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Schrittmotoren, SteuerungenIn kleinen Schritten

Der Schrittmotor ist neben dem Servo fester Bestandteil der Antriebstechnik. Er bietet ein hohes Drehmoment pro Motorvolumen und ist auch kostengünstiger – wenn man nicht versucht, ihn mit Drehgeber, Lageregler und anderen Komponenten zu einem Servo „umzubauen“. Da der Schrittmotor selbst nicht verändert werden kann, bleibt allein die Möglichkeit das Leistungsteil zu optimieren. Welche Alternativen es gibt, um die Vorteile eines Schrittmotors weiter auszubauen, beschreibt dieser Beitrag.

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Steuerungen: In kleinen  Schritten

Schrittmotor und Servo konkurrieren gewissermaßen miteinander, doch applikativ richtig eingesetzt hat jedes System seine Berechtigung. Folgt man den Marktanalysen, so verzeichnen Servos derzeit ein höheres Wachstum als der Schrittmotor. Doch das ist nicht statisch zu werten. So kann man feststellen, dass bei konjunkturell abgeschwächten Phasen und somit geringeren verfügbaren Investitionsmittel verstärkt auf den in der Regel günstigeren Schrittmotorantrieb zu gegriffen wird. Oder denken wir nur mal an die fortlaufende Migration. Gerade hier hat der Schrittmotor echte Vorteile durch sein extrem hohes Drehmoment pro Motorvolumen. Umgekehrt versuchen immer wieder verschiedene Hersteller den Schrittmotor mit Gebern und Reglern zu "ergänzen". Das aber macht keinen Sinn, denn die Achskosten steigen dadurch schnell an und der Preisvorteil gegenüber Servos wird aufgefressen. Der Schrittmotor bleibt trotz allem Schrittmotor und wird dann all zu gerne dem direkten Vergleich mit dem Servo unterzogen. Das kann er insbesondere im höheren Drehzahlbereich nicht leisten und seine eigentlichen Vorteile gehen verloren.

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Die Schrittmotoransteuerung

Die wohl einfachste Art der Ansteuerung eines Schrittmotors ist der Unipolarbetrieb mit hochohmigen Wicklungen. Der Phasenstrom wird über die Beziehung I=U/R begrenzt. Die Wicklungen werden einfach mittels Transistoren an die Spannung gelegt. Ein aufwendiger Stromregler wird nicht eingesetzt. Anwendungen sind einfache Applikationen im niedrigen Drehzahlbereich bei denen der Preis eine übergeordnete Rolle spielt. Die Dynamik kann erhöht werden, indem man das Leistungsteil geregelt ausführt. Der Stromanstieg folgt hier im Wesentlichen der Funktion di/dt=f(U/L). Es werden also nur dann Vorteile erzielt, wenn man niederinduktive Schrittmotoren bei höherer Spannung betreibt. Dabei kann man den Phasenstrom entweder in der Versorgungsleitung (Mittelanzapf der Wicklungen) messen oder im jeweiligen Fußpunkt eines Schalttransistors. Das Prinzip der Stromregelung ist sehr einfach. Die entsprechende Wicklung wird an Spannung gelegt bis sich der vorgegebene Phasenstrom über die Beziehung ip=I+U/L*t einstellt. (I= Restrom in der Wicklung zum Einschaltpunkt) Bei diesem Spitzenstrom wird dann abgeschaltet und der Phasenstrom degeneriert über den Freilaufkreis. Dieser Reglertyp ist bei Schrittmotorleistungsteilen sehr verbreitet und wird als Spitzenstromregler bezeichnet. Hinter diesem Prinzip verstecken sich jedoch ein paar Nachteile.

Einige monolitische Leistungs-IC's haben eine konstante Ausschaltzeit. Da aber die Einschaltzeit für den Stromaufbau variiert, resultiert daraus aber auch eine Frequenzvariation in der Ansteuerung so dass fast immer mit akustischen Interferenzen zu rechnen ist. Auch kann der Motorstrom wegen vorhandener Schaltzeiten nichtbeliebig fein quantisiert werden, demzufolge ist Mikroschrittbetrieb höherer Auflösung und entsprechender Schrittkonstanz bei den Spitzenwertstromreglern prinzipiell nicht möglich, auch wenn in den Datenblätter etwas anderes steht. Nebenbei sei noch erwähnt, dass bei der unipolaren Ansteuerung die Transistoren eine mindest Spannungsfestigkeit der doppelten Versorgungsspannung haben müssen. Nach all den Nachteilen gibt es aber auch neben dem günstigen Preis und einfacher Technik mindestens noch den Vorteil, dass die Wicklung zum Stromaufbau unmittelbar an die volle Versorgungsspannung angeschlossen wird bis der Spitzenstrom erreicht ist. Daraus resultieren ein schnellstmöglicher Stromaufbau in der Wicklung und demzufolge gute dynamische Eigenschaften im Antriebsverhalten des Schrittmotors.

