Så väljer du rätt spänning för din stegmotor
Du har valt en stegmotor utifrån motortypens många bra egenskaper. Du har valt rätt storlek utifrån momentkurvan i databladet. Du har valt lindning utifrån den spänning och ström du har att tillgå. Du har kopplat upp, testkört – och förtvivlat.
Det står ju klart och tydligt i databladet att spänningen ska vara 4,5 V, så varför kommer motorn inte upp i varv, inte ens i närheten, vid denna matningsspänning? Lugn, vi hjälper dig att reda ut begreppen och välja rätt matningsspänning för din stegmotordrift.
Många konstruktörer har gått på niten att läsa en stegmotors datablad och trott att spänningen som anges i databladet är en lämplig matningsspänning för att driva stegmotorn. Tyvärr är detta antagande i de allra flesta fall fel. Spänningen som listas i databladen brukar oftast ange vilken spänning som krävs för att få den nominella strömmen vid angiven lindningsresistans.
Ofta listas inte ens en spänning i databladen, vilket egentligen är lika bra det.
Vi tar ett exempel med en motor med en lindningsresistans på 2,8 Ohm, nominell ström 1,2 A/fas och en lindningsinduktans på 4,2 mH. För att få 1,2 A krävs enligt Ohms lag U=R*I=2,8*1,2=3,36 V, men detta förutsätter att man inte har speciellt bråttom att nå 1,2 A i lindningen. Eftersom en motorlindning egentligen bara är en spole, måste vi även ta hänsyn till induktansen. Lindningens induktans och resistans medför en tröghet mot förändring av strömmen genom lindningen. Nedan ser vi strömmen som funktion av tiden enligt I(t)=(U/R)*(1-e^(-t/(L/R))).
Figur 1 visar att strömmen når 95% av 1,2 A först efter ca 4,5 ms då matningsspänningen är 3,36V.
Ju högre varvtal du behöver, desto snabbare måste vi kunna få nominell ström genom lindningen. Exempelvis innebär ett varvtal på 800 rpm att vi strömmen i lindningen behöver ändra riktning 200*800/60=2667 gånger i sekunden. Detta betyder att vi bara hinner nå ungefär 100 mA (efter 370 µs). För att lösa detta kan vi ta genvägen via en högre matningsspänning. En högre matningsspänning gör att man snabbare kan ändra strömmen i lindningen och möjliggör därmed högre hastigheter. En s.k. chopper drive eller strömstyrning matas med en betydligt högre matningsspänning, men klipper vid en angiven ström (i vårt exempel 1,2 A). Syftet med detta är att på kortare tid mätta spolen för att tillåta högre hastigheter.
Figur 2 visar att med 24 V matning når vi 95% av 1,2 A redan efter ca 220 µs, men också att strömmen måste begränsas för att inte motorn ska bli alltför varm.
Detta är dock inte hela sanningen. Ju högre hastighet stegmotorn snurrar med, desto större mot-EMK genererar motorn. Detta innebär att det krävs ytterligare högre spänning för att övervinna mot-EMK:n. Detta mycket väsentliga fenomen har vi inte alls tagit med i beräkningarna ovan. Se Galils app note längre ner för mer detaljer om detta. Denna app note innehåller även en bra metod för att approximera mot-EMK för en given motor.
En enkel tumregel
Så hur hög spänning behöver jag egentligen? Detta är direkt kopplat till vilken hastighet applikationen kräver. En enkel tumregel för att få ut bra prestanda ur motorn är att försöka välja en matningsspänning som är åtminstone 5-8 gånger större än spänningen som är angiven i databladet (eller 8*(Rfas*Ifas)). Var dock noga med att inte överstiga maximal tillåten matningsspänning för drivsteget. Dock är en högre spänning alltid önskvärt (åtminstone ur en elektrisk synvinkel, lågspänningsdirektivet kan innebära annat).
Kom också ihåg att man snabbt förlorar moment när man går upp i hastighet.
Mer noggrann approximering
Våra vänner på Galil Motion Control har en bra application note på ämnet, se denna för en noggrann approximering av matningsspänning utifrån applikationskraven.
Källhänvisningar
Galil Motion Control, Application Note 5466
Mer läsning: Kompensera för externa krafter i motorstyrningsapplikationer
När en extern kraft appliceras i ett system är det inte säkert att det räcker med standard PID-parametrar för att kompensera för det. För att bättre förstå hur man kan angripa detta problem har vår partner Galil Motion Control ställt upp fyra applikationer med extern kraft, som analyseras och en effektiv lösning presenteras för varje applikation. Dessa inkluderar servomotorer som flyttar en vertikal last, en fjäderkraft, en hävarm och en komprimerbar substans. Läs om det i Galils white paper, du hittar det via den här länken.
