{"id":7043,"date":"2017-06-23T12:14:50","date_gmt":"2017-06-23T12:14:50","guid":{"rendered":"https:\/\/servotecnica.com\/?p=7043"},"modified":"2023-05-01T19:21:54","modified_gmt":"2023-05-01T19:21:54","slug":"geschlossene-regelkreise-fuer-schrittmotoren","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/servotecnica.com\/de\/geschlossene-regelkreise-fuer-schrittmotoren\/","title":{"rendered":"Geschlossene Regelkreise f\u00fcr Schrittmotoren"},"content":{"rendered":"\n

Schrittmotoren (oder Steppermotoren) werden in einer Vielzahl von industriellen Anwendungen eingesetzt. Sie sind preiswert, einfach zu bedienen und bieten ein hohes Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen. Dieser Motortyp hat jedoch einige Nachteile, die in der Entwurfsphase ber\u00fccksichtigt werden m\u00fcssen: Sie k\u00f6nnen die Steigung verlieren, wenn das erforderliche Drehmoment gr\u00f6\u00dfer ist als das verf\u00fcgbare Drehmoment, das Drehmoment f\u00e4llt mit zunehmender Geschwindigkeit drastisch ab, sie haben hohe Resonanzfrequenzen und einen hohen Stromverbrauch, selbst wenn nur der Motor stillsteht. Galil verf\u00fcgt \u00fcber drei geregelte Antriebsmethoden, um diese Nachteile zu minimieren – Korrektur am Endpunkt der Positionierung, Mikroschrittregelung im geschlossenen Regelkreis und Motorantrieb wie ein b\u00fcrstenloser 2-Phasen-Motor.<\/p>\n\n\n

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Stepper oder Schrittmotor
Quelle: http:\/\/www.vincenzov.net\/tutorial\/passopasso\/stepper.htm<\/a> <\/figcaption><\/figure>\n<\/div>\n\n\n

Die Grundlagen eines Schrittmotors<\/h2>\n\n\n\n

Der Stator<\/a> ist ein Satz von Wicklungen, und der magnetische Kreis besteht aus 4 oder, h\u00e4ufiger, 8 “polaren Erweiterungen” (acht in dem abgebildeten Foto). Im Inneren des Stators befinden sich kleine Z\u00e4hne, die denen des Rotors gegen\u00fcberliegen. Die Wicklungen erzeugen ein Magnetfeld, wenn Strom durch sie flie\u00dft. Von au\u00dfen kommen die Leistungsdr\u00e4hte der verschiedenen Statorwicklungen; die Phasen k\u00f6nnen nach zwei Mustern gewickelt sein: Bei bipolaren Motoren gibt es nur 2 Wicklungen, und es kommen 2 Drahtpaare heraus; bei unipolaren Motoren gibt es 4 Wicklungen, die paarweise antiparallel auf die polaren Ausdehnungen gewickelt sind.<\/p>\n\n\n\n

Der Rotor<\/a> erscheint als ein Paar massiver, gegenseitig identischer, nebeneinanderliegender Zahnr\u00e4der, die mit der aus einem Magnetkern bestehenden Welle fest verbunden sind; die beiden R\u00e4der sind magnetisiert, das eine als NORD, das andere als S\u00dcD; die “Z\u00e4hne” der R\u00e4der bestehen aus ferromagnetischem Material. Die Anzahl der Z\u00e4hne ist variabel, 50 sind am h\u00e4ufigsten. Die Phasenverschiebung zwischen den beiden R\u00e4dern entspricht der H\u00e4lfte der Zahnteilung: Der Zahn des einen Abschnitts entspricht also dem Tal des anderen. Um die Welle zu drehen, werden die Wicklungen in einer bestimmten Reihenfolge erregt. Abbildung 2 zeigt eine vereinfachte Darstellung dieses Vorgangs in einem Zweiphasenmotor. Jede Sequenz entspricht der Drehung einer Stufe des Rotors. Typischerweise gibt es 200 Schritte pro Umdrehung. Von der Steuerung gehen 2 Signale aus, das eine, Step genannt, ist ein Rechtecksignal zu jedem Impuls, der einer Verschiebung von einem physikalischen Schritt des Motors entspricht; das zweite Signal ist die Richtung, die durch den High\/Low-Zustand des Signals festgelegt wird.<\/p>\n\n\n

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Abbildung 2 – Beispiel Vollschrittstrom und Rotorposition<\/figcaption><\/figure>\n<\/div>\n\n\n

