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Die vorliegende Erfindung betrifft
ein Verfahren zur Schrittmotoransteuerung zum Schutz vor mechanischem
Blockieren, insbesondere bei Referenzfahrten.
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Schrittmotoren finden Verwendung
in Baugruppen und Modulen in den Bereichen der Automobil- oder Bürokommunikation,
der Medizintechnik, des Werkzeugbaus, der Konsumelektronik, der
Gebäudeausrüstung oder
Messtechnik. Sie sind damit ein geeigneter Antrieb zur Umsetzung
digitaler Informationen in mechanische Bewegung.
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Durch die rasche Entwicklung der
Halbleiterindustrie, insbesondere durch die größere Vielfältigkeit der Transistoren,
Dioden und integrierten Schaltungen, werden Schrittmotoren nicht
nur in preisempfindlichen Anwendungen eingesetzt, sondern auch dort,
wo das mechanische Kommutierungssystem der Gleichstrommotoren die
Zuverlässigkeit
oder Lebensdauer eines Antriebes begrenzen.
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Die Steuerung von Drehzahl und Position des
Rotors erfolgt in einer offenen Steuerkette. Zur Ansteuerung werden
bipolare Treiber-IC als auch diskrete unipolare Transistoren eingesetzt.
Die Steuereinheit kann damit immer die aktuelle Position des Rotors
ermitteln und in Abhängigkeit
des Ergebnisses der Auswertung gezielt neue Positionen anfahren.
Die Positionierung macht jedoch die Erfassung einer Null- oder Referenzposition
erforderlich. Antriebssysteme führen
deshalb nicht nur nach dem Systemstart, sondern auch im Lastbetrieb
bei der Gefahr von prozessabhängigen
Blockierungen oder bei Schrittverlusten durch Überlastung eine Referenzierung
durch.
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Zur Erfassung der notwendigen Referenzposition
repräsentieren
mehrere Lösungsvorschläge den Stand
der Technik.
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Bekannt ist der Einsatz von Endlagen-
oder Positions-Referenzsensoren, die ein präzises Anfahren der Referenzposition
ermöglichen.
Nachteilig bei diesem geschlossenen Regelkreis mit Signalrückführung wirken
sich jedoch der erhöhte konstruktive
Aufwand für
die Systemintegration sowie die Investitionskosten der Sensoren
selbst aus.
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Bekannt ist eine weitere Methode,
bei der der Rotor gegen einen konstruktiven Anschlag gefahren wird.
Als Nachteile sind hierbei die mechanische Belastung, der erhöhte Verschleiß und die
Gefahr des mechanischen Klemmens zu nennen. Insbesondere bei nachgeschalteten
Spindel-Mutter-Systemen, bei denen die Rotation des Antriebes in
eine Translation umgeformt wird, sinkt die Zuverlässigkeit
des Antriebes nachhaltig. Kennzeichnend bei dieser Art der Referenzierung
ist, dass der Rotor dem Ständerfeld
des Schrittmotors nach dem Erreichen des konstruktiven Anschlags
nicht mehr folgen kann und ständig
einer ungewünschten
Sequenz einer freien Läuferbewegung,
des Erreichens des Anschlags, des Verharrens am konstruktiven Anschlag
und dem sich anschließenden
Rückschwingens
unterliegt. Ohne die Gegeninduktion des sich frei drehenden Rotors
treten im normalen Voll- und
Halbschritt bei der Konstantspannungsansteuerung hohe Beschleunigungen
des Rotors auf. Die dabei auftretenden Maximalwerte der kinetischen
Energie sind ursächlich
für das
Verklemmen und Blockieren des umgebenden Gesamtsystems bekannt.
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Eine Möglichkeit, die hohen Beschleunigungen
des Läufers
zu verhindern, ist der Einsatz der Schrittmotoren im Konstantstrommodus,
respektive Chopperbetrieb, bei niedrigen Betriebsfrequenzen. Auch
hierbei sind Maximalwerte der kinetischen Energie zu verzeichnen,
welche z.B. mittels Mikroschrittbetrieb reduziert werden müssen.
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In Auswertung vorgenannter, bekannter
Lösungen
muss festgestellt werden, dass alle Verfahren mit erhöhtem konstruktiven
Mehraufwand verbunden sind bzw. die Zuverlässigkeit des Antriebs über die
angestrebte Nutzungsperiode in Abhängigkeit des Lastspiels sinkt.
