Schrittmotoransteuerungen mit interner Kommutierung (Teil 1)

Die Encoder selbst und die Justage der Encoder zu den Polen des Schrittmotors stellen aber einen Kostenfaktor dar, der nicht zu vernachlässigen ist. Deshalb wurde ein Ansteuerverfahren für Schrittmotoren entwickelt, bei dem ohne einen Encoder ebenfalls eine Überlastung des Motors ohne Schrittverlust möglich ist. Außerdem kann das Beschleunigen in die Zielschrittfrequenz ebenfalls mit dem maximalen Motormoment ohne Vorgabe einer Beschleunigungskurve erfolgen. Die Abb. 2 zum Funktionsprinzip zeigt die Positionen der Magnetpole des Motors, die Variation des Wertes der Induktivität der Motorwicklungen, den Momentverlauf und die Charakteristik der Chopperimpulse während der Ansteuerzeit einer Motorwicklung. Die Motorwicklung wird eingeschaltet, wenn sich die Magnetpole des Motors in der dargestellten Position (1) befinden.
Durch den Winkelversatz der Positionen der Pole des Rotors und des Stators erzeugt der Motor mit zunehmender Strom-amplitude ein Moment, das bis zum Maximum +Mx ansteigt. Der Wert der Wicklungsinduktivität (Lmin.) ist in der Position (1) der Pole relativ klein. Der Strom steigt stetig an, bis der konzipierte Maximalwert des Stromes erreicht ist. Sobald dies geschen ist, beginnt das Choppern, das heißt, die Stromzufuhr in die Motorwicklung wird für eine definierte toff-Zeit unterbrochen. Während der toff-Zeit fließt der Strom in den Motorwicklungen über die Freilaufdioden weiter. Durch die elektrischen Verluste sinkt der Strompegel in den Motorwicklungen während der toff-Zeit etwas ab, sodass nach dem Ende der toff-Zeit für die Dauer von timp erneut Strom in die Motorwicklung fließt, bis der definierte Maximalstrom wieder erreicht ist, dann wird die Stromzufuhr erneut für die Dauer der toff-Zeit unterbrochen. Bewegen sich die Pole des Motors in die dargestellte Position (2), dann nimmt der Wert der Induktivität zu, sodass im Magnetsystem mehr Energie gespeichert ist. Dadurch wirken sich die Verluste während der toff-Zeit nicht so stark aus, so- dass die Impulszeit timp zunehmend kürzer wird. Befinden sich die Pole in Position (2), dann stehen sich die Pole optimal gegenüber, sodass der Motor durch diese Pole kein Moment mehr erzeugt. Bewegen sich die Pole weiter in Richtung der dargestellten Position (3), dann erzeugt der Motor ein zunehmendes negatives Moment, und der Wert der Induktivität nimmt stetig wieder ab. Durch die Gleichung für die im Wicklungssystem gespeicherte Energie:

ist ersichtlich, dass sich bei abnehmendem Wert der Induktivität der Faktor I2 und damit die Stromamplitude in der Motorwicklung erhöht. Das hat zur Folge, dass nach Ablauf der toff-Zeit der Wicklungsstrom bereits über der vorgegebenen Stromamplitude liegt, sodass die toff-Zeit sofort wieder gestartet wird. Die Abb.1 zum Funktionsprinzip zeigt, dass mit abnehmender Induktivität der Strom bei der Bewegung aus Position (2) in Position (3) stetig zunimmt. Die- Abb.1 zeigt weiterhin, dass während der Bewegung der Pole aus der Position (2) in die Position (3) der Motor ein negatives Moment erzeugt. Soll durch den Motor beschleunigt werden, dann kann die nächste Wicklung des Motors bereits eingeschaltet werden, wenn sich die Pole in Position (2) befinden. Da die Impulsbreite timp während der Einschaltdauer der Wicklung und der Bewegung der Pole von der Position (1) in die Position (3) stetig kürzer wird, kann eine Impulsbreite tx definiert werden, bei der sich die Pole der eingeschalteten Motorwicklung etwa in der Position (2) befinden. Das Grundprinzip dieses Verfahrens ist, dass die Dauer timp eines jeden Chopperimpulses gemessen und mit einer definierten Impulsbreite tx verglichen wird. Unterschreitet die Dauer der Chopperimpulse timp erstmalig die definierte Dauer tx, so wird das Signal Intcom eingeschaltet. Ist das Signal Intcom eingeschaltet, so kann bei Bedarf die nachfolgende Wicklung oder Wicklungskombination bereits eingeschaltet werden. Dieses Steuerverfahren erfordert, dass sich der Rotor mit einer Mindestdrehzahl dreht, damit über die Variation des Wertes der Induktivität das Signal Intcom gebildet werden kann. Sinkt der Strom in den Motorwicklungen während der toff-Zeit aufgrund der elektrischen Verluste schneller ab als die Verringerung des Wertes der Induktivität während der Bewegung aus der Position (2) in die Position (3), dann nimmt die Impulszeit timp nicht in dem Maß ab, dass ein eindeutiges Signal Intcom gebildet werden kann.

