Schrittmotorsteuerung

Elektromotoren wandeln elektrische Energie in mechanische Energie um, Schrittmotoren wandeln die Energie elektrischer Impulse in Drehbewegungen des Rotors um. Die durch die Wirkung jedes Impulses erzeugte Bewegung wird mit hoher Präzision eingeleitet und wiederholt, was Kugelmotoren zu effizienten Antrieben für Geräte macht, die eine präzise Positionierung erfordern.

Permanentmagnet-Schrittmotoren umfassen: einen Permanentmagnetrotor, Statorwicklungen und einen Magnetkern. Die Energiespulen erzeugen wie abgebildet magnetische Nord- und Südpole. Das sich bewegende Magnetfeld des Stators zwingt den Rotor, sich jederzeit darauf auszurichten. Dieses rotierende Magnetfeld kann abgestimmt werden, indem die Reihenerregung der Statorspulen gesteuert wird, um den Rotor zu drehen.

Die Abbildung zeigt ein Diagramm einer typischen Erregungsmethode für einen Zweiphasenmotor. In Phase A werden die beiden Statorspulen mit Strom versorgt, was dazu führt, dass sich der Rotor anzieht und blockiert, da sich die entgegengesetzten Magnetpole gegenseitig anziehen.Wenn die Wicklungen der Phase A ausgeschaltet sind, werden die Wicklungen der Phase B eingeschaltet, der Rotor dreht sich im Uhrzeigersinn (englisch CW – im Uhrzeigersinn, CCW – gegen den Uhrzeigersinn) um 90 °.

Dann schaltet sich Phase B aus und Phase A ein, aber die Pole sind jetzt entgegengesetzt zu denen, die sie ganz am Anfang waren. Dies führt zur nächsten 90°-Drehung. Anschließend wird Phase A ausgeschaltet, Phase B mit umgekehrter Polarität eingeschaltet. Durch Wiederholen dieser Schritte dreht sich der Rotor in 90°-Schritten im Uhrzeigersinn.

Die in der Abbildung dargestellte schrittweise Steuerung wird als Einphasensteuerung bezeichnet. Eine akzeptablere Art der Schrittsteuerung ist die aktive Zweiphasensteuerung, bei der beide Phasen des Motors immer eingeschaltet sind, sich jedoch die Polarität in einer von ihnen ändert, wie in der Abbildung dargestellt.

Diese Steuerung bewirkt, dass sich der Rotor des Schrittmotors so bewegt, dass er sich bei jedem Schritt in der Mitte der gebildeten Nord- und Südpole zwischen den Vorsprüngen des Magnetkreises ausrichtet. Da immer beide Phasen eingeschaltet sind, liefert diese Steuerungsmethode 41,4 % mehr Drehmoment als die Steuerung mit einer aktiven Phase, erfordert jedoch die doppelte elektrische Leistung.

Ein halber Schritt

Ein Schrittmotor kann auch „halbschrittig“ sein, dann wird beim Phasenübergang eine Auslösestufe hinzugefügt. Dadurch halbiert sich der Steigungswinkel. Beispielsweise kann ein Schrittmotor anstelle von 90° bei jedem „Halbschritt“ 45°-Drehungen ausführen, wie in der Abbildung dargestellt.

Allerdings führt der Halbschrittmodus im Vergleich zur Schrittsteuerung mit zwei aktiven Phasen zu einem Drehmomentverlust von 15–30 %, da eine der Wicklungen während der Hälfte des Schritts inaktiv ist und dies letztendlich zu einem Verlust der elektromagnetischen Kraft führt, die auf sie einwirkt des Rotors, d. h. Netto-Drehmomentverlust.

Bipolare Spule

Die Zweiphasen-Stufensteuerung setzt das Vorhandensein einer zweipoligen Statorwicklung voraus. Jede Phase hat ihre eigene Spule, und wenn der Strom durch die Spulen umgekehrt wird, ändern sich auch die elektromagnetischen Polaritäten. Das Anfangsstadium ist typisch Zweiphasentreiber in der Abbildung dargestellt. Das Steuerungsschema ist in der Tabelle dargestellt. Man erkennt, wie einfach durch eine Änderung der Richtung des Stroms durch die Spulen die magnetische Polarität in den Phasen geändert werden kann.

