Das Drehmoment in einem Motor hängt vom Strom durch die Motorwicklungen gehen. Daher ist der übliche und logische Weg, dieses Drehmoment zu steuern, eine Stromregelung durch direkte Überwachung. Diese Methode wird als Strommodussteuerung bezeichnet. Eine weitere Möglichkeit, einen Motor zu steuern, ist die Spannungsmodussteuerung.
In diesem Fall wird nicht der Strom überwacht, sondern die Spannung berechnet, die an den Motor angelegt werden muss, um den gewünschten Zielstrom zu erreichen. Dieser Artikel stellt die Vor- und Nachteile beider Methoden vor. Der Schrittmotortreiber powerSTEP01 von STMicroelectronicsist der einzige Treiber auf dem Markt, der für beide Methoden programmiert werden kann.
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Bei einer Motorkonstruktion können die elektrischen Spezifikationen des Motors als eine Induktivität dargestellt, eine Widerstand und eine Gegen-EMK dargestellt werden, wie in Abbildung 1 gezeigt. Ein bidirektionaler Schrittmotor liegt an einer Doppel-H-Brücke. An beide Brücken sind mit einer Phasendifferenz von 90 Grad dieselben Signale angelegt. Daher konzentrieren wir uns nur auf eine H-Brücke.
Abbildung 1
In der Strommodussteuerung wird der Strom mit einem Shunt-Widerstand unten an der H-Brücke (siehe Abbildung 2) gemessen. Die darüber abfallende Spannung wird einem A-D-Wandler zugeführt.
Abbildung 2
Basierend auf dieser Spannung werden verschiedene Aktionen ausgelöst, wie in Abbildung 3 zusammengefasst. Falls die Spannung über einem bestimmten Schwellenwert liegt, muss sie abgesenkt werden. Wenn der Strom langsam abnehmen muss, wird dies durch Rezirkulieren des Stroms an der unteren Seite (bzw. oberen Seite) der Brücke erreicht. Ein schnelles Absenken wird durch Anlegen einer negativen Spannung an die Spule erreicht. Nach kurzer Zeit muss der Strom ansteigen, sodass eine positive Spannung an den Motor angelegt wird. Der Strom schwankt dann um den Zielwert, bis ein neuer Wert programmiert wird.
Abbildung 3
Dann müssen die folgenden Probleme mit der Strommodussteuerung gelöst werden:
– Notwendigkeit langsamer und schneller Absenkungen in demselben Zyklus.
– Algorithmus für das Abkling-Timing. Da sich die Gegen-EMK mit der Geschwindigkeit ändert, muss sich auch das Timing der Absenkung ändern. Abgesehen davon ist beim Mikrostepping der Schrittwert unterschiedlich, sodass bei jedem Mikroschritt ein anderes Timing erforderlich ist. Selbst bei optimiertem Timing ist der Strom verrauscht und verhindert eine genaue Positionierung.
– Mit dem Timing ändert sich auch die Frequenz, die bis in den hörbaren Bereich des Audiospektrums absinken kann. Das ist für viele Anwendungen natürlich nicht akzeptabel.
– Notwendigkeit von Shunt-Widerständen. Bei hohen Strömen sind Shunt-Widerstände groß und teuer.
Die Spannungsmodussteuerung löst diese Probleme. Wie bereits gezeigt, kann der Motor in eine Induktivität und einen Widerstand mit festen Werten zerlegt werden. Die Gegen-EMK hängt von der Drehzahl des Motors ab. Je nach Motordrehzahl verhält sich das System wie eine Widerstandsschaltung (bei niedriger Geschwindigkeit) oder als eine induktive Schaltung (bei hoher Drehzahl). Bei einem Sollstrom Iph_target berechnet sich die anzulegende Spannung nach den folgenden Gleichungen:
Dabei ist Ke die elektrische Konstante des Motors in V/Hz und fel ist die elektrische Frequenz in Hz.
In diesem Modus wird die Spannung als pulsbreitenmoduliertes Signal mit einer festen Frequenz angelegt. In den meisten Systemen handelt sich dabei um eine Frequenz von 20 kHz über dem hörbaren Bereich des Audiospektrums. Als Folge davon gibt es keine kombinierte Absenkung, die abgefangen werden muss, und das System läuft gleichmäßiger, lässt sich genauer positionieren, ermöglicht eine Blockiererkennung und bessere Drehmomentsteuerung bei niedriger Drehzahl. Leider gerät jeder Schrittmotor bei verschiedenen Geschwindigkeiten in Resonanz. Die Spannungsmodussteuerung zeigt Schwächen, wenn der Dämpfungsanteil in der Regelstrecke nicht hoch genug eingestellt ist. Wenn Schwingungen auftreten und der Strom nicht überwacht wird, ist die Gegen-EMK nicht mehr vorhersagbar. Konstruktionsbedingt können Frequenz und Spannung nicht geändert werden. Daher folgt die Phasenlage des Stroms den flackernden Bewegungen der gegen-EMK, was zu unkontrolliertem Drehmoment und möglicherweise zum Stillstand führt.
Abbildung 4 veranschaulicht den Unterschied der beiden Ansteuerungsmodi. Die Ausgangsspannungen der H-Brücke sind blau und grün dargestellt, der Motorstrom ist braun. Wenn sich Blau und Grün bei Stromsteuerung gegenseitig sperren, entsteht eine Mischung aus langsamer und schneller Absenkung. Im Gegensatz dazu findet im Spannungsmodus nur eine langsame Absenkung statt, um den Strom zu korrigieren.
Abbildung 4
Zusammenfassend lässt sich sagen: Je nach Anforderung sind Spannungs- oder Strommodussteuerung mehr als ausreichend. Bei niedrigen Drehzahlen ist die Spannungsmodussteuerung günstiger. Bei hohen Geschwindigkeiten oder wenn der Motor Resonanzphasen durchlaufen muss, ist der aktuelle Modus besser geeignet. Der powerSTEP01 von STMicroelectronics ist programmierbar, um Schrittmotoren in beiden Modi ansteuern zu können. Dies ermöglicht Designs vielseitiger Plattformen.