Bei der einfachen bipolaren Ansteuerung des Schrittmotors verwendet man eine Voll-Brücke (oft auch H-Brücke genannt). Der Phasenstrom wird im Fußpunkt der beiden unteren Transistoren durch einen Sense-Widerstand gemessen. In der Regel wird die Strommessung nur während der Einschaltphase vorgenommen da sich hierbei der Motorstrom direkt am Sense-Widerstand abbildet. Bei Erreichen des vorgegebenen Spitzenstromes schaltet dann wieder der Spitzenstromregler einfach ab. Der Phasenstrom degeneriert dann wieder über den Freilaufkreis. Bei der bipolaren Vollbrückenansteuerung ist es üblich den Stromregler mit einer konstanten Frequenz zu takten.

Die akustischen Interferenzen sind dann zwar weitestgehend vermieden worden jedoch bleibt das Problem der systembedingten Schaltzeiten bestehen. Die Beziehung für den Phasenstrom ip = I + U/L*t zeigt, dass der nach der Freilaufphase vorhandene Reststrom I den Phasenstrom ip nicht beliebig klein werden lässt. Dies wird dann umso wichtiger je kleiner die Phasenströme geregelt werden sollen. Wird mit jeder Taktperiode die Motorphase zwangsangesteuert, beginnt der Strom mit U/L*t zu steigen. Die Einschaltdauer t hat aber wegen der oben angesprochenen Schaltzeiten eine Mindestdauer. So ist es also ohne Weiteres nicht möglich Motorströme um den Nullpunkt souverän zu händeln wie es für sauberen Mikroschrittbetrieb unabdingbar ist. Um diese Problematik zu mindern haben einige Hersteller monolithischer Treiberbausteine versucht in den Freilaufkreis entsprechend einzuwirken in dem z.B. bei einem zunehmenden Phasenstrom der Freilaufkreis kurz geschlossen wird und so der Phasenstrom kaum abnimmt; oder bei abnehmenden Phasenstrom oder Umpolung zum schnellen Stromabbau (fast current decay) alle Transistoren voll abgeschaltet werden. Alle derartigen Eingriffe sind Lösungsansätze, helfen aber nicht über einen weiten Betriebsbereich einen sauberen Mikroschritt mit hoher Schrittkonstanz, Dynamik und geringe Verlustleistung in der Endstufe zu gewährleisten.

Neue Schrittmotor-Leistungsteilgeneration

Die Aufgabenstellung ist also die Steigerung der Schrittmotorperformance unter Verwendung handelsüblicher Schrittmotoren ohne die Achskosten zu erhöhen. Da am Schrittmotor selbst keine Veränderungen vorgenommen werden können, richtet sich der Anforderungskatalog voll auf die Leistungselektronik. Die Vorgaben werden direkt vom Markt diktiert und sind im Wesentlichen eine hohe Schrittauflösungen bis zu 10000 pro Umdrehung, kleinste Schrittwinkelfehler und eine geringe Resonanzbildung. Hinzu kommen ein hohes Drehmoment bis in oberen Drehzahlbereich, optimale Dynamik in jedem Betriebsbereich sowie geringste bis keine Geräusche im Stillstand - und eine breite Verwendung handelsüblicher Motoren.