Schrittmotoren sind nicht vor Defekten gefeit. Erstens arbeitet der Motor unter allen Bedingungen mit maximalem Strom, was zu Energieverschwendung und erh\u00f6hter Betriebstemperatur f\u00fchrt. Der zweite Fehler ist die Einf\u00fchrung von Vibrationen, die entstehen, wenn sich der Rotor von einem Schritt zum n\u00e4chsten bewegt. Wenn die Frequenz des Wechsels zwischen aufeinanderfolgenden Schritten der Resonanzfrequenz des Motors entspricht, nimmt die Amplitude der Vibration zu, was zu Positionsverlusten f\u00fchrt. Eine gemeinsame Bedingung f\u00fcr alle Motoren ist der drastische R\u00fcckgang des Drehmoments bei steigender Drehzahl. Wenn diese Eigenschaft bei der Konstruktion nicht ber\u00fccksichtigt wird, kommt es h\u00e4ufig zu Fehlern bei der Motorauswahl. Ein letzter Nachteil von Schrittmotoren ist die geringe Aufl\u00f6sung, die sich aus der Anzahl der Schritte pro Umdrehung ergibt. Wenn eine h\u00f6here Aufl\u00f6sung erforderlich ist, kann die Mikroschritttechnologie eine praktikable L\u00f6sung sein.<\/p>\n\n\n

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Abbildung 3 – 24VDC SchrittmotorDrehzahl-Drehmomentkurve<\/figcaption><\/figure>\n<\/div>\n\n\n

Mikroschrittbetrieb<\/h2>\n\n\n\n

Microstepping ist eine Methode zur Unterteilung des gesamten Schrittes in kleinere Schritte. Ausgehend von einem Mikroschritt von 2 kann man bis zu 256 Mikroschritte pro ganzem Schritt gehen, was bedeutet, dass ein 200-Schritt-Schritt-Motor eine Aufl\u00f6sung von bis zu 51200 Mikroschritten pro Umdrehung haben kann. Abbildung 4 zeigt das Detail der Stromwellenform f\u00fcr einen einzelnen Schritt durch Erh\u00f6hung der Anzahl der Mikrointerpolationen.<\/p>\n\n\n

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Abbildung 4 – Stromwellenform w\u00e4hrend des Mikroschritts<\/figcaption><\/figure>\n<\/div>\n\n\n

Die mit dieser Regelungstechnik erreichbare Genauigkeit h\u00e4ngt stark von der aufgebrachten externen Kraft ab. Die erreichbare Genauigkeit liegt bei einem ganzen Schritt; ein Motorstillstand w\u00e4re die Folge, wenn der Positionsfehler gr\u00f6\u00dfer als ein halber ganzer Schritt ist. Ein Positionsfehler tritt auf, wenn Reibung, Schwerkraft oder eine andere Kraft gro\u00df genug ist, um eine Bewegung zwischen zwei Mikroschritten zu verhindern. Abbildung 5 zeigt die Punkt-zu-Punkt-Positionierung in einem System, das von einem Schrittmotor mit einem Encoder angetrieben wird. Die rote Linie ist die theoretische Position, die violette Linie stellt die Steuerung des Motors dar, und die blaue Linie ist die vom Encoder gemessene Position. Die schwarze Linie zeigt an, wann die Steuerung das Bewegungsprofil aktiviert. Aufgrund von Reibung stimmt die Endposition des Motors nicht mit der befohlenen Position \u00fcberein, was zu einem station\u00e4ren Fehler f\u00fchrt.<\/p>><\/p>\n\n\n

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Abbildung 5 – Microstepping<\/figcaption><\/figure>\n<\/div>\n\n\n

Korrektur am Endpunkt<\/h2>\n\n\n\n

Durch den Einsatz eines Encoders als R\u00fcckmeldung ist es m\u00f6glich, diese Situation des Positionsfehlers zu erkennen; die Endposition kann durch einen zus\u00e4tzlichen Befehl so korrigiert werden, dass die Ist-Position der Soll-Position angeglichen wird. Galil nennt diese Art der Ansteuerung Stepper Position Maintenance oder SPM. Der Motor wird immer im Mikroschrittbetrieb gefahren, aber die Genauigkeit des Endpunkts kann \u00fcberpr\u00fcft und angepasst werden. Man vergleicht die befohlene Position mit der tats\u00e4chlichen Position, bevor die Positionierung beendet wird. Abbildung 6 zeigt das gleiche System wie in Abbildung 5, jedoch mit SPM-Steuerung. Am Ende der Bewegung wird der Positionsfehler erkannt, und ein Korrekturbefehl wird gesendet, um den Motor in die gew\u00fcnschte Position zu bringen.<\/p>><\/p>\n\n\n

