Mit der Squirrel-Produktfamilie von dedizierten Motion-Controllern ermöglicht Trinamic das Design von Schrittmotor-Servoantrieben ohne langwierige und komplizierte Softwareentwicklung. So können hocheffiziente und präzise Antriebe mit der Verlässlichkeit erprobter Hardwarekomponenten innerhalb kürzester Zeit entwickelt werden. Integrierte Rampen-Controller reduzieren zusätzlich den Softwareaufwand und erlauben die Implementierung komplexer Multi-Achs-Systeme mit mehreren Motoren und mit nur einem einzigen Applikationsprozessor.

Eckdaten

Im Open-Loop-Betrieb angesteuerte Schrittmotoren können bei Drehmomentüberlastung die  Synchronisation verlieren und haben eine schlechte Energiebilanz. Der Motion-Controller TMC4361-LA  von Trinamic ermöglicht zusammen mit einem Lagegeber bei hohen Drehzahlen einen Closed-Loop-Servomotor-Betrieb und stoppt die Bewegung bei Erreichung der Zielposition starkt und präzise wie ein Schrittmotor. Bestehende Roboteranwendungen lassen sich so mit geringem Aufwand auf einen effizienteren Betrieb umrüsten.

Klassische Schrittmotorsteuerung

Der klassische Betriebsmodus für Schrittmotoren ist der Open-Loop-Betrieb, also ein Betrieb ohne Lagesensor und damit ohne Positionsrückmeldung. Durch die hohe Polpaarzahl und das große Drehmoment folgt der Rotor dem elektrischen Feld verlässlich und robust, solange der Motor innerhalb seiner Belastungsgrenzen betrieben wird, und das Lastmoment nicht das bereitgestellte Drehmoment überschreitet. Ab diesem Punkt verliert der Schrittmotor Schritte, oder bei hohen Drehzahlen sogar komplett die Synchronisation. Gleichzeitig haben Schrittmotorantriebe im Open-Loop-Betrieb auch eine sehr ineffiziente Energiebilanz, da stets der volle Zielstrom eingeprägt wird. Selbst in Situationen, wo nicht das volle Drehmoment (proportional zum Strom) benötigt wird.

Um in Grenzfällen einen sicheren Betrieb auch bei Überlastsituationen, oder bei hoher Drehzahl sicherzustellen, wurde in der Vergangenheit oft auf erheblich teurere Servomotoren, meistens Synchronmotoren mit Positionsgeber und Getriebe, zurückgegriffen. Mit immer günstigen Lagegebern wird es zunehmend attraktiv, Schrittmotoren auch in einem Closed-Loop-Modus zu betreiben. Das heißt, auf Basis des Lagegebers wird im ersten Schritt die Lage nachgeregelt. Schrittverluste bleiben nun nicht mehr unbemerkt und können korrigiert werden, das System wird also deutlich robuster gegenüber äußeren Einflüssen.

Der Motion-Controller TMC4361 lässt sich abhängig von der Steuerungsperipherie in vier unterschiedlichen Ansteuerungsarten beschalten und betreiben.

Der Motion-Controller TMC4361 lässt sich abhängig von der Steuerungsperipherie in vier unterschiedlichen Ansteuerungsarten beschalten und betreiben. Trinamic

Megatrend Servo-Stepper

Schrittmotoren haben bei niedrigen Drehzahlen ein deutlich höheres Drehmoment als Servomotoren vergleichbarer Baugröße. Servomotoren benötigen daher in vielen Anwendungsfällen ein zusätzliches Getriebe, welches jedoch aus vielerlei Hinsicht in vielen Anwendungen keine Option ist: ein Getriebe verursacht zusätzliche Kosten, benötigt Platz, ist ein mechanisches Verschleißteil, und reduziert die Effizienz des gesamten Systems. Allerdings schneiden im Open-Loop-Modus betriebene Schrittmotoren beim Energieverbrauch deutlich schlechter ab, als Servoantriebe, da stets der volle Strom eingeprägt wird.

