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Die Serie über spezielle Ansteuerungsverfahren von Schrittmotoren geht weiter und widmet sich den Schaltungsstrukturen.
Schaltungsstruktur einer Hardware-Lösung.
Signalabläufe vom Start bis zur Anlauffrequenz.
Signalabläufe während der Beschleunigung bis zur Zielschrittfrequenz
Signalabläufe während des Laufes mit der Zielschrittfrequenz und bei Überlast

Die allgemeine Schaltungsstruktur ist in einer vereinfachten Form in der Abbildung 1 dargestellt. Für den Schrittmotor werden durch einen Mikroprozessor und durch die entsprechende Firmware die Schrittfrequenzen und die Schrittzahlen vorgegeben. Es ist erforderlich, dass dazu die Chopperimpulse (CHA, CHB) zur Bewertung als logische Signale vorliegen. Die Bewertung der Dauer der Chopperimpulse kann durch die Hardware oder durch die Firmware erfolgen.

Allgemeine Schaltungsstruktur

Die Wicklungen des Schrittmotors werden in bekannter Weise durch die Leistungsendstufen (Motor Driver IC A/B) angesteuert. Die Amplituden der Motorströme werden durch die Signale CURR_A und CURR_B bestimmt. Die Signale CURR_A und CURR_B können dabei analoge Signale sein, die die Stromamplitude stetig zwischen Null und Imax steuern, es können aber auch Signalgruppen sein, die logische Pegel haben und die Stromamplituden in fest abgestuften Werten einstellen. Die Signale PHA und PHB bestimmen die Stromrichtung in den Motorwicklungen. Die Signale CHA und CHB sind die logischen Chopperimpulse, die aus den Ausgangsspannungen der Leistungsendstufen abgeleitet werden müssen, und die zur Bewertung der Impulsbreiten benötigt werden. Gegenwärtig sind keine Ansteuerschaltkreise bekannt, die die Chopperimpulse (CHA, CHB) als logische Signale bereitstellen. Die Firma Trinamic Motion Control entwickelt und liefert Ansteuerschaltkreise für Schrittmotoren sowie kundenspezifische Komplettlösungen. Das Unternehmen ist dabei, sich sowohl mit Einzelkomponenten als auch mit Gesamtlösungen zur Ansteuerung von intern kommutierten Schrittmotoren zu beschäftigen. Die Signale DIR, LSTIM, HSTIM, STEPR, RESET und INTCOM sind interne Signale, die im Fall der Steuerung durch Hardware benötigt werden und die zur Erläuterung der internen Steuerabläufe hilfreich sind.

Erzeugung der logischen Choppersignale

Solange keine Motortreiberschaltkreise zur Verfügung stehen, die die Chopperimpulse als logische Signale anbieten, ist es die einfachste Möglichkeit, die Chopperimpulse aus den Ansteuerspannungen für die Motorwicklungen abzugeleiten, wie es in Abbildung 2 dargestellt ist. Zur Gewinnung der logischen Chopperimpulse wird jeder Motoranschluss über einen Spannungsteiler (R1/R2) mit dem nichtinvertierenden Eingang eines Komparators verbunden. Die invertierenden Eingänge der Komparatoren sind mit einer Komparatorspannung UKomp verbunden, die die Schaltschwelle für die Komparatoren definiert. Beim Choppern liegen je Endstufe entweder die Ausgänge MA oder MB auf einem hohen Pegel und an dem jeweils anderen Ausgang schaltet die Ausgangsspannung zwischen einem niedrigen und einem hohen Spannungspegel. Haben die Komparatoren Ausgänge mit open collector, dann können die Ausgänge der Komparatoren je Motorwicklung in der dargestellten Weise als Oderfunktion zusammengeschaltet werden. Durch eine Invertierung der Chopperinformation werden die Choppersignale in der Form gewonnen, dass für die Signale CHA und CHB die Stromanstiegszeit und die Impulse während der Zeit timp als positive Impulse erzeugt werden.

Schaltungsstruktur einer Hardware Lösung

Der Steuerkomplex zur Steuerung eines intern kommutierten Schrittmotors ist in Abbildung 3 aufgezeigt und kann in die dargestellten Funktionskomplexe aufgeteilt werden. Über das Signal RESET können alle Schaltungskomplexe in einen definierten Ausgangszustand gesetzt werden. Der Schaltungskomplex zur Erzeugung der Phasensignale PHA, PHB und STEPR (stepp ready) wird eingangsseitig von den Signale LSPTIM, HSPTIM, INTCOM und DIR gesteuert. Das Signal DIR (direction) definiert die Drehrichtung für den Motor, und die Signale PHA, PHB bestimmen die Stromrichtungen in den Motorwicklungen.