Einpolige Spule

Ein weiterer typischer Spulentyp ist eine unipolare Spule. Hier sind die Spulen in zwei Teile geteilt und wenn ein Teil der Spule mit Strom versorgt wird, entsteht ein Nordpol, wenn der andere Teil mit Strom versorgt wird, entsteht ein Südpol. Diese Lösung wird als unipolare Spule bezeichnet, da sich die für den Strom verantwortliche elektrische Polarität nie ändert. Die Kontrollstufen sind in der Abbildung dargestellt.

Dieses Design ermöglicht die Verwendung eines einfacheren Elektronikblocks. Allerdings gehen hier im Vergleich zu einer Bipolarspule fast 30 % des Drehmoments verloren, da die Spulen als Bipolarspule den halben Draht haben.

Andere Neigungswinkel

Um kleinere Steigungswinkel zu erreichen, ist eine größere Polzahl sowohl am Rotor als auch am Stator erforderlich. Der 7,5°-Rotor hat 12 Polpaare und der Statormagnetkern hat 12 Vorsprünge. Zwei Spulenohren und zwei Spulen.

Dies ergibt 48 Pole für jeden Schritt von 7,5°. In der Abbildung sehen Sie die 4-poligen Kabelschuhe im Schnitt. Es ist natürlich möglich, die Schritte zu kombinieren, um große Auslenkungen zu erreichen. Beispielsweise ergeben sechs Schritte von 7,5° eine Rotordrehung von 45°.

Genauigkeit

Die Genauigkeit von Schrittmotoren beträgt 6-7 % pro Schritt (ohne Akkumulation). Ein Schrittmotor mit 7,5°-Schritten wird sich immer innerhalb von 0,5° der theoretisch vorhergesagten Position befinden, unabhängig davon, wie viele Schritte bereits zurückgelegt wurden. Der Fehler summiert sich nicht, da mechanisch alle 360° Schritt für Schritt wiederholt werden. Ohne Last ist die physikalische Position der Stator- und Rotorpole relativ zueinander immer gleich.

Resonanz

Schrittmotoren haben ihre eigene Resonanzfrequenz, da es sich um federgewichtsähnliche Systeme handelt. Wenn der Rhythmus mit der Eigenresonanzfrequenz des Motors übereinstimmt, ist das vom Motor erzeugte Geräusch hörbar und die Vibration wird verstärkt.

Der Resonanzpunkt hängt von der Motoranwendung und seiner Last ab, im Allgemeinen liegt die Resonanzfrequenz jedoch zwischen 70 und 120 Schritten pro Sekunde. Im schlimmsten Fall verliert der Motor seine Regelgenauigkeit, wenn er in Resonanz gerät.

Eine einfache Möglichkeit, Systemresonanzprobleme zu vermeiden, besteht darin, den Rhythmus vom Resonanzpunkt weg zu ändern. Im Halb- oder Mikroschrittmodus wird das Resonanzproblem reduziert, da der Resonanzpunkt mit zunehmender Geschwindigkeit verlassen wird.

Drehmoment

Das Drehmoment eines Schrittmotors ist eine Funktion von: Schrittgeschwindigkeit, Statorwicklungsstrom, Motortyp. Die Leistung eines bestimmten Schrittmotors hängt auch von diesen drei Faktoren ab.Das Drehmoment eines Schrittmotors ist die Summe aus Reibungsdrehmoment und Trägheitsdrehmoment.

Das Reibungsmoment in Gramm pro Zentimeter ist die Kraft, die erforderlich ist, um eine Last mit einem Gewicht von einer bestimmten Grammzahl mit einem Hebelarm von 1 cm Länge zu bewegen. Es ist wichtig zu beachten, dass mit zunehmender Schrittgeschwindigkeit des Motors die Gegen-EMK im Motor zunimmt , das heißt, die vom Motor erzeugte Spannung steigt. Dadurch wird der Strom in den Statorwicklungen begrenzt und das Drehmoment reduziert.