Wenn nun also bereits ein hochauflösendes Positionsfeedback vorliegt, liegt es nahe, die Vorteile eines Schrittmotors mit denen eines Servoantriebes zu verbinden und den Stromvektor des Schrittmotors wie den eines Servomotors zu regeln. Genau dies tut Trinamic, ohne dabei auf die vorteilhaften Eigenschaften von Schrittmotoren zu verzichten.

Wie bei klassischen Servomotoren werden die Closed-Loop-Schrittmotoren typischerweise mit einer feldorientierten Regelung betrieben. Dazu wird mit einem hochauflösenden Lagegeber der Winkel des Rotors zum elektromagnetischen Feld des Stators bestimmt. Die Regelung stellt den Feldvektor nun so ein, dass der Rotor dem elektrischen Feld um 90 Grad nacheilt. Bei diesem Winkel kann der Motor bei gegebenem Strom das größte Drehmoment erbringen und hat den besten Wirkungsgrad.

Sinusförmige Rampemprofile beschleunigen Schrittmotoren optimal, ruckfrei und lastangepasst.

Sinusförmige Rampemprofile beschleunigen Schrittmotoren optimal, ruckfrei und lastangepasst. Trinamic

Schnell bewegen, stark und präzise stoppen

Allerdings brauchen die Algorithmen klassischer Servoregler per Definition eine Abweichung, um regeln zu können. In Folge dessen ergibt sich ein stärkeres Ein- beziehungsweise Überschwingverhalten. Es ist also stets ein Kompromiss zwischen möglichst schnellem Erreichen des Zielwertes und möglichst wenig Überschwingen zu finden. Im englischsprachigen Raum nennt sich dieses Verhalten „null-hunt“ oder „hunting“. Vor allem in Systemen, in denen ein Losbrechmoment oder eine Haftreibung existieren, die deutlich größer sind als die Gleit- oder Rollreibung während der Fahrt, können sich erhebliche Schwingungen und auch Geräusche einstellen.

Nahe der Zielposition ist also das Verhalten eines klassischen Schrittmotors günstiger. Der Schrittmotor kann aufgrund seiner hohen Polzahl stets steif auf die Zielposition eingestellt werden. Eine Regelung ist an diesem Punkt nicht notwendig, da im Stillstand das größte Drehmoment zur Verfügung steht. Tatsächlich bietet ein Schrittmotor wenn er nicht rotiert, sondern still steht, sein größtes Drehmoment.

Servo-Regelung ohne Hunting

Trinamics  neuer Motion-Controller TMC4361-LA verbindet die Vorteile beider Motorsteuerungen. Nahe der Zielposition wird die Servo-Regelung automatisch zurückgefahren. Der Motor verhält sich wie ein klassischer Schrittmotor und wird gesteuert betrieben, trotzdem wird aber weiterhin die Geberposition überwacht. Erst wenn der Winkel ein einstellbares Fenster um die aktuelle  Zielposition herum verlässt, wird die Regelung wieder hochgefahren. So kann ohne eine Regelschwingung anzuregen der Motorstrom im Stillstand auf das notwendige Maß reduziert werden. Der Energieverbrauch wird gesenkt, das System ist verlässlich und dynamisch wie ein Servo aber auch steif wie ein Schrittmotor.

Ebenfalls integriert in diese Trinamic-Bausteinfamilie ist ein Real-Time-Rampencontroller für Trapez, oder S-förmige Rampen, welcher es erlaubt alle relevanten Rampenparameter online während der Bewegung zu verändern, sodass die Änderungen während der aktuellen Fahrt übernommen werden. Der Anwender muss also weder die Regelung selbst implementieren, noch die Rampen programmieren. Damit lässt sich ein High-End-Servo-Stepper innerhalb kürzester Zeit und ohne langwierige Softwareentwicklung und -validierung umsetzen. Dies reduziert die Time-to-Market (TTM), reduziert die Total Cost of Ownership (TCO) und erhöht damit das Return-of-Investment (ROI). Der Microcontroller muss lediglich noch die Initialisierung übernehmen und anschließend Zielpositionen übergeben. So können auch mit kleinen Controllern auf einfache Art mehrachsige Systeme realisiert werden.

