Kostnadseffektiva, robusta och säkra

Stegmotorer är kostnadseffektiva: motorn är billig, styrningen är billig, ingen eller endast enkel återkoppling behövs och behov av utväxling minskar. Stegmotorn är robust, inga borstar som slits och inga problem vid mekanisk överbelastning. Ett onormalt lastfall skadar inte motorn och motorn skadar inte lasten, i stället fasar motorn ur och stannar. Ett trasigt drivsteg kan få DC-motorn att ”rusa”, stegmotorn stannar.

Principen är enkel

I grunden är stegmotorstyrningar mycket enkla: en CPU och ett drivsteg. En signal (Dir) som styr rörelsens riktning och en timer i CPU:n som skapar stegpulser (Step). Drivsteget översätter signalerna till strömmar i motorns lindningar. Strömmarna skapar ett roterande fält (motorns elektriska läge) som flyttar rotorns stabila lägen.

Att utnyttja motorns fulla prestanda är svårare

Motorns moment beror av efter­släpningen d.v.s. skillnaden mellan rotorns läge (det mekaniska läget) och det elektriska läget. När ”motorn” stegas måste hänsyn tas till att rotorn ska hinna följa med och att rotorns acceleration styrs av eftersläpningen. Momentets beroende av eftersläpningen framgår av övre bilden. För att undvika urfasning måste eftersläpningen vara i det stabila området. Nedre bilden visar hur rotorn rör sig när ett helsteg tas. Genom mätning av eftersläpning, hastighet och läge kan stegmotorns höga accelerations­förmåga utnyttjas. Calmon använder rörelseanalys för att snabbt trimma styrningen så att motorns fulla prestanda kan utnyttjas.

Läs om våra verktyg.

Resonanser och vibrationer

För att skapa stegmotordrifter utan resonanser och vibrationer så måste orsakerna till dem vara kända. Resonanser i svängningskretsar är den vanligaste orsaken. En svängningskrets finns internt i stegmotorn, bestående av magnetfältet och rotorns tröghetsmoment. Dessutom finns oftast en eller flera i mekaniken. Dessa exiteras av störningar som kan komma från motor, drivsteg, växel, programvara eller last. Viss dämpning finns i lager och smörjmedel, men elektrisk dämpning i drivningen har stor betydelse. Genom rörelseanalys studeras frekvens och amplitud hos svängningarna, orsaken hittas och inverkan minimeras.

Snabba rörelser utan att tappa steg

Grunden för snabba rörelser, att aldrig tappa steg eller fasa ur, är att hantera systemets resonanser och ha koll på lastens behov och motorns förmåga att leverera moment. Detta kräver en systematisk designprocess där lasten analyseras och motorns prestanda mäts. Rörelsemönster optimeras och resonanser kontrolleras med hjälp av rörelseanalys. När stegmotordrifter konstrueras på detta sätt kommer motorns fulla potential i fråga om hastighet och noggrannhet att kunna utnyttjas utan att återkoppling används och motorn kommer varken fasa ur eller tappa steg.

Motor­prestanda beror av drivsteg

En stegmotors moment­kurva beror inte bara av typ, storlek och lindning, även styrningen har mycket stor betydelse. Störst påverkan har inställd ström och spänning men typ av drivsteg och drivstegets inställningar har också stor betydelse.

När motor ska väljas måste hänsyn tas till momentkurvan, sällan finns relevanta data på nätet. Mätning av momentkurvan (pull-out moment) behövs för att matchning av motor och drivsteg till mekanik ska bli bra. Verkningsgrad, hastighet och noggrannhet förbättras; kostnader sänks. I bilden syns hur momentkurvan kan bero av hur drivsteget konfigurerats. Lastens momentbehov är oberoende av hastigheten. Att leverera ett högre moment än nödvändigt vid låga hastigheter ger bara mer ljud och vibrationer liksom onödigt hög effektförbrukning. Blå kurva är motorns moment efter optimering av drivstegets inställningar.

Läs om mätning av momentkurva.

Mikrostegning

Drivsteg erbjuder olika steglängd: helsteg, halvsteg, kvartssteg och olika mikrostegning. Helsteg ger sämst upplösning. Kortare steglängder kan både användas till att öka upplösningen men framför allt minska resonanserna. Förutsättningarna för att minska problem med vibrationer och ljud förbättras. Redan vid en steglängd på ¼-helsteg blir skillnaden stor. Rörelseanalys är ändå lika nödvändigt vid mikrostegning som vid helsteg om stegmotorns hela potential ska utnyttjas.

S-kurvor

Genom användning av S-kurvor (mjuk start/stop och mjuk övergång till/från konstantfart) blir styrningen mer förlåtande för glapp och svikt i mekaniken: svängningar vid start, stopp och vid övergång till/från konstantfart reduceras. Priset för detta är att prestanda i form av acceleration och topphastighet inte kan utnyttjas maximalt. Generella S-kurvor ”slösar” mycket tid, speciellt på låga farter. För att stegmotorns fulla potential ska utnyttjas krävs anpassade rörelsemönster och rörelseanalys.