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Mar 30, 2023

Formen der Schrittsteuerung mit geschlossenem Regelkreis

2017 – Beliebtester Artikel – Um die höchste Leistung zu erzielen, kann der Schrittmotor als bürstenloser 2-Phasen-Servomotor behandelt werden. Der Strom zum Motor wird dann wie bei Standard-Servomotoren in Abhängigkeit vom Fehlersignal gesteuert.

Beigetragen von | Galil Motion Control, Inc.

Schrittmotoren werden in einer Vielzahl von Anwendungen im gesamten technischen Spektrum eingesetzt, da sie kostengünstig und einfach zu bedienen sind und ein hohes Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen bieten. Schrittmotoren haben jedoch Nachteile wie fehlende Schritte, verringertes Drehmoment bei hohen Geschwindigkeiten, Resonanzen und einen hohen Stromverbrauch. Um diese Probleme zu mildern, verfügt Galil über drei Methoden, um den Regelkreis um einen Schrittmotor zu schließen: Endpunktkorrektur, Mikroschrittschaltung im geschlossenen Regelkreis und Antrieb des Schrittmotors als bürstenloser Zweiphasenmotor.

Schrittmotoren verfügen über mehrere „gezahnte“ Elektromagnete, die um einen zahnradförmigen Rotor angeordnet sind. Um die Motorwelle in Drehung zu versetzen, werden diese Elektromagnete in einer bestimmten Reihenfolge erregt. Abbildung 1 zeigt eine vereinfachte Darstellung dieses Prozesses für einen 2-Phasen-Schrittmotor. Jede spezifische Sequenz entspricht einem Schritt des Motors. Ein Schrittmotor hat typischerweise 200 Schritte pro Umdrehung.

Schrittmotoren sind nicht ohne Nachteile. Der erste Nachteil eines Schrittmotors besteht darin, dass er immer mit vollem Strom läuft. Dies führt zu Energieverschwendung und übermäßiger Wärmeerzeugung. Zweitens ist für den Betrieb von Schrittmotoren die Vibration von grundlegender Bedeutung, die entsteht, wenn sie ihre Position in diskreten Schritten ändern. Wenn die Schrittfrequenz mit der Eigenschwingung oder Resonanzfrequenz des Schrittmotors übereinstimmt, erhöht sich die Amplitude dieser Schwingungen, was zu einem Positionsverlust führt. Auch bei Schrittmotoren nimmt das Drehmoment deutlich ab, wenn die Drehzahl des Motors steigt. Eine allgemeine Drehzahl-Drehmoment-Kurve wird in Fehler: Referenzquelle nicht gefunden angezeigt. Schließlich ist die Positionsauflösung durch die Anzahl der Schritte pro Umdrehung begrenzt. Wenn eine höhere Auflösung erforderlich ist, kann der Schrittmotor durch den Mikroschrittprozess gesteuert werden.

Mikroschritt ist eine Methode zum Antreiben eines Schrittmotors, bei der jeder ganze Schritt des Motors in kleinere Schritte, sogenannte Mikroschritte, zerlegt wird. Mikroschritte erzeugen typischerweise zwischen 2 und 256 Mikroschritte pro Vollschritt, was bedeutet, dass der Motor mit 200 Schritten pro Umdrehung jetzt bis zu 51.200 dieser Mikroschritte pro Umdrehung haben kann. Abbildung 3 zeigt detailliert die Stromwellenform durch jede Schrittmotorphase mit einer zunehmenden Anzahl von Mikroschritten pro Vollschritt.

Die tatsächliche Genauigkeit des Mikroschrittverfahrens hängt weitgehend von äußeren Kräften ab. Die Mikroschrittgenauigkeit ist auf einen Vollschritt des Motors genau. Wenn der Fehler jedoch mehr als einen halben Schritt beträgt, kommt es zu einem Positionsverlust. Es findet keine Bewegung statt, wenn Reibung, Schwerkraft oder andere Kräfte groß genug sind, um zu verhindern, dass die kleine Stromänderung zwischen zwei Mikroschrittpositionen die Position des Motors beeinflusst. Abbildung 4 zeigt eine grafische Darstellung einer Punkt-zu-Punkt-Bewegung, die in einem System ausgeführt wird, das von einem Schrittmotor angetrieben wird, der mit einem Encoder gekoppelt ist. Die rote Linie ist die erwartete Position des Schrittmotors, die violette Linie ist die an den Motor ausgegebene Schrittimpulse und die blaue Linie ist die vom Encoder gemessene Motorposition. Die schwarze Linie zeigt an, wenn der Controller aktiv ein Bewegungsprofil erstellt. Aufgrund der Reibung im System stimmt die Endposition des Schrittmotors nicht mit der befohlenen Position überein, was zu einem gewissen Dauerzustandsfehler führt.

