Schrittmotortreiber – Gerät, Typen und Fähigkeiten

Schrittmotoren werden heute in vielen industriellen Anwendungen eingesetzt. Motoren dieses Typs zeichnen sich dadurch aus, dass sie im Vergleich zu anderen Motortypen eine hohe Genauigkeit der Positionierung des Arbeitskörpers ermöglichen. Für den Betrieb des Schrittmotors ist natürlich eine präzise automatische Steuerung erforderlich. Zu diesem Zweck dienen sie als Schrittmotorsteuerungen und sorgen für einen kontinuierlichen und präzisen Betrieb elektrischer Antriebe für verschiedene Zwecke.

Grob lässt sich das Funktionsprinzip eines Schrittmotors wie folgt beschreiben. Jede volle Umdrehung des Rotors eines Schrittmotors besteht aus mehreren Schritten. Die meisten Schrittmotoren sind für 1,8-Grad-Schritte ausgelegt und es gibt 200 Schritte pro volle Umdrehung. Der Antrieb ändert seine Schrittposition, wenn eine Versorgungsspannung an eine bestimmte Statorwicklung angelegt wird. Die Drehrichtung hängt von der Stromrichtung in der Spule ab.

Der nächste Schritt besteht darin, die erste Wicklung auszuschalten, die zweite mit Strom zu versorgen und so weiter. Als Ergebnis führt der Rotor nach dem Ausarbeiten jeder Wicklung eine volle Umdrehung aus. Aber das ist eine grobe Beschreibung, tatsächlich sind die Algorithmen etwas komplizierter und das wird später besprochen.

Algorithmen zur Schrittmotorsteuerung

Die Schrittmotorsteuerung kann nach einem von vier Grundalgorithmen implementiert werden: variable Phasenumschaltung, Phasenüberlappungssteuerung, Halbschrittsteuerung oder Mikroschrittsteuerung.

Im ersten Fall erhält zu jedem Zeitpunkt nur eine der Phasen Strom, und die Gleichgewichtspunkte des Motorrotors fallen bei jedem Schritt mit den wichtigsten Gleichgewichtspunkten zusammen – die Pole sind klar definiert.

Durch die Phasenüberlappungssteuerung kann der Rotor in Positionen zwischen den Statorpolen wechseln, was das Drehmoment im Vergleich zur Steuerung ohne Phasenüberlappung um 40 % erhöht. Der Neigungswinkel bleibt erhalten, aber die Verriegelungsposition ist verschoben – sie befindet sich zwischen den Spitzen der Statorpole. Diese ersten beiden Algorithmen werden in elektrischen Geräten verwendet, bei denen keine sehr hohe Genauigkeit erforderlich ist.

Die Halbschrittsteuerung ist eine Kombination der ersten beiden Algorithmen: Eine Phase (Wicklung) oder zwei werden von einem Schritt angetrieben. Die Schrittweite halbiert sich, die Positioniergenauigkeit ist höher und die Wahrscheinlichkeit mechanischer Resonanzen im Motor sinkt.

Und schließlich der Mikroebenenmodus.Hierbei ändert sich der Strom in den Phasen in seiner Größe, so dass die Position der Rotorfixierung pro Schritt auf den Punkt zwischen den Polen fällt und je nach Verhältnis der Ströme in den gleichzeitig angeschlossenen Phasen mehrere solcher Schritte erhalten werden können. Durch Anpassen des Stromverhältnisses und durch Anpassen der Anzahl der Arbeitsverhältnisse werden Mikroschritte erreicht – die genaueste Positionierung des Rotors.

Weitere Details mit Schaltplänen finden Sie hier: Schrittmotorsteuerung

Schrittmotortreiber

Um den gewählten Algorithmus in die Praxis umzusetzen, implementieren Sie einen Schrittmotortreiber. Der Treiber enthält ein Netzteil und einen Controller-Bereich.

Der Leistungsteil des Treibers ist Festkörper-Leistungsverstärker, dessen Aufgabe darin besteht, die an die Phasen angelegten Stromimpulse in Bewegungen des Rotors umzuwandeln: ein Impuls – ein exakter Schritt oder Mikrograd.

Richtung und Größe des Stroms – Richtung und Größe des Schritts. Das heißt, die Aufgabe des Leistungsteils besteht darin, der entsprechenden Statorwicklung einen Strom einer bestimmten Größe und Richtung zuzuführen, diesen Strom für einige Zeit zu halten und Außerdem ist es möglich, Ströme schnell ein- und auszuschalten, damit die Geschwindigkeits- und Leistungseigenschaften des Geräts der jeweiligen Aufgabe entsprechen.

