schrittmotorsystemen für eine zuverlässige Positionierung
Das Hinzufügen von Encodern zu einem Schrittmotorsystem, um eine Rückmeldung über die Wellenposition zu erhalten, schließt im Wesentlichen den Regelkreis. Das Hinzufügen dieser Rückmeldegeräte erhöht die Gesamtkosten des Systems, aber nicht so stark wie der Wechsel zu einem Servomotor.

Ein Ansatz für das Hinzufügen von Encoder-Feedback ist der Betrieb im Bewegungs- und Verifizierungsmodus. In diesem Fall wird ein einfacher Inkrementalgeber an der Endwelle des Schrittmotors angebracht. Wenn die Steuerung dann Schrittbefehle an den Motor ausgibt, prüft der Encoder kontinuierlich, ob die befohlenen Bewegungen stattgefunden haben. Wenn der Motor die geforderte Anzahl von Schritten nicht erreicht, kann die Steuerung weitere Schritte anfordern, bis der Motor die gewünschte Position erreicht. Komplexere Steuerungen erhöhen auch den Phasenstrom im Motor, um das Drehmoment für die zusätzlichen Schritte zu erhöhen.

Encoder, die in solchen "move-and-verify"-Anordnungen verwendet werden, haben in der Regel eine Auflösung, die ein Vielfaches von 200 Positionen pro Umdrehung beträgt.

Es ist zu beachten, dass Setups, die den Move-and-verify-Modus verwenden, immer noch von überdimensionierten Motoren profitieren können, jedoch nicht in dem Maße, wie es bei einfachen Open-Loop-Systemen erforderlich ist.

Beachten Sie auch, dass dieser Modus intelligenten Steuerungen dabei helfen kann, die Halteströme im Motor fein abzustimmen, um den Wirkungsgrad beim Anhalten leicht zu verbessern ... obwohl der Gesamtenergieverbrauch immer noch hoch ist.

Closed-Loop-Schrittsteuerung mit Absolutwertgebern
Eine weitere, etwas anspruchsvollere Option für kritische Positionssteuerungsanwendungen ist die vollständige Regelung mit Multiturn-Absolutwertgebern. Die hier verwendeten Encoder werden zur Überwachung an der Endwelle eines Schrittmotors angebracht:

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

In dieser Konfiguration wird der Schrittmotor wie ein bürstenloser Gleichstrommotor mit hoher Polzahl gesteuert ... und der Encoder liefert kontinuierlich Positionsrückmeldungen an den Controller. Der Haltestrom, der dem Motor zugeführt wird, ist dann genau auf die Menge zugeschnitten, die erforderlich ist, um die Position innerhalb einer bestimmten Positionstoleranz zu halten. Ein Schrittmotor, der wie ein bürstenloser Servomotor gesteuert wird, ist energieeffizienter und preiswerter als ein echter bldc-Servomotor. Warum also nicht kostengünstige Schrittmotoren für alle bldc-Servoanwendungen verwenden?

Nun, Schrittmotoren, die in Servosystemen mit geschlossenem Regelkreis eingesetzt werden, haben eine physikalische Einschränkung, die bei echten BLDC-Servomotoren nicht gegeben ist. Genauer gesagt arbeiten die so betriebenen Schrittmotoren im Wesentlichen als 50-polige bürstenlose Motoren und können daher nicht die mit Servomotoren möglichen Drehzahlen erreichen. Außerdem haben die Rotoren von Schrittmotoren ein höheres Trägheitsmoment als die von echten BLDC-Servomotoren gleicher Leistung, so dass sie nicht die gleichen Beschleunigungen liefern können.

Wenn ein Schrittmotor im bldc-Modus verwendet wird, übernimmt der Encoder eine wichtige Kommutierungsfunktion - er meldet die exakte Drehposition der Motorwelle ... was wiederum die Steuerung in die Lage versetzt, den entsprechenden Satz von Statorelektromagneten für eine kontinuierliche Drehung nach Bedarf zu erregen. Darüber hinaus können Präzisions-Absolutwertgeber fortschrittlichen Mikroschritt-Steuerungen bei der Feinabstimmung des Phasenstroms helfen, um das Klingeln (Vibration) zu reduzieren, das bei einfacheren Schrittmotorsystemen auftritt.