Durch die Nutzung des Encoder-Feedbacks zur Erkennung dieses Positionsfehlers kann der Endpunkt angepasst werden, indem zusätzliche Schrittimpulse gesteuert werden, um den Motor in die richtige Position zu bringen. Galil nennt diesen Stepper Position Maintenance-Modus oder SPM. SPM betreibt den Stepper immer noch im Mikroschrittmodus, aber die Endpunktgenauigkeit kann jetzt überprüft und angepasst werden. In diesem Modus wird die Sollposition des Schrittmotors kurz vor Abschluss einer Bewegung mit der tatsächlichen Positionsausgabe des Encoders verglichen. Abbildung 5 zeigt das gleiche System wie Abbildung 4, das jetzt im Schrittpositionswartungsmodus betrieben wird. Nach dem Ende der Bewegung wird der Positionsfehler erkannt und die Referenzposition angepasst, um diesen Fehler zu berücksichtigen. Anschließend wird eine Fehlerkorrekturbewegung befohlen, um den Schrittmotor in die richtige Position zu bringen. Durch das Hinzufügen des Encoders ist die Steuerung nun in der Lage, im System vorhandene Fehler zu erkennen und zu korrigieren. Die gleiche Bewegung, die zuvor aufgrund der Reibung zu einem stationären Fehler führte, kann jetzt berücksichtigt und korrigiert werden.

Der SPM-Modus ist für Anwendungen gedacht, bei denen es nur auf die Endpunktgenauigkeit ankommt. Wenn eine kontinuierliche Fehlerkorrektur erforderlich ist, bietet Galil den Closed Loop Microstepping (CLS)-Modus an. Abbildung 6 zeigt das Schrittsystem, das jetzt im CLS-Modus betrieben wird. Zusätzlich zur Referenzposition und Encoderposition wird nun intern auf der Steuerung ein Fehlersignal (grüne Linie) generiert, mit dem die Position des Schrittmotors kontinuierlich angepasst wird. Es ist wichtig zu beachten, dass im CLS-Modus die Bewegung jetzt auf der Grundlage der Encoderposition profiliert wird, der Controller jedoch weiterhin Schrittimpulse erzeugt, um den Schrittmotor anzutreiben.

Das erzeugte Fehlersignal wird durch den CLS-Filter von Galil geleitet, der dann alle im System vorhandenen Fehler kompensiert, indem er die an den Schrittmotor ausgegebenen Schrittimpulse anpasst. Closed-Loop-Microstepping ist ein echter Closed-Loop-Betriebsmodus und stellt die optimale Nutzung eines Schrittmotors dar, der weiterhin als Schrittmotor angetrieben wird. Der Betrieb mit geschlossenem Regelkreis birgt das Risiko einer Instabilität, wenn der Regelkreis nicht richtig abgestimmt ist. Daher muss darauf geachtet werden, Stabilität zu erreichen. Darüber hinaus ist dieser Modus im Vergleich zu einem klassischen Servosystem immer noch ineffizient und weist eine geringe Bandbreite auf. Diese geringe Bandbreite kann noch verringert werden, wenn externe Schrittantriebe von Drittanbietern mit geringer Stromschleifenbandbreite und nichtlinearen Eigenschaften verwendet werden.

Um die höchste Leistung zu erzielen, kann der Schrittmotor als bürstenloser 2-Phasen-Servomotor behandelt werden. Der Strom zum Motor wird dann wie bei Standard-Servomotoren in Abhängigkeit vom Fehlersignal gesteuert. Galil bezeichnet den Modus als 2-Phasen-Brushless-Modus oder 2PB. Abbildung 7 zeigt detailliert das Schrittmotorsystem, das in diesem Modus angetrieben wird. Anstelle von Schrittimpulsen wird jetzt vom Controller ein Drehmomentbefehlssignal (braune Linie) erzeugt, das einem der internen Verstärker von Galil zugeführt wird, der im 2PB-Modus arbeitet, um die Position des Motors zu steuern. mal. Ein im 2PB-Modus angetriebener Schrittmotor ist analog zu einem klassischen Servomotor, der an ein Untersetzungsgetriebe angeschlossen ist. Da dieser Modus wie ein Standard-Servomotor funktioniert, kann jetzt das gesamte Spektrum der fortschrittlichen PID-Filterfunktionen von Galil genutzt werden, einschließlich der Notch-, Pol- und Feedforward-Filter. Um den Schrittmotor auf diese Weise anzutreiben, muss der Verstärker so konstruiert werden, dass er nur den momentan benötigten Strom richtig an den Motor liefert. Dies führt dazu, dass der Schrittmotor eine effizientere Leistung erbringt und deutlich weniger Wärme erzeugt.

Durch die Nutzung der Galil-Methoden zur Schrittsteuerung mit geschlossenem Regelkreis können die verschiedenen Mängel von Schrittmotoren überwunden werden. Die Endpunktposition kann mit dem Modus zur Beibehaltung der Schrittposition auf Ungenauigkeiten eingestellt werden, die Position kann mit Mikroschritten im geschlossenen Regelkreis dynamisch angepasst werden und schließlich kann der Schrittmotor als bürstenloser 2-Phasen-Servo behandelt werden, um die Leistung und Effizienz des Motors weiter zu steigern . Wenn Sie Fragen dazu haben, welcher Modus des Closed-Loop-Schrittmotorbetriebs für Ihre Anwendung geeignet ist, wenden Sie sich an unsere Abteilung für Anwendungstechnik unter (916) 626-0101 oder per E-Mail an [email protected].

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