Das Motion-Controller-Testboard TMC4361-EVAL (Mitte)
lässt sich mit weiteren Driver-Evaluation-Kits kominieren. Damit ist eine einfache und schnelle Motorinbetriebnahme innerhalb weniger Minuten mit vollem Zugriff auf alle Register sowie Steuerungs- und Diagnose-Funktionen möglich.

Das Motion-Controller-Testboard TMC4361-EVAL (Mitte)
lässt sich mit weiteren Driver-Evaluation-Kits kominieren. Damit ist eine einfache und schnelle Motorinbetriebnahme innerhalb weniger Minuten mit vollem Zugriff auf alle Register sowie Steuerungs- und Diagnose-Funktionen möglich.
lässt sich mit weiteren Driver-Evaluation-Kits kominieren. Damit ist eine einfache und schnelle Motorinbetriebnahme innerhalb weniger Minuten mit vollem Zugriff auf alle Register sowie Steuerungs- und Diagnose-Funktionen möglich.
lässt sich mit weiteren Driver-Evaluation-Kits kominieren. Damit ist eine einfache und schnelle Motorinbetriebnahme innerhalb weniger Minuten mit vollem Zugriff auf alle Register sowie Steuerungs- und Diagnose-Funktionen möglich.
lässt sich mit weiteren Driver-Evaluation-Kits kominieren. Damit ist eine einfache und schnelle Motorinbetriebnahme innerhalb weniger Minuten mit vollem Zugriff auf alle Register sowie Steuerungs- und Diagnose-Funktionen möglich. Trinamic

Peripherie des TMC4361

Um den Strom entsprechend der Lastsituation anpassen zu können, benötigt der TMC4361-LA einen Schrittmotortreiber, bei dem der Strom über die SPI-Schnittstelle vorgegeben werden kann. Geeignet wäre hier beispielsweise die TMC262-Familie, welche mit verschiedenen Strom- und Spannungsvarianten nahezu alle typischen Leistungsklassen abdeckt. Darüber hinaus arbeitet der TMC4361-LA auch mit der neuen Generation smarter integrierter Schrittmotortreiber zusammen, zu der auch der TMC2130 gehört. Zusammen bilden sie ein aufeinander abgestimmtes Ökosystem. Als Positionsgeber können Inkrementalgeber mit a/b/n-Signalen verwendet werden, oder Absolut-Positionssensoren mit SPI. Für ein voll geregeltes Schrittmotor-Servo-System sind also nur wenige zusätzliche Komponenten gegenüber einem Open-Loop-System notwendig. Zusätzliche Softwareentwicklung fällt überhaupt nicht an.

Mit Blick auf einen typischen Schrittmotor mit 200 Vollschritten (entspricht 1,8° Vollschrittauflösung) eignen sich für eine derartige Regelung bereits Positionsgeber mit einer Auflösung von 10/11 Bit. Aufgrund der hohen Polzahl werden aber Geber mit 14 bis 15Bit (das entspricht 32.768 Positionen) oder mehr empfohlen, um einen geschmeidigen Lauf und eine feine Regelung zu realisieren. Der TMC4361-LA kann dabei mit binären oder dezimalen Encodern arbeiten.

Wie alle Trinamic-IC steht auch ein Motion-Controller-Testboard zur Verfügung, das zur Evaluierung oder auch zur Parametrierung der Anwendung verwendet werden kann. Das modulare Entwicklungssystem Landungsbrücke erlaubt eine Evaluierung mit verschiedenen Endstufen und Prozessoren ohne erneutes Layout. Die Boards sind als optimierte Referenzdesigns ausgelegt. Schaltpläne und Layouts stehen als E-CAD-Daten im Eagle-Format (Cadsoft) oder PDF zur Verfügung und stehen unter Open-Source-Lizenz, die es erlaubt, die Designs ohne weiteres in kommerzielle Produkte zu übernehmen.

Darüber hinaus bietet Trinamics neue Motion-Controller-Familie alle erdenklichen Features im Bereich von Motion-Control-Systemen und stellt somit am Markt die am weitesten integrierten Bausteine dieser Art für Embedded-Motion-Control-Applikationen dar.