Dieser Anforderungskatalog ist mit analoger Technik nicht mehr mit vertretbarem Aufwand zu machen. Zum Einsatz kommt daher ein digitaler Signalprozessor (DSP) und ein Endstufenkonzept. Beide Halbbrücken werden simultan diagonal getaktet. Die Transistoren werden so geschaltet, dass der Phasenstrom immer einen niederohmigen Pfad über einen angesteuerten Transistor findet. So gibt es den klassischen Freilaufkreis über die parasitären Dioden nicht mehr. Daraus resultierend konnte die Verlustleistung der Endstufe drastisch reduziert werden. Um die hohen Anforderungen an den Mikroschrittbetrieb wie hohe Schrittzahl pro Umdrehung bei gleichzeitig guter Schrittkonstanz zu gewährleisten ist es unabdingbar den Phasenstrom direkt in der Motorleitung mit entsprechender Genauigkeit zu messen. Um externe Einflüsse wie Gegen-EMK, Wicklungskopplung usw. zu minimieren wird der Phasenstrom kontinuierlich erfasst so dass der echte 4-Quadranten Stromregler darauf sofort reagieren kann. Die Laufeigenschaften werden dadurch deutlich verbessert.

Betrachtet man sich die Phasenströme für die Erregungen mit 10000, 1000 und 400 Schritten pro Umdrehung unter Verwendung eines 2-Phasen Schrittmotors mit 1,2mH Induktivität und Motorspannung von 70V, so resultiert daraus eine Stromanstiegskonstante U/L von 70V / 1,2mH = 47 10³ A/s oder 47A/ms. Dies sind extrem hohe Werte. Die besondere Anforderung an den DSP bei Schrittmotoransteuerungen ist also die Notwendigkeit eines sehr schnellen Stromreglers. Denn der Stromanstieg in einer Schrittmotorwicklung muss wegen seiner hohen Polpaarzahl und somit hohen Umpolfrequenz sehr schnell sein. Hochdynamische Antriebe werden also erst dann möglich, wenn der Regler den Stromanstiegsfaktor U/L souverän beherrscht. Oder anders ausgedrückt, der schnelle Stromregler zeichnet sich dadurch aus, dass hochdynamische Motoren (haben sehr niedrige Wicklungsinduktivität) bei relativ hoher Motorspannung betrieben werden können. Das stellt natürlich besondere Anforderungen an die Soft- und Hardware. Niederinduktive Motoren benötigen höhere Phasenströme um entsprechende Drehmomente erzeugen zu können. Entsprechend muss das Leistungsteil dafür ausgelegt sein. Die Software darf sich mit Ballast wie Signalaufbereitung usw. nicht verzetteln. Das muss häppchengerecht von der Hardware geliefert werden. Der Stromregler selbst ist voll digital realisiert und verwendet einen sehr schnellen rekursiven DDC-Algorithmus. (DDC: Direct Digital Control)

Digitale Signalprozessoren

Die Verwendung von digitalen Signalprozessoren eröffnet neue Möglichkeiten im Bereich der Leistungselektronik von Schrittmotoren. Das stellt natürlich besondere Anforderungen an die Soft- und Hardware. Niederinduktive Motoren benötigen höhere Phasenströme um entsprechende Drehmomente erzeugen zu können. Entsprechend muss das Leistungsteil dafür ausgelegt sein. Die Software darf sich mit Ballast wie Signalaufbereitung usw. nicht verzetteln. Das muss Häppchen gerecht von der Hardware geliefert werden. Der Stromregler selbst ist voll digital realisiert und verwendet einen sehr schnellen rekursiven DDC-Algorithmus. (DDC: Direct Digital Control).

Wie im Blockschaltbild zu sehen, sind die wesentlichen Komponenten der Controller (Vector Generator + Command Interface + Peripheral Interface), ein Beobachter (Observer) sowie die Endstufe mit dem Stromregler. Der Vectorgenerator gibt den Schrittwinkel vor. Dieser ist als Tabelle angelegt mit entsprechender Stufung für den Mikroschrittbetrieb. Der Betrieb von 2-Phasen oder 3-Phasen Schrittmotoren oder evtl. kundenspezifische Sonderschrittauflösungen wird durch einfache Tabellenanpassungen möglich. Bei reinen Leistungsteilen wird der Vektorgenerator über die Standardsignale Puls und Richtung gespeist oder über das Command Interface mit integriertem Fahrprofilgenerator (Indexer) falls Punkt zu Punkt Bewegungen autonom ausgeführt werden sollen. Verschiedene Schnittstellen stehen dafür zur Verfügung. Besonders hervorzuheben ist die eingehende Migration bei Verwendung neuester Hardware und DSP, da doch einige Randfunktionen durch Software realisiert werden können.

