Im NormalbetriebSchrittmotorDer Motor bewegt sich mit jedem empfangenen Steuerimpuls um einen Schrittwinkel, d. h. einen Schritt vorwärts. Bei kontinuierlicher Eingabe von Steuerimpulsen dreht sich der Motor entsprechend kontinuierlich. Ein Schrittmotor kann aus dem Takt geraten, beispielsweise durch Schrittverlust oder Überschwingen. Bei einem Schrittverlust ist die Anzahl der vom Rotor zurückgelegten Schritte geringer als die Anzahl der Impulse; bei einem Überschwingen ist die Anzahl der zurückgelegten Schritte höher. Die Anzahl der Schritte bei einem Schrittverlust oder Überschwingen entspricht einem ganzzahligen Vielfachen der Taktfrequenz. Ein starker Schrittverlust führt dazu, dass der Rotor in einer Position verharrt oder um diese Position schwingt; ein starker Schrittüberschwingen führt zum Überschwingen des Motors.
Verlust der Schrittfolge – Ursache und Strategie
(1) Die Beschleunigung des Rotors ist geringer als die des rotierenden Magnetfelds desSchrittmotor
Erläuterung:
Wenn die Beschleunigung des Rotors geringer ist als die Rotationsgeschwindigkeit des Magnetfelds im Schrittmotor, d. h. unterhalb der Phasenänderungsgeschwindigkeit liegt, kommt es zu einem Schrittversatz. Dies ist auf eine unzureichende Leistungsaufnahme zurückzuführen. Das im Schrittmotor erzeugte Synchronisationsdrehmoment verhindert, dass die Rotordrehzahl der Rotationsgeschwindigkeit des Stator-Magnetfelds folgt, was den Schrittversatz verursacht. Da das dynamische Ausgangsdrehmoment eines Schrittmotors mit steigender Betriebsfrequenz abnimmt, führt jede höhere Betriebsfrequenz zu einem Schrittverlust. Dieser Schrittverlust zeigt an, dass der Schrittmotor nicht über genügend Drehmoment und ausreichende Bremskraft verfügt.
Lösung:
a. Das vom Schrittmotor erzeugte elektromagnetische Drehmoment erhöhen. Dies kann im Nennstrombereich durch Erhöhung des Ansteuerstroms erreicht werden. Reicht das Drehmoment im Hochfrequenzbereich nicht aus, kann die Ansteuerspannung der Ansteuerschaltung erhöht oder ein Schrittmotor mit höherem Drehmoment eingesetzt werden. b. Das vom Schrittmotor zu überwindende Drehmoment reduzieren. Dies kann durch eine geeignete Reduzierung der Motorbetriebsfrequenz zur Erhöhung des Ausgangsdrehmoments oder durch eine längere Beschleunigungszeit erreicht werden, damit der Rotor ausreichend Energie aufnimmt.
(2) Die mittlere Drehzahl des Rotors ist höher als die mittlere Drehzahl des Stator-Magnetfelds
Erläuterung:
Die mittlere Rotordrehzahl ist höher als die mittlere Drehzahl des Stator-Magnetfelds. Wird der Stator länger erregt, als der Rotor für einen weiteren Schritt benötigt, nimmt der Rotor während des Schrittvorgangs zu viel Energie auf. Dies führt zu einem erhöhten Drehmoment des Schrittmotors und somit zu Übersteuerung. Beim Antrieb von Mechanismen, die eine Last auf und ab bewegen, tritt Übersteuerung häufiger auf, da das benötigte Drehmoment mit sinkender Last abnimmt.
Lösung:
Um das Ausgangsdrehmoment des Schrittmotors zu verringern, muss der Ansteuerstrom des Schrittmotors reduziert werden.
(3) Trägheit derSchrittmotorund die Last, die es trägt
Erläuterung:
Aufgrund der Trägheit des Schrittmotors selbst und der von ihm getragenen Last kann der Motor während des Betriebs nicht sofort gestartet und gestoppt werden; beim Start kommt es zu einem Schrittverlust und beim Stopp zu einem Überschritt.
Lösung:
Durch einen Beschleunigungs- und Verzögerungsprozess, d. h. durch Starten mit niedriger Drehzahl, anschließendes allmähliches Beschleunigen auf eine bestimmte Betriebsgeschwindigkeit und dann allmähliches Abbremsen bis zum Stillstand, wird der zuverlässige, effiziente und präzise Betrieb des Schrittmotorantriebssystems gewährleistet. Eine angemessene und gleichmäßige Steuerung von Beschleunigung und Verzögerung ist der Schlüssel dazu.
(4) Resonanz des Schrittmotors
Erläuterung:
Resonanz ist ebenfalls eine Ursache für Schrittabweichungen. Im Dauerbetrieb eines Schrittmotors tritt Resonanz auf, wenn die Frequenz des Steuerimpulses der Eigenfrequenz des Motors entspricht. Innerhalb einer Steuerimpulsperiode wird die Schwingung nicht ausreichend gedämpft, und beim nächsten Impuls ist der dynamische Fehler in der Nähe der Resonanzfrequenz am größten, was zu Schrittabweichungen führt.
Lösung:
Der Ansteuerstrom des Schrittmotors sollte entsprechend reduziert werden. Zusätzlich kann ein Unterteilungsverfahren für die Ansteuerung sowie Dämpfungsmethoden, einschließlich mechanischer Dämpfung, eingesetzt werden. Alle diese Methoden können Motorschwingungen wirksam eliminieren und das Auftreten von Schrittversatz verhindern.
(5) Impulsverlust beim Richtungswechsel
Erläuterung:
Es wird gezeigt, dass es in jede Richtung genau ist, aber dass sich Abweichungen anhäufen, sobald die Richtung geändert wird, und je öfter die Richtung geändert wird, desto größer wird die Abweichung.
Lösung:
Allgemeine Schrittmotortreiber stellen bestimmte Anforderungen an Richtungs- und Impulssignale. So muss beispielsweise die Richtung des ersten Impulses – entweder an der steigenden oder fallenden Flanke (je nach Treiberanforderung) – einige Mikrosekunden vor dem Eintreffen des Impulses bestimmt werden. Andernfalls entsteht ein Impuls, der den Betriebswinkel der eigentlichen Drehrichtung nicht korrekt wiedergibt. Dies führt zu Fehlern, die sich mit zunehmender Abweichung und damit einhergehender geringerer Fehlergröße verstärken. Die Lösung besteht hauptsächlich in der Software, indem die Logik der Impulsausgabe angepasst oder eine Verzögerung hinzugefügt wird.
(6) Softwarefehler
Erläuterung:
Kontrollverfahren, die zu einem Schrittverlust führen, sind nicht ungewöhnlich; es besteht die Notwendigkeit zu überprüfen, ob das Kontrollprogramm kein Problem darstellt.
Lösung:
Wenn die Ursache des Problems eine Zeit lang nicht gefunden werden kann, lassen manche Ingenieure den Schrittmotor auch eine Weile laufen, um die Referenzposition neu zu finden.
Veröffentlichungsdatum: 19. März 2024