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Motion Control Ohne Motion Controller Schrittmotoren mit der SPS steuern

| Autor / Redakteur: Christian Siemers, Alfons Austerhoff, Marco Zander * / Gerd Kucera

Der Beitrag zeigt, wie die FPGA-basierte speicherprogrammierbare Steuerung ZX20T ohne Unterstützung eines externen Motion Controllers bis zu vier Schrittmotoren direkt ansteuert.

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Bild 1: Aufbau und Funktionsprinzip des unipolaren Schrittmotors.
Bild 1: Aufbau und Funktionsprinzip des unipolaren Schrittmotors.
(Bild: Zander/TU Clausthal)

Schrittmotoren sind für viele Applikationen eine gut geeignete Alternative, wenn die Lasten nicht allzu hoch sind und die leichte Vibration durch das Stepping keine Rolle spielen. Der wichtigste Vorteil dieser Motoren ist natürlich, dass sie präzise steuerbar sind, d.h. die Motorlage kann ohne Rückkopplung/Messung direkt bestimmt werden (wenn man einige Randbedingungen einhält). Die Steuerung selbst ist auch nicht besonders schwierig, zumindest vom algorithmischen Standpunkt aus gesehen: wenige Impulse, in einer bestimmten Reihenfolge an den Spulen angelegt, und schon ist ein Schritt vollzogen.

Eine direkte Steuerung in einer SPS, ohne die Unterstützung eines Motion Controllers, also einer speziellen Hardwarelösung, verspricht allerdings eher einen Zeitlupenbetrieb des Motors. Mithilfe der neuen FPGA-basierten Steuerung ZX20T der Firma Zander hingegen lassen sich Schrittmotoren direkt, schnell, und problemlos steuern. Wir zeigen hier wie.

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Wichtiges für den Betrieb von Schrittmotoren

Schrittmotoren gibt es in vielerlei Ausführung, groß und klein, linear und rotierend. Gemeinsam ist ihnen, dass sie in gewisser Weise digital arbeiten, d.h. sie haben eine endliche Schrittweite. Ihr Aufbau ist in Bild1 kurz skizziert: Ein permanent magnetisierter Rotor wird von dem Stator, hier aus vier Polen bestehend und elektrisch magnetisierbar, angetrieben.

Der hier dargestellte Motor wird als unipolar bezeichnet, da man zum Betrieb nur eine Spannung (gegen Masse) benötigt. Die Spulen benötigen hierfür einen Mittelabgriff, um das Umpolen der Magnetfelder zu ermöglichen.

Der eigentliche Betrieb und die dazu benötigte Schrittfolge sind in Bild 2 bzw. Bild 3 zu sehen. Die darin enthaltenen Bezeichnungen 1 bzw. 0 repräsentieren (elektrisch betrachtet) keine Werte aus Digitaltechnik, sondern stehen für Spannung ein bzw. aus, wobei die Spannung selbst je nach Einsatzbereich stark variieren kann (z.B. 12 V, 24 V usw.).

Wichtig für den Betrieb eines Schrittmotors (neben den rein elektrischen Eigenschaften wie Spannung, maximaler Strom pro Wicklung, unipolarer und/oder bipolarer Betrieb usw.) sind die Anzahl der Schritte pro Umdrehung, die maximale Umdrehungszahl/min bzw. Geschwindigkeit, abhängig von dem Lastmoment sowie weitere mechanische Eigenschaften (Beschleunigung etc.).

Das in Bild 4 gezeigte Betriebsdiagramm zeigt typische Bereiche, Verläufe und zwei Grenzkurven: Die durchgezogene Linie stellt die erreichbare Drehzahl in Abhängigkeit von dem Lastmoment dar, die gestrichelte die Start- und Stoppdrehzahl, mit der also der Betrieb beginnen kann bzw. von der aus der Motor sofort auf Stillstand gebremst werden kann, ohne dass es zu Schrittverlusten kommt. Die letztere Kurve ist wichtig, da der Schrittmotor ja „nur“ gesteuert werden soll.

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