Beschleunigungs- und Verzögerungssteuerung von Schrittmotoren

SchrittmotorFunktionsprinzip
Normalerweise ist der Rotor eines Motors ein Permanentmagnet. Wenn Strom durch die Statorwicklung fließt, erzeugt diese ein Vektormagnetfeld. Dieses Magnetfeld versetzt den Rotor in Rotation, sodass die Richtung der beiden Magnetfelder des Rotors mit der Richtung des Statorfelds übereinstimmt. Wenn sich das Vektormagnetfeld des Stators um einen Winkel dreht, …

SchrittmotorEs handelt sich um eine Art Induktionsmotor, dessen Funktionsprinzip auf der Verwendung einer elektronischen Schaltung beruht. Der Gleichstrom wird in ein zeitverteiltes Netzteil eingespeist, das einen mehrphasigen Zeitsteuerungsstrom liefert. Mit diesem Strom wird der Schrittmotor mit Strom versorgt, sodass der Schrittmotor ordnungsgemäß arbeiten kann. Der Treiber dient der zeitverteilten Stromversorgung des Schrittmotors und der Steuerung des mehrphasigen Zeitablaufs.

Bei jedem elektrischen Impuls dreht sich der Motor einen Schritt vorwärts. Die Winkelverschiebung ist proportional zur Anzahl der Impulse, die Drehzahl proportional zur Impulsfrequenz. Durch Ändern der Ansteuerungsreihenfolge der Wicklungen kehrt der Motor seine Drehrichtung um. So lässt sich die Drehrichtung des Schrittmotors durch die Anzahl der Impulse, die Frequenz und die Ansteuerungsreihenfolge der einzelnen Wicklungsphasen steuern.

Die Genauigkeit des allgemeinen Schrittmotors beträgt 3-5% des Schrittwinkels und akkumuliert sich nicht.

Das Drehmoment eines Schrittmotors nimmt mit steigender Drehzahl ab. Bei der Rotation des Schrittmotors bildet sich in jeder Phase der Motorwicklung eine Gegenspannung; je höher die Frequenz, desto größer diese Gegenspannung. Unter deren Einfluss steigt die Frequenz (bzw. Drehzahl) des Motors, während der Phasenstrom abnimmt, was zu einem Drehmomentverlust führt.

Der Schrittmotor kann bei niedriger Drehzahl normal laufen, aber wenn die Drehzahl einen bestimmten Wert überschreitet, startet er nicht und gibt dabei ein pfeifendes Geräusch von sich.

Schrittmotoren haben einen technischen Parameter: die Leerlauf-Anlauffrequenz. Das heißt, der Schrittmotor kann im Leerlauf unter einer bestimmten Impulsfrequenz normal anlaufen. Ist die Impulsfrequenz höher als dieser Wert, kann der Motor nicht normal anlaufen, es kann zu Schrittaussetzern oder Blockierungen kommen.

Bei Belastung sollte die Anlauffrequenz niedriger sein. Um eine hohe Motordrehzahl zu erreichen, muss die Pulsfrequenz ansteigen, d. h. die Anlauffrequenz ist niedriger und steigt dann mit einer bestimmten Beschleunigung auf die gewünschte hohe Frequenz an (Motordrehzahl von niedrig auf hoch).

WarumSchrittmotorenmüssen durch Geschwindigkeitsreduzierung kontrolliert werden
Die Drehzahl eines Schrittmotors hängt von der Pulsfrequenz, der Anzahl der Rotorzähne und der Anzahl der Taktschläge ab. Seine Winkelgeschwindigkeit ist proportional zur Pulsfrequenz und mit diesem synchronisiert. Sind die Anzahl der Rotorzähne und die Anzahl der Taktschläge bekannt, lässt sich die gewünschte Drehzahl durch Steuerung der Pulsfrequenz erreichen. Da der Schrittmotor mithilfe seines Synchrondrehmoments anläuft, ist die Anlauffrequenz nicht zu hoch, um Schrittverluste zu vermeiden. Insbesondere mit steigender Leistung nehmen der Rotordurchmesser und die Massenträgheit zu, wodurch sich die Anlauffrequenz und die maximale Betriebsfrequenz um bis zu das Zehnfache unterscheiden können.