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Aufgabe der Erfindung muss es deshalb sein,
ein Verfahren zum Schutz vor mechanischem Blockieren von Schrittmotoren,
insbesondere beim Referenzieren zu entwickeln, das einerseits kostengünstig und
zuverlässig
ist und andererseits problemlos in die bestehende Ansteuerkette
integriert werden kann. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch
die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst;
die Unteransprüche
zeigen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
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Nach dem Konzept der Erfindung wird
eine Pulsweitenmodulation (PWM) zur Steuerung und Reduzierung des
Motormomentes sowie der kinetischen Energie des Rotors mit einer
konventionellen Treiberendstufe für Schrittmotoren betrieben.
Vorrangig finden vor allem unipolare Schrittmotoren mit 4 Spulen
Verwendung.
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Die Steuerung des Drehmomentes in
Abhängigkeit
von der Motorversorgungsspannung, in einer erweiterten Variante
z.B. auch von der Motortemperatur, wird durch den Einsatz dieser
Pulsweitenmodulation realisiert und ist damit Grundlage für das erfindungsgemäße Verfahren.
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Die Motorspannung UMot,DC unterliegt
teilweise großen
Schwankungen und bedingt damit die großen Unterschiede in den Drehmomenten
an der Welle des Schrittmotors. Der Analog-Digital-Wandler des Mikrocontrollers
erfasst die der Motorspannung äquivalente
Messspannung als Eingangsgröße und ermittelt
daraus kontinuierlich die PWM-Parameter, mit der die den Transistoren
vorgeschalteten Gatter beaufschlagt werden. Die Transistoren werden
hierbei als Schalter verwendet. Die zeitlich versetzten Impulse
zur Ansteuerung jeder einzelnen Spule werden durch eine Modulation
erfindungsgemäß „zerhackt" und
der vorhandenen Impulsverteilung überlagert. Die Generierung
des „zerhackten
Impulsmusters" für die
4 Spulen des unipolaren Schrittmotors wird durch eine übergeordnete
Interruptroutine des Mikrocontrollers erzeugt. Dabei werden die
einzelnen Phasensignale für
die jeweilige Spule durch eine logische UND-Verknüpfung, Hardware
und/oder Software basierend, mit dem PWM-Signal verknüpft. Die
Schaltfrequenzen liegen im Frequenzbereich oberhalb von 16 kHz,
um Geräuschemissionen
für den
vom Menschen hörbaren
Bereich zu vermeiden. Die Periodendauer der Modulation des Tastverhältnisses
tON/tZyklus, die
durch die Einschaltdauer tON und die Pausendauer
tOFF gekennzeichnet ist, wird als 16 kHz-Zyklus tZyklus bezeichnet.
Zur Sicherstellung einer Kraftreserve beim Herausfahren des Motors
wird ein maximales Tastverhältnis
tON/tZyklus der
PWM von 65 bis 75% des 16 kHz-Zyklus tZyklus angestrebt.
Mit zunehmender Versorgungsspannung UMOT,DC steigt
entsprechend der Motorspezifik das Drehmoment an der Antriebswelle
bei einem konstanten Verhältnis
von tON/tZyklus. Der
Mikrocontroller ermittelt in diesem Fall die neuen PWM-Parameter
und verringert das Tastverhältnis von
tON/tZyklus, um
konstante Drehmomente für
die regelmäßigen Betriebsvorgänge
- – „normale"
Fahrt, vorwärts
- – „normale"
Fahrt, rückwärts
- – Referenzfahrt
in den Anschlag
- – Fahrt
aus dem konstruktiven Anschlag
zu realisieren. Praktische
Untersuchungen belegen die Notwendigkeit einer Kraftreserve von
bis zu 50% für
die Fahrt aus dem Anschlag heraus. Bei der Fahrt aus dem Anschlag
wird die Drehrichtung invertiert und der Motor ohne PWM mit maximalem
Drehmoment, d.h. tON/tZyklus =
1, betrieben und vorzugsweise 10 Halbschritte aus der Endlage zum
Erreichen seiner Referenzposition herausgefahren. Erfindungsgemäß werden
durch diese Maßnahme
zusätzliche
mechanische Spannungen und Blockierungen bei starken Temperaturwechseln
verhindert. Die Referenzposition befindet sich stets vor dem konstruktiven
Anschlag; bei Verwendung eines Saia-Burgess Linearstellers UBL – Schrittmotor
mit internem Spindel-Mutter-System 0,016mm/Schritt – liegt
die Referenzposition 0,167mm vom Anschlag entfernt.
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Die vorgestellte Lösung wurde
für den
praktischen Anwendungsfall, unter Berücksichtigung von Schrittverlusten
durch Überlast
bei einer Fahrt vorwärts,
entwickelt. Nur die Fahrt aus dem konstruktiven Anschlag wird ohne
PWM durchgeführt.
Jede Fahrt rückwärts muss
allerdings wie eine Referenzfahrt mit reduziertem Moment gesteuert
werden. Da dieser Vorgang jedoch nur wenige Millisekunden beansprucht,
kann der Schrittmotor für
PWM-Parameter bei normalem Betrieb ausgelegt werden.
