Ökad prestanda med återkopplade stegmotorer
Moderna motorstyrningar kan inkludera möjligheten att köra stegmotorer med pulsgivare som återkoppling, vilket resulterar i en äkta återkopplad servoloop. Denna typ av motorstyrning liknar mycket hur man styr vanliga 3-fas borstlösa servomotorer, där de tre faserna är förskjutna med 120 elektriska grader. Hos stegmotorer är de två faserna förskjutna med 90 elektriska grader. Några av fördelarna med återkopplad styrning av stegmotorer är betydligt jämnare hastighet, reducerad effektförbrukning jämfört med oåterkopplade stegmotorer och betydligt högre moment vid låga hastigheter än traditionella 3-fas BLDC-motorer.
För att jämföra hastighetsrippel och strömförbrukning mellan oåterkopplade och återkopplade stegmotorer, har man satt ihop två system. I det oåterkopplade, öppna systemet ger en motorstyrning steg- och riktiningssignaler till ett mikrostegande drivsteg med 64 mikrosteg per fullsteg i upplösning och 3A fasström. Detta kopplades till en linjär stegmotor. För det återkopplade, slutna systemet använder en controller med inbyggd borstlös förstärkare med två faser, som kopplades till samma linjära stegmotor, vilken kan ses i Figur 1 nedan.
Figur 1 – Linjär stegmotor
Målet med dessa tester är att minimera hastighetsrippel och strömförbrukning. Om detta kan uppnås resulterar det i ett system med högre prestanda, lägra driftkostnader och möjligen en förlängd livslängd.
För att testa hastighetsrippel kördes en konstant hastighet sett till motorsteg. Signalerna från den inbyggda pulsgivaren övervakades av ett grafiskt program. Den slutna, återkopplade systemet körde en hastighet som var lika det i det oåterkopplade, öppna testet, men hastigheten styrdes i encoderpulser, inte motorsteg. Det återkopplade systemets PID-filter justerades manuellt. Dessutom lades ytterligare filter till för att ytterligare förbättra prestandan.
För att undersöka minska strömförbrukning kördes motorn kontinuerligt i 30 minuter, varefter motorhusets temperatur mättes. En lägre temperatur indikerar lägre strömförbrukning. Figur 2 visar hastighetsripplet i det öppna systemet. Som man kan se finns ett sinusformat hastighetsrippel som orsakas av de fysiska egenskaperna hos stegmotorn. Hastighetsripplet var ungefär ± 500 encoderpulser per sekund. Det hördes även ett pulserande ljud vid rotation vilket är typiskt för oåterkopplade stegmotorer.
Figur 2 – Hastigheten hos oåterkopplad stegmotor (1000 cnts/sek per div)
När man bytte till det återkopplade systemet och beordrade rörelse baserad på encoderpulser lade man även till positionsfelet till grafen. Genom att använda en kombination av automatisk och manuell filterjustering lyckades man förbättra hastighetsstabiliteten dramatiskt. Hastighetsripplet uppmättes till ungefär ± 60 encoderpulser per sekund.
Figur 3 – Hastigheten hos återkopplad stegmotor med trimmade PID-värden. Överst visas hastigheten vid 1000cnts/sek per div. Nederst är positionsfelet vid 20 cnts per div.
På grafen över positionsfelet syns en återkommande vågform. En del av detta positionsfel berodde på motorns och lastens egenfrekvens. Motorstyrningens notchfilter användes för att minimera effekterna av denna självsvängnings påverkan på rörelsens noggrannhet.
Figur 4 – Hastigheten hos återkopplad stegmotor och positionsfel med PID- och notchfilter. Överst är hastigheten, nederst är positionsfelet. Samma skalor som föregående graf.
Både den återkopplade och den oåterkopplade motorn kördes kontinuerligt i 30 minuter med identiska rörelseprofiler, sedan mättes motorhusets temperatur. Med en omgivningstemperatur på 19°C värmdes den oåterkopplade motorn upp till 33,5°C, medan den återkopplade motorn endast blev 26,6°C varm.
Genom att integrera en lämplig positionsåterkoppling, exempelvis en inkrementell kvadraturencoder och att använda en borstlös, 2-fasförstärkare i en stegmotorapplikation kan noggrannheten och rörelsestabiliteten dramatiskt förbättras.
Denna artikel skrevs i originalspråk (engelska) av Robin Riley på Galil Motion Control. Originalet återfinns på Galils webbplats.
