Schrittmotoren sind einer der einfacheren Motoren, die in Elektronikdesigns implementiert werden können, bei denen Präzision und Wiederholgenauigkeit erforderlich sind. Leider setzt der Aufbau von Schrittmotoren dem Motor eine ziemlich niedrige Geschwindigkeitsbegrenzung ein, viel niedriger als die Geschwindigkeit, mit der die Elektronik den Motor antreiben kann. Wenn ein Schrittmotor mit hoher Geschwindigkeit betrieben werden soll, steigt die Schwierigkeit der Implementierung, da eine Reihe von Faktoren zum Tragen kommen.
High-Speed-Schrittmotor-Faktoren
Mehrere Faktoren werden zu bedeutenden Konstruktionen und Implementierungsherausforderungen, wenn Schrittmotoren mit hohen Geschwindigkeiten angetrieben werden. Wie bei vielen Komponenten ist das reale Verhalten von Schrittmotoren nicht ideal und weit von der Theorie entfernt. Die maximale Drehzahl der Schrittmotoren variiert je nach Hersteller, Modell und der Induktivität des Motors mit erreichbaren Drehzahlen von 1000 bis 3000 U / min (bei höheren Drehzahlen sind Servomotoren die bessere Wahl). Die Hauptfaktoren, die den Schrittmotor bei hohen Geschwindigkeiten beeinflussen, sind:
Trägheit
Jedes sich bewegende Objekt hat eine Trägheit, die der Beschleunigungsänderung eines Objekts standhält. In Anwendungen mit niedrigerer Geschwindigkeit kann ein Schrittmotor mit der gewünschten Geschwindigkeit gestartet werden, ohne einen Schritt zu verpassen. Der Versuch, einen Schrittmotor sofort mit einer hohen Geschwindigkeit zu belasten, ist eine großartige Möglichkeit, um Schritte zu überspringen und die Position zu verlieren. Abgesehen von sehr leichten Lasten mit geringen Trägheitseffekten muss ein Schrittmotor von niedriger Geschwindigkeit auf hohe Geschwindigkeit hochgefahren werden, um Position und Präzision zu erhalten. Fortgeschrittene Schrittmotorsteuerungen umfassen Beschleunigungsbegrenzungen und Strategien zum Ausgleich von Trägheitsmomenten.
Drehmomentkurven
Das Drehmoment eines Schrittmotors ist nicht für jede Betriebsdrehzahl gleich, fällt jedoch mit zunehmender Schrittgeschwindigkeit ab. Der Grund dafür liegt in den Betriebsprinzipien von Schrittmotoren. Das Antriebssignal für Schrittmotoren erzeugt ein Magnetfeld in den Spulen des Motors, um die Kraft zu erzeugen, die einen Schritt bewirkt. Die Zeit, die das Magnetfeld benötigt, um die volle Stärke zu erreichen, hängt von der Induktivität der Spule, der Treiberspannung und der Strombegrenzung ab. Wenn die Fahrgeschwindigkeit zunimmt, verkürzt sich die Zeit, in der die Spulen auf ihrer vollen Stärke bleiben, und das Drehmoment, das der Motor erzeugen kann, nimmt ab.
Antriebssignal
Um die Kraft in einem Schrittmotor zu maximieren, muss der Antriebssignalstrom den maximalen Antriebsstrom erreichen, und in Hochgeschwindigkeitsanwendungen muss dies so schnell wie möglich erfolgen. Das Ansteuern eines Schrittmotors mit einem höheren Spannungssignal kann dazu beitragen, das Drehmoment bei hohen Geschwindigkeiten zu verbessern, das bei Konstantstrom-Schrittantriebslösungen automatisch angewendet wird.
Todeszone
Das ideale Konzept eines Motors ermöglicht es, dass er mit jeder Geschwindigkeit angetrieben wird, wobei das Drehmoment mit zunehmender Geschwindigkeit schlechter wird. Leider haben Schrittmotoren oft eine Totzone, in der der Motor die Last nicht mit einer bestimmten Geschwindigkeit antreiben kann. Dies ist auf die Resonanz im System zurückzuführen und variiert je nach Produkt und Design.
Resonanz
Schrittmotoren treiben mechanische Systeme an, und alle mechanischen Systeme können unter Resonanz leiden. Resonanz tritt auf, wenn die Ansteuerfrequenz mit der Eigenfrequenz des Systems übereinstimmt und die dem System hinzugefügte Energie eher dazu neigt, seine Schwingung und den Drehmomentverlust als die Geschwindigkeit zu erhöhen. Bei Anwendungen, bei denen übermäßige Vibrationen zu Problemen führen, ist das Finden und Überspringen der Resonanz-Schrittmotordrehzahlen besonders wichtig. Selbst Anwendungen, die Vibrationen tolerieren, sollten nach Möglichkeit Resonanzen vermeiden, da dies die Lebensdauer des Systems erheblich verringern kann.
Schrittlänge
Für Schrittmotoren stehen einige Antriebsstrategien zur Verfügung, einschließlich Mikroschritte, die es ermöglichen, dass der Motor weniger als volle Schritte ausführt. Diese Mikroschritte haben eine verringerte Genauigkeit, machen jedoch den Schrittmotorbetrieb bei niedrigeren Geschwindigkeiten leiser. Schrittmotoren können nur so schnell angetrieben werden, und der Motor sieht keinen Unterschied in einem Mikroschritt oder einem Vollschritt. Für den Betrieb mit voller Geschwindigkeit wird häufig ein Schrittmotor mit vollen Schritten angetrieben. Die Verwendung von Mikroschritt durch die Beschleunigungskurve des Schrittmotors kann jedoch die Geräusche und Vibrationen im System erheblich verringern.