Ein L/H-Übergang des Signals LSPTIM (Low Speed Timer) erzwingt ohne Zusatzbedingung eine Wicklungsfortschaltung durch die Signale PHA und PHB. Das Signal LSPTIM überträgt zusätzlich durch die Dauer des High-Impulses an die Bewertungsschaltung zur Bewertung der Dauer der Chopperimpulse die Zeit tx, auf die jeder Chopperimpuls zu überprüfen ist und die als Einschaltkriterium für das Signal INTCOM gilt. Die Bewertungszeit tx, die als Einschaltkriterium für das Signal INTCOM gilt, kann mit jedem Impuls des Signals LSPTIM geändert werden.

Die Zeit tx, die durch LSPTIM als Einschaltkriterium für das Signal INTCOM übertragen wurde, ist dann in der Bewertungsschaltung für die Chopperimpulse solange zu speichern, bis ein erneuter Impuls des Signals LSPTIM übertragen wird. Über das Signal LSPTIM wird der Motor gestartet und über eine Beschleunigungskurve in die Anlauffrequenz fAnlauf gesteuert, gleichermaßen wird die Bremskurve des Motors über das Signal LSPTIM gesteuert.

Das Signal HSPTIM (high speed timer) gibt die Zielfrequenz für den Motor vor. Die low-Zeit von HSPTIM enthält die Schrittzeit für die Zielfrequenz. Nur wenn beide Signale, HSPTIM und INTCOM high sind, erfolgt eine Wicklungsfortschaltung. Während der Beschleunigung und während einer Überlast für den Motor ist der High-Speed-Timer abgelaufen, bevor das Signal INTCOM gebildet wird und nach high schaltet.

Läuft der Motor mit der Zielschrittfrequenz, so schaltet das Signal INTCOM vor dem Ablauf des High-Speed-Timers bereits nach high. Jeder L/H-Wechsel der Timersignale LSPTIM oder HSPTIM bewirkt, dass das Signal STEPR nach high geschaltet wird, und jeder Wechsel der Signale PHA oder PHB bewirkt, dass STEPR wieder zurück nach low geschaltet wird. Läuft der Motor mit der Zielfrequenz, dann ist aus dem Tastverhältnis des Signals INTCOM die Momentreserve des Motors ableitbar. Die Signale CHA und CHB sind die logischen Choppersignale, deren Chopperimpulsbreiten timp durch die Bewertungsschaltung bewertet werden. Das Signal PHAB schaltet mit jedem Wechsel der Signale PHA oder PHB und definiert, welches der Phasensignale PHA oder PHB zuletzt gewechselt hat, und es bestimmt damit, welches Choppersignal durch die Bewertungsschaltung zu bewerten ist. Da zum Zeitpunkt einer Wicklungsumschaltung in beiden Motorwicklungen das Choppern asynchron abläuft, darf durch die Auswahlschaltung für die Chopperimpulse nicht einfach

zwischen den Chopperimpulsen CHA und CHB umgeschaltet werden. Um zu verhindern, dass beim Umschalten nur ein Teil eines Chopperimpulses der Bewertungsschaltug zugeführt wird, muss beim Umschalten eine Totzeit eingefügt werden, und es muss gewährleistet sein, dass die Bewertungsschaltung nur komplette Chopperimpulse bewertet. Die Bewertungsschaltung für die Dauer der Chopperimpulse bewertet jeden Chopperimpuls, ob die vorgegebene Impulszeit tx unterschritten ist oder nicht.

Wurde die vorgegebene Impulszeit tx erstmals unterschritten, dann wird das Signal INTCOM eingeschaltet, und es erfolgt bis zum zugehörigen Wechsel des Signals PHA oder PHB keine weitere Bewertung der Zeiten der Chopperimpulse. Das Einschalten des Signals INTCOM und das Ende der Timerzeit des High-Speed-Timers sind die Bedingungen für den Wechsel der Phasensignale PHA oder PHB. Für das Einspeichern der vorgegebenen Vergleichszeit tx und zur Bewertung der Zeiten der Chopperimpulse ist ein Takt erforderlich, der durch einen Taktgenerator erzeugt wird. Anstelle eines gesonderten Taktgenerators kann auch ein extern verfügbarer Takt genutzt werden. Die erforderliche Taktfrequenz muss so hoch sein, dass die Chopperimpulse mit einer hinreichenden Genauigkeit bewertet werden können. Vorteil einer Hardware Lösung ist, dass alle Abläufe in Echtzeit ablaufen und dass der Mikroprozessor durch das Bewerten der Chopperimpulse nicht so stark belastet wird.

Software-Lösung zur Erzeugung des Signals INTCOM

Der gesamte Steuerablauf zur Erzeugung des Signals INTCOM und zur Steuerung der Phasensignale PHA und PHB kann ebenfalls durch Mikroprozessoren erfolgen. Die Steuerabläufe müssen aber exakt den Abläufen entsprechen, die im nachfolgenden Punkt beschrieben sind. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, dass die Bewertung der Chopperimpulse und die Erzeugung des Signals INTCOM, sowie die Steuerung der Phasensignale PHA, PHB dann durch einen Subprozessor übernommen wird.