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Nachstehend soll die Erfindung beispielhaft, anhand
nachstehend genannter Zeichnungen, näher erläutert werden.
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Dabei zeigen:
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1 Schaltung
zur Ansteuerung eines unipolaren Schrittmotors, Treiberstufe
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2 Impulsdiagramm,
Ansteuerung des unipolaren Motors im Vollschrittmodus ohne Fast-Pulsweitenmodulation
fs = Schrittfrequenz
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3 Impulsdiagramm,
Ansteuerung des unipolaren Motors im Vollschrittmodus mit Fast-Pulsweitenmodulation
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4 Oszillographenabbild,
praktische Messung im Halbschrittmodus, Darstellung der Spannung über dem
und des Stroms durch die Motorwicklung
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5 Diagramm
zur Darstellung der Abhängigkeit
des Drehmomentes von der Fast-Pulsweitenmodulation bei verschiedenen
Versorgungs-Spannungen
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1 zeigt
die Treiberstufe für
unipolare Schrittmotoren im Konstantspannungsmodus mit dem Schrittmotor 1 als
Vierphasenmotor und der Ansteuerung 2 in seiner schalttechnischen
Darstellung. Die Spulen 1.1 des Motors 1 werden
durch die anliegende Motorspannung UMOT,DC 6 versorgt.
Die Ansteuersignale 4 für
die unipolaren Leistungstransistoren 2.2 werden durch den
Mikrocontroller 3, in Abhängigkeit der Schrittfrequenz
und der gemessenen Spannung UMess 7 am
Eingang des Mikrocontrollers 3, geschaltet.
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2 zeigt
die Impulssequenz zur Ansteuerung des unipolaren Motors 1 im
Vollschrittmodus ohne Fast-Pulsweitenmodulation für die einzelnen Phasen.
Das elektrische Signal, das in Form einzelner Impulse für jede einzelne
Teilwicklung des Schrittmotors 1 vorliegt, realisiert eine
Drehbewegung des Rotors mit einem definiertem Schrittwinkel und
definierter Schrittfrequenz.
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3 zeigt
das Impulsmuster, welches durch die Überlagerung der Fast-Pulsweitenmodulation
für einzelne
Impulse durch den Mikrocontroller 3 erzeugt wird. Jeder
Impuls ist durch eine definierte Anzahl von 16kHz-Zyklen gekennzeichnet.
Die veränderliche
Motorspannung UMOT,DC, 6 die
als äquivalente
Messspannung UMess 7 erfasst wird,
dient als Eingangsparameter zur Ermittlung des Tastverhältnisses
tON/tZyklus der
Modulation.
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4 zeigt
die Darstellung der Spannung UTransistor und
des Stroms ITransistor durch die Motorwicklung
als Oszillographenabbild im Halbschrittmodus.
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5 zeigt
als Diagrammdarstellung das Drehmoment MMOT des
unipolaren Schrittmotors 1 in Abhängigkeit der PWM, also MMOT = f (PWM-Parameter), im 400 Hz Halbschrittmodus.
Die Periodendauer bzw. die Frequenz der PWM beträgt erfindungsgemäß 60μs bzw. 16kHz.
Die aufgetragenen Graphen repräsentieren
dabei unterschiedliche, im praktischen Anwendungsfall veränderliche,
Motorspannungen 6. Es ist erkennbar, dass bei einer Zunahme der
Motorspannung UMOT,DC 6 um
einen Betrag ΔUMor sich das Tastverhältnis tON/tZyklus zur Sicherstellung eines gewünschten
gleichmäßigen Drehmomentes MMot an der Antriebswelle verringern muss.
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Bei einer Abnahme der Motorspannung 6 wird
das Tastverhältnis
tON/tZyklus entsprechend
erhöht. Technisch
sinnvoll ist ein Tastverhältnis
tON/tZyklus zwischen
40 und 100%. Ohne PWM steht an der Motorwelle das maximale Drehmoment
zur Verfügung.
Damit ergibt sich die notwendige Drehmomentreserve gegenüber dem
Normalbetrieb mit PWM.
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- 1
- unipolarer
Schrittmotor
- 1.1
- Teilwicklungen
bzw. Spulen
- 2
- Treiberschaltung
- 2.1
- Vorwiderstände
- 2.2
- Leistungstransistoren
- 2.3
- Freilaufdioden
- 2.4
- Zener-Diode
- 3
- Mikrocontroller
mit Software
- 4
- Ansteuersignalleitungen
- 5
- Spannungsteiler
- 5.1
- Teilwiderstände
- 6
- Motorversorgungsspannungsleitung
- 7
- Mess-Signalleitung