Schrittmotoren sind die erste Wahl für viele Anwendungen zur Bewegungs- und Positionssteuerung. Sie sind in vielen Größen und Drehmomenten erhältlich und deutlich günstiger als High-End-Servomotoren. Wir zeigen Ihnen, wie Sie die Leistung von Schrittmotoren durch den Einsatz von Feedback-Komponenten auf das Niveau von Servomotoren steigern können. Mit Feedback ausgestattete Schrittmotoren sind zwar kein vollständiger Ersatz für Servomotoren, bieten aber für viele Anwendungen in der Praxis eine zuverlässige Alternative. Diese Motion-Design-Lösungen verbessern die Maschinenleistung, ohne Ihr Budget zu sprengen.

Vorteile und Nachteile von Schrittmotoren

Schrittmotoren sind bürstenlose Gleichstrommotoren, die sich in einzelnen Schritten statt in einer kontinuierlichen Drehbewegung bewegen. Diese Schrittbewegungen werden durch magnetische Feldverschiebungen durch elektromagnetische Spulen im Stator angetrieben. Der Betrieb eines Schrittmotors hängt von einemRegler– ein elektronisches Gerät, das die Statorspulen des Motors in einer Sequenz mit Strom versorgt, die Schrittbewegungen auslöst. Die Fähigkeiten des Controllers haben erheblichen Einfluss auf die Motorleistung.

Es gibt verschiedene Arten von Schrittmotoren. Die gängigsten Varianten bieten jedoch eine gute Auflösung (mindestens 200 Schritte pro Umdrehung), ein gutes Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen, eine robuste Konstruktion, eine lange Lebensdauer und relativ niedrige Kosten. Allerdings haben sie auch ihre Grenzen. Bei höheren Drehzahlen nimmt das Drehmoment ab, und (bei einfachen Steuerungen) können Schrittmotoren zu Schwingungen (hochfrequenten Vibrationen) neigen. Der größte Nachteil ist, dass einfache Schrittmotorsysteme selbst in Positionierungsanwendungen mit offenem Regelkreis arbeiten.

Schrittmotoren reagieren auf Anweisungen der Steuerung, eine bestimmte Anzahl von Schritten auszuführen – geben aber keine Rückmeldung an die Steuerung, ob diese Bewegung abgeschlossen wurde. Wenn der Motor die angeforderten Schrittbewegungen nicht ausführt, kann eine wachsende Diskrepanz zwischen dem entstehen, was die Steuerunggeht davon auswie die Drehposition der Motorwelle und dieWAHRPosition der Welle (und aller angeschlossenen Lasten oder angetriebenen Mechanismen). Solche Fehlanpassungen entstehen, 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 dann die Drehmomentabgabe des Motors begrenzt ist. Deshalb überdimensionieren Konstrukteure Schrittmotoren oft – um Fehlschritte zu vermeiden –, selbst wenn dies zu übermäßig großen und schweren Schrittmotoren für alle außer den anspruchsvollsten Bewegungsprofilen führt.

Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass beim Stillstand eines herkömmlichen Schrittmotors Strom durch die Motorwicklungen fließen muss, um die Schrittmotorwelle in Position zu halten. Dies verbraucht Strom und erwärmt die Motorwicklungen und die umliegenden Komponenten.

Feedback zu Schrittmotorsystemen für zuverlässige Positionierung

Durch das Hinzufügen von Encodern zu einem Schrittmotorsystem zur Wellenpositionsrückmeldung wird der Regelkreis geschlossen. Das Hinzufügen dieser Rückmeldegeräte erhöht die Gesamtsystemkosten, jedoch nicht so stark wie der Wechsel zu einem Servomotor.

Ein Ansatz zum Hinzufügen von Encoder-Feedback besteht darin, inverschieben und überprüfenModus. In diesem Fall wird ein einfacher Inkrementalgeber an der Endwelle des Schrittmotors angebracht. Wenn die Steuerung dann Schrittbefehle an den Motor sendet, überprüft der Encoder kontinuierlich, ob die angeforderten Bewegungen ausgeführt wurden. Sollte der Motor die angeforderte Schrittzahl nicht ausführen, kann die Steuerung weitere Schritte anfordern, bis der Motor die gewünschte Position erreicht. Komplexere Steuerungen erhöhen zudem den Phasenstrom im Motor, um das Drehmoment für diese zusätzlichen Schritte zu erhöhen.

Die Auflösung der in solchen Move-and-Verify-Konfigurationen verwendeten Encoder liegt typischerweise bei einem Vielfachen von 200 Positionen pro Umdrehung.

Beachten Sie, dass Setups mit Move-and-Verify-Modi zwar immer noch von der Verwendung überdimensionierter Motoren profitieren können, diese jedoch nicht in dem Maße überdimensioniert sind, wie es bei einfachen Open-Loop-Systemen erforderlich wäre.

Beachten Sie auch, dass dieser Modus intelligenten Controllern dabei helfen kann, die Halteströme des Motors fein abzustimmen, um beim Anhalten leichte Effizienzverbesserungen zu erzielen … obwohl der Gesamtenergieverbrauch immer noch tendenziell hoch ist.

Schrittmotorsteuerung mit geschlossenem Regelkreis und Absolutwertgebern

Eine weitere, etwas anspruchsvollere Option für kritische Positionsregelungsanwendungen ist die vollständige Regelung mit Multiturn-Absolutwertgebern. Die hier verwendeten Encoder werden an der Endwelle eines Schrittmotors befestigt und 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 (BDC) mit hoher Polzahl gesteuert, und der Encoder liefert kontinuierlich Positionsrückmeldungen an die Steuerung. Der dem Motor zugeführte Haltestrom wird dann genau auf die Menge abgestimmt, die erforderlich ist, um die Position innerhalb einer vorgegebenen Positionstoleranz zu halten. Ein Schrittmotor, der wie ein bürstenloser Servomotor gesteuert wird, ist energieeffizient und kostengünstiger als ein echter BDC-Servomotor. Warum also nicht kostengünstige Schrittmotoren für alle BDC-Servoanwendungen verwenden?

Schrittmotoren in geschlossenen Servosystemen unterliegen physikalischen Einschränkungen, die bei echten BLDC-Servomotoren nicht auftreten. Genauer gesagt arbeiten so betriebene Schrittmotoren im Wesentlichen wie bürstenlose 50-polige Motoren und erreichen daher nicht die Drehzahlen von Servomotoren. Zudem weisen Schrittmotorrotoren eine höhere Trägheit auf als echte BLDC-Servomotoren gleicher Leistung und können daher nicht die gleichen Beschleunigungen liefern.

Wenn ein Schrittmotor im BLDC-Modus verwendet wird, führt der Encoder eine wichtigeKommutierungAufgabe – die Meldung der genauen Drehposition der Motorwelle … wodurch die Steuerung bei Bedarf die entsprechenden Statorelektromagnete für eine kontinuierliche Drehung aktivieren kann. Darüber hinaus können präzise Absolutwertgeber auch modernen Mikroschritt-Steuerungen dabei helfen, den Phasenstrom zu optimieren, um das in einfacheren Schrittmotorsystemen auftretende Schwingen (Vibration) zu reduzieren.