Je perfekter der Leistungsteil des Antriebsmechanismus ist, desto größer ist das Drehmoment, das auf die Welle übertragen werden kann. Im Allgemeinen besteht der Fortschrittstrend bei der Verbesserung von Schrittmotoren und ihren Treibern darin, aus Motoren mit kleinen Abmessungen und hoher Präzision ein erhebliches Betriebsdrehmoment zu erzielen und gleichzeitig einen hohen Wirkungsgrad aufrechtzuerhalten.

Schrittmotorsteuerung

Die Schrittmotorsteuerung ist ein intelligenter Teil des Systems, der meist auf Basis eines umprogrammierbaren Mikrocontrollers aufgebaut ist. Der Controller ist dafür verantwortlich, zu welcher Zeit, an welche Spule, wie lange und wie viel Strom geliefert wird. Der Controller steuert den Betrieb des Antriebsaggregats des Fahrers.

Erweiterte Controller werden an einen Computer angeschlossen und können in Echtzeit über einen Computer angepasst werden. Die Möglichkeit, den Mikrocontroller wiederholt neu zu programmieren, befreit den Benutzer von der Notwendigkeit, jedes Mal einen neuen Controller zu kaufen, wenn die Aufgabe angepasst wird – es reicht aus, den vorhandenen neu zu konfigurieren, das ist die Flexibilität, der Controller kann einfach programmgesteuert neu ausgerichtet werden, um neue Funktionen auszuführen .

Heutzutage gibt es auf dem Markt eine große Auswahl an Schrittmotorsteuerungen verschiedener Hersteller, die über erweiterbare Funktionen verfügen. Bei speicherprogrammierbaren Steuerungen handelt es sich um die Aufzeichnung von Programmen, und einige enthalten programmierbare Logikblöcke, mit denen der Algorithmus zur Steuerung des Schrittmotors für einen bestimmten technologischen Prozess flexibel konfiguriert werden kann.

Controller-Funktionen

Die Schrittmotorsteuerung mit einem Controller ermöglicht eine hohe Genauigkeit von bis zu 20.000 Mikroschritten pro Umdrehung. Darüber hinaus kann die Verwaltung sowohl direkt von einem Computer aus als auch über ein in das Gerät integriertes Programm oder über ein Programm von einer Speicherkarte erfolgen. Wenn sich die Parameter während der Ausführung der Aufgabe ändern, kann der Computer die Sensoren abfragen, die sich ändernden Parameter überwachen und schnell die Betriebsart des Schrittmotors ändern.

Es gibt im Handel erhältliche Schrittmotor-Steuerblöcke, die mit Stromquelle, Steuertasten, Taktquelle, Schrittpotentiometer usw. verbunden sind. Mit solchen Blöcken können Sie schnell einen Schrittmotor in Geräte integrieren, um sich wiederholende zyklische Aufgaben mit manueller oder automatischer Steuerung auszuführen ... Die Möglichkeit der Synchronisierung mit externen Geräten und die Unterstützung des automatischen Ein-, Ausschaltens und Steuerns ist ein unbestreitbarer Vorteil der Schrittmotor-Steuereinheit.

Das Gerät kann direkt von einem Computer aus gesteuert werden, wenn Sie beispielsweise ein Programm ausführen möchten für CNC-Maschine, oder im manuellen Modus ohne zusätzliche externe Steuerung, also autonom, wenn die Drehrichtung der Schrittmotorwelle über den Rückwärtssensor vorgegeben und die Drehzahl über ein Potentiometer gesteuert wird. Die Auswahl des Steuergerätes richtet sich nach den Parametern des einzusetzenden Schrittmotors.

Abhängig von der Art des Ziels wird die Schrittmotorsteuerungsmethode ausgewählt. Wenn Sie eine einfache elektrische Antriebssteuerung mit geringem Stromverbrauch einrichten müssen, bei der jedes Mal ein Impuls an eine Statorwicklung angelegt wird: Für eine volle Umdrehung, sagen wir 48 Schritte, bewegt sich der Rotor bei jedem Schritt um 7,5 Grad. Der Einzelpulsmodus ist in diesem Fall in Ordnung.

Um ein höheres Drehmoment zu erreichen, wird ein Doppelimpuls verwendet – dieser wird pro Impuls gleichzeitig zwei benachbarten Spulen zugeführt. Und wenn für eine volle Umdrehung 48 Schritte erforderlich sind, sind wiederum 48 solcher Doppelimpulse erforderlich, die jeweils ergeben eine Stufe von 7,5 Grad, aber mit 40 % mehr Drehmoment als im Einzelpulsmodus.Durch die Kombination der beiden Methoden können Sie durch Aufteilen der Schritte 96 Impulse erhalten – Sie erhalten 3,75 Grad pro Schritt – dies ist ein kombinierter (Halbschritt-)Steuerungsmodus.