Mikroschritt-Antriebssteuerung für Schrittmotoren

Übersicht

Wenn ein Schrittmotor mit niedriger Drehzahl läuft, neigt der Rotor dazu, bei der Phasenkommutierung aufgrund von Geschwindigkeitsstoß und Trägheit wiederholt um seine Gleichgewichtslage zu oszillieren. Diese Oszillation verschlechtert die Laufgenauigkeit und erzeugt erhebliche Geräusche.

Zwei wesentliche Ansätze adressieren dieses Problem:

1. Erhöhung der Phasenzahl des Motors, um die Winkelverschiebung des Rotors bei jedem Schrittübergang zu verringern.
2. Anwendung der Mikroschritt-Antriebssteuerung, eine Technik, die erstmals Mitte der 1970er Jahre vorgeschlagen wurde und seitdem breite Anwendung findet. Mikroschritt reduziert effektiv den Schrittwinkel des Motors, verbessert die Betriebsstabilität und erhöht die Steuerungsflexibilität.

Was ist Mikroschritt?

Mikroschritt ist eine Antriebsmethode, die den inhärenten Vollschrittwinkel des Motors in eine Anzahl kleinerer Zwischenschritte unterteilt. Dies wird vollständig im Treiber durch präzise Steuerung der Phasenströme des Schrittmotors erreicht; es ist unabhängig vom inhärenten Aufbau des Motors.

Wie Mikroschritt funktioniert

Bei einem konventionellen Vollschrittbetrieb steigt der Strom in einer erregten Statorphase augenblicklich auf seinen Nennwert an, und der Strom in einer nicht erregten Phase fällt ebenso abrupt auf null ab, wodurch eine annähernd rechteckige Stromwellenform entsteht.

Bei einem Mikroschrittbetrieb werden die Phasenströme allmählich hoch- bzw. heruntergeregelt statt abrupt umgeschaltet. Die Wicklungsstromwellenform wird zu einer N-stufigen approximativen Treppenwelle anstelle einer Rechteckwelle. Das resultierende Magnetfeld, das durch die Statorwicklungsströme erzeugt wird, erzeugt dann N neue Gleichgewichtslagen für den Rotor innerhalb jedes Vollschritts und bildet somit effektiv N Mikroschritte.

Vorteile des Mikroschritts

Die Mikroschritt-Antriebstechnologie ist weltweit Gegenstand umfangreicher Forschung. Moderne Hochleistungs-Mikroschritttreiber können Mikroschrittstufen im Bereich von Tausenden oder mehr erreichen. Fortschrittliche Stromregelungsalgorithmen erzeugen heute hochgradig gleichmäßige Mikroschrittwinkel, was mehrere wesentliche Vorteile bietet:

• Deutlich verbesserte Schritt-auflösung des Schrittmotors.
• Reduzierung oder Eliminierung der niederfrequenten Vibration.
• Geringere hörbare Geräusche.
• Gleichmäßigeres Drehmoment mit reduzierter Drehmomentschwankung.

Diese Verbesserungen verleihen Schrittmotoren Leistungseigenschaften, die denen von Servomotoren stärker ähneln.

Mikroschritt-Genauigkeit vs. Auflösung

Es ist wichtig, zwischen Schrittauflösung und tatsächlicher Positioniergenauigkeit bei der Verwendung von Mikroschritt zu unterscheiden.

Mikroschritt ist im Grunde eine elektronische Dämpfungstechnik. Ihr primärer Zweck ist die Reduzierung oder Eliminierung der niederfrequenten Vibration, die Schrittmotoren inhärent eigen ist. Eine verbesserte Positioniergenauigkeit ist ein sekundärer Vorteil der Mikroschritt-Technologie.

Während Mikroschritt die Auflösung jedes Befehlspulses erhöht, hängt es von mehreren Faktoren ab, ob die tatsächliche Laufgenauigkeit des Motors dieser Auflösung nahekommt – insbesondere von der Stromregelungsgenauigkeit des Mikroschritttreibers. Die Treibergenauigkeit variiert erheblich zwischen den Herstellern, und höhere Mikroschrittstufen sind inhärent anspruchsvoller präzise zu steuern.

Echter Mikroschritt vs. Stromglättung

Echter Mikroschritt stellt hohe technische und fertigungstechnische Anforderungen an den Treiber und ist dementsprechend mit höheren Kosten verbunden. Einige Treiber verwenden stattdessen Stromglättung als Ersatz für echten Mikroschritt der Motorphasenströme. Dieser Ansatz wird manchmal als Pseudo-Mikroschritt bezeichnet.

Wesentliche Unterschiede umfassen:

Hinweis: Echter Mikroschritt erhöht nicht das Nennhaltemoment des Motors. Da er jedoch Vibrationen und die damit verbundenen Energieverluste reduziert, kann das effektiv nutzbare, an die Last abgegebene Drehmoment im Vergleich zum Vollschrittbetrieb leicht verbessert sein.