Grundlagen bipolarer Schrittmotortreiber mit Stromregelung

Schrittmotoren besitzen Motorwindungen, um die elektrische Energie in mechanische Energie umzuwandeln. Die Drehung des Schrittmotors erfolgt durch die periodische Änderung der Ströme in den verschiedenen Schrittmotorspulen. Die Motorspulen von Schrittmotoren werden durch einen Regelkreis ständig an- und abgeschaltet, um einen bestimmten Motorstrom einzustellen. Die Induktivität und der ohmsche Widerstand der Motorspule sind daher wichtige Parameter, die bei der Motortreiberauslegung berücksichtigt werden müssen.

Die nachfolgende Abbildung zeigt den Stromverlauf des Ein- und Ausschaltvorgang einer Spule.

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Figure 1. Ein- und Ausschalten einer Motorwindung

Allgemein berechnet sich der Strom durch eine Spule gemäß der folgenden Gleichung.

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Der Stromverlauf im Einschaltvorgang mit einer konstanten Spannung läßt sich mit einer Gleichung beschreiben, die in Abbildung 1 graphisch dargestellt ist.

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Die Zeitkonstante τe beschreibt die Zeit, die der Strom benötigt um 63% des Endwertes zu erreichen. Die Zeitkonstante ist von der Induktivität und dem ohmschen Widerstand der Motorspule abhängig:

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Eine schnelle dynamische Anpassung des Motorstrom ist durch eine Chopperregelung möglich. Die Versorgungsspannung muß dazu einem Vielfachen der Nennspannung des Motors entsprechen, da der Stromanstieg di(t)/dt gemäß der allgemeinen Gleichung (1) mit zunehmender Versorgungsspannung größer wird.

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Die Regelung des Motorstrom in einer Chopperregelung erfolgt durch das schnelles Ein- und Ausschalten der Versorgungsspannung. Der Strom wird durch einen Strommesswiderstand gemessen, der in Reihe zu der Motorphase geschaltet ist.

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Figure 2. Vereinfachte Schaltung einer Stromregelung


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Figure 3. Ansteuersignal des Leistungsschalters


Die Versorgungsspannung wird bei aktiviertem Leistungsschalter (hier: Transistor) an die Motorwindung geschaltet. Daraufhin beginnt der Strom durch die Windung zu fließen. Die Spannung am Strommesswiderstand steigt proportional zum Motorspulenstrom. Der Stromverlauf durch den Strommesswiderstand wird in Abbildung 4 gezeigt. Die Spannung am Strommesswiderstand wird einem Komparator zugeführt. Dieser setzt das Flip-Flop zurück, sobald der über eine Steuerspannung eingestellte Schwellwert erreicht ist. In diesem Fall schaltet das Flip-Flop den Transistor ab. Die im Feld der Motorspule gespeicherte Energie wird durch den Kurzschluß der Diode verringert. Nun fließt der Motorstrom durch die Spule und die Diode im Kreis. Nach einer festen Zeit setzt der Chopper-Oszillator das Flip-Flop erneut und die Versorgungsspannung liegt wieder an der Motorwindung an. Der Strom fließt wieder vom Netzteil durch die Motorspule. Die Schaltpulse des Flip-Flops sind in Abbildung 3 dargestellt.

Der resultierende Stromverlauf in der Motorwindung und die Ansteuersignale sind in den nachfolgenden Diagrammen abgebildet.

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Figure 4. Strom aus Spannungsquelle und Spannung an Messwiderstand
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Figure 5. Resultierender Motorphasenstrom


Die Stromregelung erlaubt eine präzise Kontrolle des Motorstrom unabhängig von den Schwankungen der Spannungsquelle. Die Stromanstiegszeit ist für das grundlegende Funktionieren der Regelung nicht kritisch. Die Änderungsgeschwindigkeit des Motorstrom ist von der Stromanstiegszeit abhängig. Die Stromanstiegszeit ist von der verwendeten Versorgungsspannung und Motorspule abhängig. Je höher der Stromanstieg ist, desto schneller ist der Motorstrom der Spule änderbar. Schnelle Motorstromänderungen sind für hohe Geschwindigkeiten und eine schnelle dynamische Steuerung des Motors wichtig.

Eine geringe Stromanstiegszeit ist besonders für die Richtungsänderung des Motorstrom wichtig. Die Stromumschaltung wird mit einer H-Brücke realisiert.

Eine H-Brücke ermöglicht es, die Strompfade des Motorphasenstrom zu kontrollieren. Die Richtung des Motorstrom ist einstellbar und es gibt die Möglichkeit die Motorwindung im Kurzschluß oder im Leerlauf zu betreiben. Die nächste Abbildung zeigt den Aufbau einer H-Brücke. Die drei möglichen Strompfade sind in der Abbildung eingezeichnet.

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Figure 6. Strompfade einer H-Brücke


Die Stromrichtung wird durch die Wahl der eingeschalteten Brückentransistoren gewählt. Der Strompfad 1 ist geschaltet, wenn der obere linke Source-Transistor und untere rechte Sink-Transistor durchgeschaltet sind. Der Stromfluß durch die Spule steigt, bis die Stromregelung den Stromfluß aus der Spannungsquelle unterbricht.

Der Stromfluß im Ausschaltzustand kann auf zwei verschiedene Methoden erfolgen. Die Möglichkeiten sind durch die Strompfade 2 und 3 gekennzeichnet.

Der Strompfad 2 führt zu einem langsamen Feldabbau. Die Motorphase wird durch den oberen linken Source-Transistor und der oberen rechten Freilaufdiode kurzgeschlossen. Während der durch den Chopper-Oszilator festgelegten Abschaltzeit sinkt der Strom langsam.

Der Strompfad 3 baut das Feld der Motorspule schnell durch die untere linke und obere rechte Freilaufdiode ab. Der Strom durch die anliegende Spannung des Netzteils sehr schnell verringert. Der Strom fließt in das Netzteil zurück.

Der schnelle Feldabbau ermöglicht eine schnelle Richtungsänderung des Motorstrom. Der Nachteil des schnellen Feldabbaus ist die höhere Welligkeit des Motorstrom, die wiederum zu höheren Eisenverlusten im Motor führt.

Während der Motor steht ist die Verlustleistung der H-Brücke zuverlässig messbar. Die Verluste der H-Brücke lassen sich in Ein- und Ausschaltverluste unterteilen. Die Einschaltverluste entstehen durch den Spannungsabfall an den eingeschalteten Leistungsschaltern. Bei Transistoren entspricht der Spannungsabfall der Sättigungsspannung des Transistors.

Die Verluste im Ausschaltzustand entstehen durch den Feldabbau und den damit verbundenen Stromfluß der induktiven Last. Dieser Strom kann schnell in das Netzteil zurückgespeist oder kurzgeschlossen werden. In beiden Fällen fließt ein Strom durch die H-Brücke bzw. Freilaufdiode, der Wärmeverluste mit sich bringt.

Die unteren Leistungsschalter der H-Brücke sind aufgrund der Schaltung gegen Masse gut messbar. Die oberen Leistungsschalter sind mit einem Oszilloskop aufgrund der Potentialverhältnisse nicht ohne großen Aufwand messbar. Aus diesem Grund werden bei dieser Messung nur die unteren Leistungsschalter gemessen und deren Verluste in erster Näherung mit denen der oberen Leistungsschalter gleichgesetzt.

Beratung und die Durchführung der Entwicklung von Schrittmotorsteuerungen machen wir gerne auf Anfrage für Sie.