Belastungsbereich von intern kommutierten Schrittmotoren

Das Diagramm in Abb.2 zeigt den allgemeinen Verlauf der Pull-Out-Kennlinie für einen Schrittmotor. Für eine Ansteuerung von Schrittmotoren in offener Steuerkette (open loop) dürfen nur 50% des Pull-Out-Momentes in die Momentberechnung eingehen. In offener Steuerkette darf dieser Schrittmotor bei der Frequenz fx nur maximal mit z. B. dem Nennmoment Mx belastet werden. Steigt die Belastung des Motors bis zum maximalen Moment Mmax an, dann besteht bei der Steuerung in offener Kette die Gefahr, dass der Motor Schritte verliert. Übersteigt bei der Ansteuerung in offener Steuerkette das Lastmoment Mmax, dann verliert der Motor in jedem Fall Schritte. Bei dem Verfahren der internen Kommutierung kann der Motor bei einer Frequenz von fx bis zum Erreichen des Pull-Out-Momentes Mmax belastet werden, ohne dass die unmittelbare Gefahr besteht, dass der Motor Schritte verliert. Für die Momentbetrachtungen bei der Ansteuerung über die interne Kommutierung können für dieses Steuerverfahren 80% des Pull-Out-Momentes eingesetzt werden. Übersteigt die Belastung des Motors das Moment Mmax, dann reduziert sich automatisch die Ansteuerfrequenz und das Moment des Motors nimmt aufgrund des Verlaufes der Pull-Out-Kennlinie zu, bis sich das Motormoment und das Lastmoment im Gleichgewicht befinden. Dieses Steuerungsverfahren gestattet somit eine Überlastung des Motors, ohne dass der Motor durch die Überlast außer Tritt gerät. Da dieses Steuerverfahren eine Mindestdrehgeschwindigkeit des Rotors verlangt, darf sich die Ansteuerfrequenz nur bis zur Startfrequenz fstart verringern, da bei einer niedrigeren Frequenz die Bildung des Signals Intcom nicht mehr gewährleistet ist.

Profil der Ansteuerfrequenzen für intern kommutierte Schrittmotoren

Für intern kommutierte Schrittmotoren ergibt sich ein Profil der Ansteuerfrequenzen, wie es in Abb. 3 dargestellt ist. Das Signal Intcom kann nur gebildet werden, wenn der Motor mit einer Mindestfrequenz (fAnlauf) läuft. Deshalb wird der Motor während des Anlaufs vom Stand in die Frequenz fAnlauf über eine definierte Beschleunigungskurve gesteuert. Hat der Motor die Anlauffrequenz fAnlauf nach einer vorgegebenen Schrittzahl erreicht, so wird die Bildung des Signals INTCOM freigegeben. Das Signal INTCOM meldet, dass die ideale Polüberdeckung erreicht oder überlaufen ist und dass die nächste Wicklung oder Wicklungskombination eingeschaltet werden kann. Der Motor beschleunigt in der Beschleunigungsphase bis zur Zielschrittfrequenz fx. Tritt, wie in Abb.3 dargestellt, eine Überlast (Kurve a oder b) auf, dann reduziert die Steuerung selbständig die Ansteuerfrequenz, bis sich das Lastmoment und das Motormoment im Gleichgewicht befinden. Entfällt die Überlast für den Motor wieder, dann erreicht der Motor automatisch wieder die vorgegebene Zielschrittfrequenz fx. Die Überlast darf soweit ansteigen, bis sich die Schrittfrequenz durch die Überlast bis zur Anlauffrequenz fAnlauf reduziert hat (Kurve b). Wird der Motor soweit belastet, dass sich die Frequenz für den Motor bis unterhalb der Anlauffrequenz fAnlauf reduziert, dann ist nicht mehr gesichert, dass das Signal Intcom gebildet wird. Die Steuerabläufe vom Beginn der Beschleunigung, beim Lauf mit der Zielfrequenz fx, zur Steuerung des Motors bei Überlast, bis zum Beginn des Bremsens sind stets gleich, sodass es auch für die Steuerung bei begrenzter Überlast keine Sonderroutinen durch die Firmware gibt. Tritt jedoch eine Überlast derart auf, dass sich die Ansteuerfrequenz bis unter die Anlauffrequenz (fAnlauf) reduziert, dann sind Sonderroutinen erforderlich.

Literatur: [1] Patentschrift DE 196 09 803 C1

Die Reihe wird mit dem Thema „Schaltungsstruktur“ in der nächsten Ausgabe fortgesetzt.

(hw)