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Abbildung 6 – Wartungsmodus der Stepperposition<\/figcaption><\/figure>\n<\/div>\n\n\n

Durch das Hinzuf\u00fcgen des Encoders kann die Steuerung den im System vorhandenen Fehler erkennen und korrigieren. Die Bewegung, die bisher aufgrund der vorhandenen Reibung zu einem stabilen Positionsfehlerzustand f\u00fchrte, kann nun korrigiert werden.<\/p>\n\n\n\n

Mikroschritt-Pilot mit geschlossenem Regelkreis<\/h2>\n\n\n\n

Die Steuerung \u00fcber den Stepper-Positionserhaltungsmodus<\/a> ist ideal f\u00fcr Systeme, die nur eine Positionsgenauigkeit am Endpunkt erfordern. Galil empfiehlt die Verwendung von Closed Loop Microstepping oder CLS, wenn eine kontinuierliche Positionsfehlerkorrektur erforderlich ist. Abbildung 7 zeigt die Positionierung im CLS-Modus. Zus\u00e4tzlich zur befohlenen Position und der tats\u00e4chlichen Encoderposition wird intern ein Positionsfehlersignal f\u00fcr die Steuerung (gr\u00fcne Linie) erzeugt und zur kontinuierlichen \u00dcberpr\u00fcfung der befohlenen Position verwendet. Es ist zu beachten, dass im CLS-Modus der Geber die Position \u00fcberwacht, die Steuerung aber den Motorbefehl generiert.<\/p>\n\n\n

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Abbildung 7 – Mikroschrittbetrieb im geschlossenen Regelkreis<\/figcaption><\/figure>\n<\/div>\n\n\n

Das Fehlersignal wird von Galils internem Filter analysiert, der jeden Positionsfehler durch Modulation der Steuerschritte zum Antrieb kompensiert. Closed Loop Microstepping ist ein echtes Closed-Loop-System und ist eine “ausgezeichnete L\u00f6sung, um einen Schrittmotor traditionell zu steuern. Ein geschlossener Positionsregelkreis birgt das Risiko von Instabilit\u00e4ten, wenn die internen Filterverst\u00e4rkungen nicht richtig kalibriert sind. Es bleibt jedoch die Tatsache, dass es sich um ein energieineffizientes System handelt, das im Vergleich zu einem klassischen Servomotor-System eine geringe Bandbreite aufweist. Es sollte bedacht werden, dass die Bandbreite weiter gesenkt werden kann, wenn Treiber von Drittanbietern mit nichtlinearen Eigenschaften eingesetzt werden.<\/p>\n\n\n\n

Schrittmotorantrieb als zweiphasiger b\u00fcrstenloser Motor<\/h2>\n\n\n\n

Der Schrittmotor kann als zweiphasiger b\u00fcrstenloser Servomotor angesteuert werden, um maximale Leistung zu erreichen. Der Strom zum Motor wird wie bei einem Servomotor entsprechend der Positionsabweichung geregelt. Das Steuerungssystem, das Galil verwendet, wird als 2-Phasen-B\u00fcrstenlos-Modus oder 2PB bezeichnet. Abbildung 8 zeigt das Detail eines auf diese Weise gesteuerten Schrittmotors. Anstelle von Schritten wird von der Steuerung ein analoger Befehl im Drehmomentmodus (braune Linie) erzeugt und an einen der Antriebe gesendet, die in die Steuerung integriert werden k\u00f6nnen.<\/p>\n\n\n

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Abbildung 8 – 2-Phasen b\u00fcrstenloser Betrieb<\/figcaption><\/figure>\n<\/div>\n\n\n

Die Ansteuerung eines Schrittmotors erh\u00f6ht die Bandbreite durch die Verk\u00fcrzung der Positionierzeit. Der Motor wird analog zu einem Servomotor mit Getriebe. Da er sich wie ein Servomotor verh\u00e4lt, kann die gesamte Bandbreite des Galil-Filters genutzt werden, einschlie\u00dflich Notch-, Pol- und Feedforward-Filterung. Um maximale Leistung zu erzielen, muss der Antrieb anspruchsvoller sein, um den f\u00fcr den Antrieb erforderlichen Strom sofort zu erzeugen. In energetischer Hinsicht wird ein h\u00f6herer Wirkungsgrad erreicht, und der Motor erzeugt weniger W\u00e4rme.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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