Methoden zur Erhöhung der Genauigkeit von Schrittmotoren

Im technischen Bereich ist bekannt, dass mechanische Toleranzen einen großen Einfluss auf die Präzision und Genauigkeit aller erdenklichen Gerätetypen haben, unabhängig von deren Verwendung. Diese Tatsache gilt auch fürSchrittmotoren. Beispielsweise weist ein standardmäßig gebauter Schrittmotor eine Toleranz von etwa ±5 Prozent Fehler pro Schritt auf. Das sind übrigens nicht-akkumulierende Fehler. Die meisten Schrittmotoren bewegen sich um 1,8 Grad pro Schritt, was zu einem möglichen Fehlerbereich von 0,18 Grad führt, obwohl wir von 200 Schritten pro Umdrehung sprechen (siehe Abbildung 1).

2-Phasen-Schrittmotoren – GSSD-Serie

Miniaturschritt für Genauigkeit

Bei einer standardmäßigen, nicht kumulativen Genauigkeit von ±5 Prozent besteht die erste und logischste Möglichkeit zur Erhöhung der Genauigkeit darin, den Motor in Mikroschritten zu betreiben. Mikroschritt ist eine Methode zur Steuerung von Schrittmotoren, die nicht nur eine höhere Auflösung, sondern auch gleichmäßigere Bewegungen bei niedrigen Geschwindigkeiten erreicht, was in manchen Anwendungen ein großer Vorteil sein kann.

Beginnen wir mit unserem 1,8-Grad-Schrittwinkel. Dieser Schrittwinkel bedeutet, dass mit der Verlangsamung des Motors jeder Schritt einen größeren Teil des Ganzen ausmacht. Bei immer langsameren Geschwindigkeiten führt die relativ große Schrittweite zu einem Rasten des Motors. Eine Möglichkeit, diese verringerte Laufruhe bei langsamen Geschwindigkeiten zu mildern, besteht darin, die Größe jedes Motorschritts zu verringern. Hier wird Mikroschritt zu einer wichtigen Alternative.

Mikroschritte werden durch die Verwendung von Pulsweitenmodulation (PWM) zur Steuerung des Stroms zu den Motorwicklungen erreicht. Was passiert, ist, dass der Motortreiber zwei Spannungssinuswellen an die Motorwicklungen liefert, die jeweils um 90 Grad phasenverschoben sind. Während also der Strom in einer Wicklung ansteigt, nimmt er in der anderen Wicklung ab, um eine allmähliche Stromübertragung zu bewirken, was zu einer sanfteren Bewegung und einer gleichmäßigeren Drehmomenterzeugung führt, als dies bei einer standardmäßigen Vollschrittsteuerung (oder sogar einer herkömmlichen Halbschrittsteuerung) der Fall ist (siehe Abbildung 2).

einachsigSchrittmotor-Controller + Treiber in Betrieb

Bei der Entscheidung über eine Erhöhung der Genauigkeit durch Mikroschrittsteuerung müssen Ingenieure berücksichtigen, wie sich dies auf die übrigen Motoreigenschaften auswirkt. Während die Gleichmäßigkeit der Drehmomentübertragung, der Bewegung bei niedriger Geschwindigkeit und der Resonanz durch Mikroschrittverfahren verbessert werden könnten, verhindern typische Einschränkungen bei der Steuerung und dem Motordesign, dass sie ihre idealen Gesamteigenschaften erreichen. Aufgrund der Funktionsweise eines Schrittmotors können Mikroschrittantriebe nur annähernd eine echte Sinuswelle erzeugen. Dies bedeutet, dass eine gewisse Drehmomentwelligkeit, Resonanz und Geräusche im System verbleiben, auch wenn diese bei einem Mikroschrittvorgang stark reduziert werden.

Mechanische Genauigkeit

Eine weitere mechanische Anpassung zur Steigerung der Genauigkeit Ihres Schrittmotors besteht darin, eine kleinere Trägheitslast zu verwenden. Wenn der Motor beim Anhalten eine große Trägheit aufweist, führt die Last zu einer leichten Überdrehung. Da es sich oft um einen kleinen Fehler handelt, kann dieser mit der Motorsteuerung korrigiert werden.

Zum Schluss wenden wir uns wieder dem Controller zu. Diese Methode kann einen gewissen technischen Aufwand erfordern. Um die Genauigkeit zu verbessern, möchten Sie möglicherweise einen Controller verwenden, der speziell für den Motor optimiert ist, den Sie verwenden möchten. Dies ist eine sehr präzise Methode zur Einarbeitung. Je besser die Fähigkeit des Controllers ist, den Motorstrom präzise zu manipulieren, desto genauer können Sie mit dem von Ihnen verwendeten Schrittmotor arbeiten. Dies liegt daran, dass die Steuerung genau regelt, wie viel Strom die Motorwicklungen erhalten, um die Schrittbewegung auszulösen.

Präzision in Bewegungssystemen ist je nach Anwendung eine häufige Anforderung. Wenn ein Ingenieur versteht, wie das Schrittsystem zusammenarbeitet, um Präzision zu erzeugen, kann er die verfügbaren Technologien nutzen, einschließlich derjenigen, die bei der Herstellung der mechanischen Komponenten jedes Motors verwendet werden.