Automatisierung ist heutzutage nicht mehr wegzudenken und Schrittmotoren werden immer häufiger eingesetzt. Besonders in Bereichen, in denen sich Menschen aufhalten, spielen Geräusche eine wichtige Rolle. Während Gleichstrommotoren einfach zu betreiben sind, haben sie einige Nachteile wie niedriges Drehmoment bei niedrigen Geschwindigkeiten und die Notwendigkeit einer Rückmeldung für Positionierungsaufgaben. Schrittmotoren bieten hingegen ein hohes Drehmoment bei niedrigen Geschwindigkeiten und sind elektronisch kommutiert, was sie besonders leise macht. Dies ermöglicht den Einsatz in einer Vielzahl von Anwendungen.
Schrittmotoren in neuen Anwendungsbereichen
Die Verwendung von Schrittmotoren hat in den letzten Jahren zugenommen, insbesondere in neuen Anwendungsfeldern wie 3D-Druckern, Heimautomatisierung, Bürodruckern und Medizintechnik. Die Geräuscharmut der Schrittmotoren ist besonders wichtig in 3D-Druckern, die oft stundenlang laufen und auch während der Nacht Geräusche minimieren sollten. Auch in der Heimautomatisierung sind geräuscharme Schrittmotoren gefragt, z.B. für bewegliche Überwachungskameras oder gesteuerte Klappen von Klimaanlagen. In der Medizintechnik spielen Schrittmotoren eine wichtige Rolle aufgrund ihrer Langlebigkeit und Leisetreue.
Abbildung 1: 3D-Drucker
Von Vollschritt- bis Mikroschrittbetrieb
Schrittmotoren bestehen aus vier Spulen, von denen zwei phasenverkehrt in Serie geschaltet sind. Der Rotor besteht aus einem drehbaren Magneten. Bei Vollschrittbetrieb positioniert der Motor den Rotor zwischen den beiden Phasen, indem er den Strom umkehrt. Jede Umdrehung des Motors entspricht einer festen Anzahl von Vollschritt-Positionen.
Um Vibrationen zu minimieren und eine höhere Auflösung zu erreichen, kann der Mikroschrittbetrieb verwendet werden. Hier werden die Phasen nicht nur ein- und ausgeschaltet, sondern auch mit unterschiedlichen Stromwerten angesteuert. Jeder Vollschritt wird in mehrere Mikroschritte unterteilt, was zu einer glatteren Drehbewegung führt.
Von “Unipolar Unregulated” zu bipolarer Steuerung mit Stromregelung
Während in der Vergangenheit oft unregulierte unipolare Steuerung verwendet wurde, wird heute eine geregelte bipolare Steuerung bevorzugt. Eine bipolare Steuerung ermöglicht eine präzisere Kontrolle des Motorkraft. Dies wird durch den Einsatz von H-Brücken erreicht, die das Magnetfeld der Spulen steuern. Die Stromregelung erfolgt über einen PWM (Pulsweitenmodulation)-Regler, der die gewünschte Phasenstromstärke einstellt. Die Stromregelung wird auch als Chopper bezeichnet. Es gibt verschiedene Chopper-Varianten, die den Strom unterschiedlich regulieren.
Von herkömmlichem Chopper zu stealthChop
Die herkömmlichen Chopper-Verfahren haben ihre Grenzen in Bezug auf Geräuscharmut. Sie erzeugen aufgrund des Stromrippels Verzerrungen der Sinusform des Stroms und sind daher nicht absolut geräuschlos.
StealthChop von ADI Trinamic ist ein innovatives Verfahren, das die Vorteile des spannungsgesteuerten Betriebs mit der Stromregelung kombiniert. Dadurch wird der Motor optimal an die Betriebsspannung angepasst und die Rückwirkungen des Back-EMF kompensiert. Das Ergebnis ist ein nahezu geräuschloser Betrieb des Motors.
StealthChop2 geht noch einen Schritt weiter und misst und speichert die internen Widerstände und Back-EMF-Konstanten des Motors. Dadurch wird der Strom sofort angepasst und ist während der Beschleunigung konstant.
Vergleichsmessung mit verschiedenen Steuerungsmethoden
In Testreihen wurde der Einfluss verschiedener Steuerungsmethoden auf das Drehmoment eines Schrittmotors untersucht. Es wurde festgestellt, dass StealthChop in niedrigen Drehzahlbereichen das höchste Drehmoment bietet und keine signifikanten Einbrüche aufweist. In mittleren und hohen Drehzahlbereichen hingegen erzielt spreadCycle die besten Ergebnisse.
Stromreduktion zur Geräuschminderung
Eine weitere Möglichkeit, das Geräuschniveau eines Schrittmotors zu reduzieren, besteht darin, den Motorstrom zu verringern. ADI Trinamic bietet intelligente Schrittmotortreiber, die den Motorstrom in Abhängigkeit von der Belastung automatisch anpassen. Dadurch erhält der Motor nur die Energie, die er benötigt, um die aktuelle Belastung zu bewältigen. Das Ergebnis ist eine Geräuschreduktion des Motors.
Empfehlungen für ein akustisch optimiertes Layout
Eine optimale Stromsteuerung ist eine Voraussetzung für den geräuscharmen Betrieb. Daher ist beim Anschluss der Messwiderstände und der Erdungsanschlüsse besondere Sorgfalt geboten. Ein gutes Layout umfasst unter anderem kurze Verbindungen zu den Messwiderständen und eine saubere Trennung der Motor- und Testleitungen.
Fazit
Die neuen Steuerungsmethoden ermöglichen einen nahezu geräuschlosen Betrieb von Schrittmotoren. Durch die vollelektronische Steuerung wird eine hohe Präzision und Geräuschlosigkeit erreicht. Die Verwendung von intelligenten Steppertreibern bietet zusätzliche Funktionen wie die Lasterkennung ohne Sensor und die lastabhängige Stromregelung. Durch ein akustisch und thermisch optimiertes Layout kann das Geräuschniveau weiter reduziert werden. Die neuen Technologien sind leicht in bestehende Systeme zu integrieren und bieten eine ideale Lösung für Anwendungen, bei denen Geräuscharmut eine wichtige Rolle spielt.
Autor: Dipl.-Inform. Bernhard Dwersteg, Dipl.-Ing. (FH) Jonas P. Proeger