Steuerabläufe

Die Abbildung 4 zeigt, dass, solange der Motor steht, beide Timersignale LSPTIM und HSPTIM low sind, es erfolgt keine Wicklungsfortschaltung. Der Motor wird dann über den Low-Speed-Timer (LSPTIM) gestartet. Jeder L/H-Übergang des Signals LSPTIM führt ohne Zusatzbedingung zu einer Wicklungsfortschaltung durch die Signale PHA und PHB.

Der L/H-Übergang des Signals LSPTIM schaltet auch das Signal STEPR nach high. Ist die Wicklungsfortschaltung durch den Wechsel der Signale PHA oder PHB erfolgt, dann wird auch das Signal STEPR wieder nach low geschaltet. Über das Signal LSPTIM kann eine beliebige Beschleunigungskurve realisiert werden, so dass der Motor mit einer optimalen Dynamik in die Anlauffrequenz fAnlauf gestartet werden kann. Während des Starts und des Laufs in die Anlauffrequenz bleibt das Timersignal HSPTIM konstant auf low.

Die letzte Schrittzeit für den Anlauf des Motors beträgt tanl und wird durch den Low-Speed-Timer bestimmt. Die Beschleunigungsphase und der Lauf mit der Zielfrequenz, zu der die Schrittzeit tz gehört, wird durch den High-Speed-Timer (HSPTIM) gesteuert. Die Schrittzeit tz des High-Speed-Timers hat bei einer festen Zielfrequenz vom Beginn der Beschleunigungsphase bis zum letzten Schritt mit der Zielschrittfrequenz stets den gleichen Wert. Die Beschleunigungsphase ist dadurch gekennzeichnet, dass die Zeit tz des High-Speed-Timers abgelaufen ist, bevor der L/H-Übergang von INTCOM auftritt. Erst wenn beide Signale, HSPTIM und INTCOM high sind, erfolgt die Wicklungsfortschaltung durch eines der Signale PHA oder PHB. Die Zielschrittfrequenz ist dann erreicht, wenn das Signal INTCOM vor Ablauf der Zeit tz des High-Speed-Timers bereits high ist Parallel zum High-Speed-Timer ist stets der Low-Speed-Timer erneut zu starten, damit in dem Fall, dass das Signal INTCOM nicht oder nicht rechzeitig gebildet wird, eine Wicklungsfortschaltung erzwungen wird.

Solange die Bedingung zum Einschalten des Signals INTCOM erfüllt ist, bevor die Timerzeit tz für die angesteuerte Zielschrittfrequenz abgelaufen ist, läuft der Motor mit der Zielschrittfrequenz. Tritt eine Überlast für den Motor auf, dann ist die Timerzeit tz bereits abgelaufen, bevor die Bedingung zum Einschalten des Signals INTCOM gegeben ist. In diesem Fall reduziert sich selbständig die Schrittfrequenz für den Schrittmotor. Die gestrichelten Linien im Signal des Low-Speed-Timers deuten an, dass parallel zu jedem Start des High-Speed-Timers auch der Low-Speed-Timer erneut mit der Zeit tanl gestartet wird. Wird aufgrund einer Überlast bis zum Ablauf der Zeit tanl des Low-Speed-Timers das Signal INTCOM nicht eingeschaltet, so wird für das Signal LSPTIM ein Impuls generiert, der ohne weitere Zusatzbedingung zu einer Wicklungsfortschaltung führt.

Die Steuerung ist somit in der Lage, ohne Sonderroutinen durch die Firmware auf eine Überlastung des Motors zu reagieren, ohne dass Schritte verloren gehen. Die Überlastung des Motors führt dazu, dass sich die Schrittfrequenz selbständig soweit reduziert, bis sich das Motormoment und das Lastmoment für den Motor im Gleichgewicht befinden. Das Lastmoment darf jedoch nicht soweit ansteigen, dass sich die Schrittfrequenz unter die Anlaufschrittfrequenz fAnlauf reduziert. Während der Steuerung des Motors mit der Zielschrittfrequenz kann die vorgegebene Schrittzeit tz geändert werden. Das System reagiert auf eine Änderung der vorgegebenen Schrittzeit tz derart, dass in kürzester Zeit die geänderte Zielschrittfrequenz erreicht wird. Es gibt dabei keine Einschränkungen, ob es sich um eine Erhöhung oder Reduzierung der Zielschrittfrequenz handelt.

Bremsen

Das Abbremsen des Motors erfolgt mittels einer Bremskurve durch das Signal LSPTIM. Während des Abbremsens bleibt das Signal HSPTIM konstant auf low.

Literatur: [1] Patentschrift DE 196 09 803 C1