Die Anlauffrequenzcharakteristik des Schrittmotors ist so ausgelegt, dass er beim Anlauf nicht direkt die Betriebsfrequenz erreicht, sondern einen Anlaufprozess durchläuft, d. h. von einer niedrigen Drehzahl allmählich auf die Betriebsdrehzahl ansteigt. Beim Stoppen fällt die Betriebsfrequenz nicht sofort auf null, sondern die Drehzahl wird mit hoher Geschwindigkeit schrittweise auf null reduziert.

Daher durchläuft der Schrittmotor im Allgemeinen drei Betriebsphasen: Beschleunigung, konstante Drehzahl und Verzögerung. Die Beschleunigungs- und Verzögerungsphasen sollten möglichst kurz, die Phasen mit konstanter Drehzahl hingegen möglichst lang sein. Insbesondere bei Anwendungen, die eine schnelle Reaktion erfordern, ist eine möglichst kurze Laufzeit vom Start- zum Endpunkt entscheidend. Dies erfordert kürzeste Beschleunigungs- und Verzögerungsphasen sowie eine möglichst hohe konstante Drehzahl.

Beschleunigungs- und Verzögerungsalgorithmen gehören zu den Schlüsseltechnologien der Bewegungssteuerung und sind entscheidend für hohe Geschwindigkeit und Effizienz. In der industriellen Steuerungstechnik sind einerseits reibungslose und stabile Verarbeitungsprozesse mit geringen Flexibilitätseinflüssen erforderlich; andererseits werden schnelle Reaktionszeiten benötigt. Die Lösung dieser Herausforderungen unter der Voraussetzung einer hohen Steuerungsgenauigkeit zur Steigerung der Verarbeitungseffizienz und der Erzielung einer reibungslosen und stabilen mechanischen Bewegung ist ein zentrales Problem der heutigen industriellen Fertigung. Zu den in modernen Bewegungssteuerungssystemen üblicherweise verwendeten Beschleunigungs- und Verzögerungsalgorithmen zählen unter anderem trapezförmige, exponentielle, S-förmige und parabolische Kurven.

Trapezförmige Kurvenbeschleunigung und -verzögerung
Definition: Lineare Beschleunigung/Verzögerung (Beschleunigung/Verzögerung von der Startgeschwindigkeit zur Zielgeschwindigkeit) mit einem bestimmten Verhältnis

Berechnungsformel: v(t)=Vo+at

Vorteile und Nachteile: Die Trapezkurve zeichnet sich durch einen einfachen Algorithmus, geringen Zeitaufwand, schnelle Reaktionszeit, hohe Effizienz und einfache Implementierung aus. Allerdings entsprechen die gleichmäßigen Beschleunigungs- und Verzögerungsphasen nicht dem Drehzahländerungsgesetz des Schrittmotors, und der Übergang zwischen variabler und konstanter Drehzahl ist nicht stufenlos. Daher wird dieser Algorithmus hauptsächlich in Anwendungen eingesetzt, bei denen die Anforderungen an den Beschleunigungs- und Verzögerungsprozess gering sind.

Exponentielle Kurvenbeschleunigung und -verzögerung
Definition: Es bedeutet Beschleunigung und Verzögerung durch eine Exponentialfunktion.

Bewertungsindex für die Beschleunigungs- und Verzögerungsregelung:
1. Maschinenbahn- und Positionsfehler sollten so gering wie möglich sein.

2. Der Maschinenablauf ist gleichmäßig, das Ruckeln gering und die Reaktionszeit schnell.

3. Der Beschleunigungs- und Verzögerungsalgorithmus sollte so einfach wie möglich und leicht zu implementieren sein und die Echtzeitsteuerungsanforderungen erfüllen.

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