Controller für die Motorsteuerung

Schritt für Schritt

Induktive Verbraucher, z.B. Gleichstrommotoren und bipolare Schrittmotoren, werden häufig mit Leistungsstufen in H-Brücken-Konfiguration angesteuert. Die besonderen Eigenschaften induktiver Lasten bringen es mit sich, dass diese H-Brücken mit einer Reihe harscher Einsatzbedingungen konfrontiert werden, die beim Design berücksichtigt werden müssen, um Ausfälle zu vermeiden. Die hierfür erforderlichen Maßnahmen führen oft dazu, dass die Designs umständlich werden, sich nicht mehr kompakt implementieren lassen und anfällig für neue Ausfallmechanismen werden. Das muss nicht so sein.

Schrittmotoren sind bekannt dafür, dass ihre Rotordrehzahl und -position präzise gesteuert werden können. Sie ermöglichen die Open-Loop-Kommutierung und sind ohne Beispiel, was die Einfachheit ihrer Ansteuerelektronik betrifft. Gegenüber vergleichbaren Servo-Antrieben mit Gleichstrommotoren oder bürstenlosen Drei-Phasen-Motoren können sie eine vorgegebene Rotorposition halten. Allerdings darf nicht verschwiegen werden, dass Schrittmotoren auch einige Schwächen besitzen - zu den problematischsten zählt die Resonanz. Erhält ein Schrittmotor den Befehl, einen Schritt auszuführen, so bewegt sich der Rotor in die angewiesene Position. Hierbei aber kommt es zu einer gewissen Oszillation, denn für den (ungeregelten) Open-Loop-Betrieb muss mehr Strom aufgewendet werden, als eigentlich nötig wäre. Würden die Wicklungen nur mit dem tatsächlich erforderlichen Strom beaufschlagt, könnte jeder Schritt ohne Oszillation in die richtige Position führen.

Dies impliziert leider auch, dass Drehmomentschwankungen - und seien sie noch so gering - zum Auslassen von Schritten bzw. zu Vibrationen führen können, was die Drehzahl- und Positionsgenauigkeit gravierend beeinträchtigen kann. Eine höhere Stromstärke zu verwenden, als tatsächlich erforderlich ist, ist deshalb gängige Praxis, denn so kann die ungeregelte Ansteuerung eines Schrittmotors beibehalten werden.

Wie aber lässt sich unter diesen Umständen das Problem der unerwünschten Vibrationen beseitigen? Geht man der eigentlichen Ursache dieses Phänomens auf den Grund, so erkennt man, dass der vom Rotor durchfahrene Winkel die Quelle des Problems ist. Durchfährt der Rotor einen großen Winkel, so schießt er beim Anhalten aufgrund seiner Trägheit zwangsläufig über das Ziel hinaus. Die Auswirkungen dieser Vibrationen lassen sich deshalb minimieren, wenn man die Schritte verkleinert.

Ein Schrittmotor ist aufgrund seiner mechanischen Konstruktion immer für eine bestimmte Anzahl Schritte pro Umdrehung ausgelegt. Ist ein Schrittmotor beispielsweise für 200 Schritte pro Umdrehung konzipiert, so bewegt sich sein Rotor bei jedem Schritt um ein Zweihundertstel eines Vollkreises, also um 1,8° weiter. Soll diese Schrittweite reduziert werden, lässt sich dies auf zwei Wegen erreichen, nämlich entweder durch Verwendung eines anderen Motors mit geringerer Schrittweite oder durch Modulieren des Stroms. Kommt der Umstieg auf einen anderen Motor nicht in Frage, bleibt das Modulieren des Stroms als einzige Alternative übrig.

Microstepping in Applikation integrieren

Beim soeben beschriebenen Vollschrittbetrieb sind die Motorwicklungen entweder unbestromt oder sie erhalten die volle Stromstärke. Durch ein Modulieren, also ein feines, abgestuftes Variieren des Stroms lassen sich die von den Statorwicklungen des Schrittmotors ausgehenden Magnetfelder, die den Motor durch anziehende und abstoßende Kräfte bewegen, genauer regulieren. Der Rotor bewegt sich dann nicht mehr immer um einen vollen Schritt, sondern nur um einen Bruchteil des vollen Schrittwinkels, einen so genannten Mikroschritt weiter.

Texas Instruments 

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Bild 1. Durch Variieren des Wicklungsstroms in mehreren Stufen zwischen Null und der maximalen Stromstärke lässt sich ein Vollschritt in mehrere Mikroschritte unterteilen. In der Regel wird dabei der Verlauf einer Sinuswelle nachgeahmt.

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Texas Instruments

Bild 1. Durch Variieren des Wicklungsstroms in mehreren Stufen zwischen Null und der maximalen Stromstärke lässt sich ein Vollschritt in mehrere Mikroschritte unterteilen. In der Regel wird dabei der Verlauf einer Sinuswelle nachgeahmt.

Die Größe der Mikroschritte lässt sich nun einfach berechnen. Unterteilt man den Wicklungsstrom beispielsweise in acht Stufen, so wird der volle Schrittwinkel in acht Mikroschritte unterteilt - im vorliegenden Fall entspricht ein Mikroschritt also 1,8° : 8 = 0,225°. Bild 1 veranschaulicht, wie es durch Variieren des Wicklungsstroms in acht Stufen zwischen Null und voller Stromstärke gelingt, einen Vollschritt in acht Mikroschritte zu teilen. Dabei wird der Verlauf einer Sinuswelle nachgebildet.

Zu den Vorteilen des Mikroschritt-Betriebs gehört die etwas höhere Positionierungs-Genauigkeit. Die eigentliche Motivation für den Einsatz dieser Technik ist es jedoch, die beim Durchfahren eines Vollschritts auftretenden Vibrationen zu beseitigen. In dieser Hinsicht bietet der Mikroschritt-Betrieb den Designern die meisten Vorteile. Je mehr Mikroschritte die Ansteuerelektronik unterstützt, umso fließender wird die Bewegung. Dieser Effekt zahlt sich bei geringen Drehzahlen am meisten aus.

Bleibt die Frage, wie sich dieses „Microstepping“ am reibungslosesten in eine Applikation integrieren lässt. Man könnte einen digitalen Signalprozessor (DSP) oder einen leistungsfähigen Mikrocontroller ins Spiel bringen und die D/A-Wandler so programmieren, dass sie die benötigten Sinus- bzw. Cosinus-Signale generieren. Anschließend müsste man einige Interrupt-Unterprogramme schreiben, die für das richtige Timing der Phasen sorgen, um mit dieser Firmware die beiden H-Brücken anzusteuern, die als Treiber für die Wicklungen des bipolaren Schrittmotors dienen. Diese Vorgehensweise kann sich recht komplex gestalten.

1. Teil: Schritt für Schritt
2. Teil: Schrittmotor-Controller sind die Lösung
3. Teil: Treiberschaltungen einfach realisieren

Weiterführende Links:

• Rein digital: Mikroschrittmotor-Treiber mit Voltage-Mode-Regelung und Logikkern
• Plug&Drive-Schrittmotor von Nanotec: 42er-Baugröße und 50 Ncm Haltemoment