Ein Beispiel aus der Praxis. In einem kompakten Gerät waren mehrere Leistungsteile für 2-Phasen Schrittmotoren hoher Leistung unterzubringen. Die Anforderungen waren sehr hohe Dynamik und kleinst mögliche Baugröße. Da wegen mangelnder Zugänglichkeit die Einstellungen für Motorstrom, Schrittauflösung usw. über mechanische Bedienelemente wie HEX- oder DIP-Schalter nicht möglich war wurde die Parametrierung über das SPI-Interface (Serial Peripheral Interface) vorgenommen. Dies bietet sich im Übrigen immer an wenn die Anwenderapplikation über diese Möglichkeit verfügt. Realisiert wurde ein OEM-Modul zum Einstecken in die Anwenderschaltung mit den Leistungsdaten 80V, 8As und 10000 Schritte pro Umdrehung bei einer Modulgröße von nur 75x40x10mm³. Alle notwendigen Komponenten zum Betreiben eines 2- oder 3-Phasen Schrittmotors sind bereits enthalten. Der Anwender benötigt also keine schrittmotorspezifischen Schaltungskenntnisse und erhält so Schrittmotor-Power auf kleinstem Raum. Die Zielgruppe sind Anwender. die mehr Leistung benötigen als die monolithischen Schrittmotorleistungs-IC's bieten, Temperatur eine Rolle spielt oder einfach mehr Performance benötigen und die Leistungsteilelektronik in ihre Anwenderschaltung selbst integrieren wollen.

Die Installation eines Observers

Um die Performance von Schrittmotorantrieben zu steigern wurde wie im Blockschaltbild zu sehen ein Beobachter (Observer) installiert. Dieser erfasst die momentanen Betriebszustände und nimmt dem zu Folge entsprechende Modifikationen am SetUp vor:

- Automatisches Regler-Setup Gleich beim Einschalten des Leistungsteils wird der Motor elektrotechnisch erfasst. Daraufhin werden die Betriebsparameter so eingestellt, dass Dynamik und Laufruhe optimiert sind. Das Leistungsteil passt sich also dem jeweiligen Motor an. So kann eine breite Motorpalette in Kombination mit den Leistungsteilen eingesetzt werden.

- Boost und Stromabsenkung Abhängig vom Beschleunigungsmaß wird die variable Boostfunktion aktiv, d.h. ein zusätzlicher Stromoffset wird auf den Sollwert aufgeschaltet. Dies geschieht nicht wie sonst üblich von 0% auf 100% während der Beschleunigungsphase sondern variabel in Abhängigkeit der Beschleunigung. Dadurch sind höhere Beschleunigungswerte möglich ohne den Motor thermisch überproportional zu stressen. Die Stromabsenkung reduziert den Motorstrom im Stillstand auf 60% des eingestellten Sollstromes.

- Automatische Anpassung der Betriebsparameter Während des Betriebes werden bestimmte Zustände kontinuierlich erfasst und eine Anpassung verschiedener Betriebsparameter automatisch vorgenommen. Das hält das Drehmoment länger konstant, so dass weit in den oberen Drehzahlbereich dynamisch positioniert werden kann.

- StandBy Mode Mit abnehmender Drehzahl bis zum Stillstand wechselt das Leistungsteil allmählich in den StandBy Mode, der Motor ist dann bei vollem Haltemoment absolut ruhig. Ein großer Vorteil in Büro- oder Laborumgebungen.

- Digitaler Phasenstromregler Die Endstufe ist voll digital ausgeführt. Die Phasenstrommessung erfolgt direkt in den Motorleitungen. Dabei wurde streng auf die Einhaltung der guten Laufeigenschaften wie resonanzarmer Lauf, gute Schrittwinkelgenauigkeit und hohe Drehmomentkonstanz von Schritt zu Schritt geachtet.

Fazit

Die neue Leistungsteilgeneration setzt Maßstäbe in der digitalen Regelung von Schrittmotorantrieben. Mit den Einsatz modernster Leistungshalbleiter und DSP-Technik konnte eine Reihe neuer Verfahren und Schaltungstechniken in der Ansteuerung von Schrittmotorantrieben realisiert werden. Durch die Verlagerung bestimmter Funktionsteile in die Software ist es möglich die neue Leistungsteilgeneration trotz steigender Performance in den Herstellkosten zu senken. Nicht zuletzt sind sehr kompakte Abmessungen bei einer sehr hohen Leistungsdichte möglich.

Reinhard Baur, Baur Antriebe und Regelungen / st

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