Warum werden Schrittmotoren nicht in Systemen mit geschlossenem Regelkreis und PID-Regelung eingesetzt?

Ich weiß, dass Schrittmotoren normalerweise in Systemen mit offenem Regelkreis betrieben werden. Ich bin gespannt, warum sie normalerweise nicht Teil von Systemen mit geschlossenem Regelkreis sind. Warum werden PID-Regelungsmethoden bei Schrittmotoren nicht häufig verwendet?

Der Hauptpunkt eines Schrittmotors ist, dass Sie diskrete Schritte erhalten. Die Kosten sind jedoch größer und der Wirkungsgrad geringer als bei einem kontinuierlichen Motor mit demselben Drehmoment. Schrittmotoren haben auch eine niedrige obere Drehzahl.

Der Vorteil diskreter Schritte kann die verschiedenen Nachteile überwiegen, wenn das System im offenen Regelkreis gesteuert werden kann. Wenn Sie trotzdem Feedback geben und den Regelkreis schließen möchten, bieten Ihnen die Schrittmotoren das Schlimmste aus beiden Welten. Sie können auch einen Positionsgeber mit Rückmeldung oder einen Motor mit Positionsrückmeldung verwenden (wie einen bürstenlosen Gleichstrom mit Hallsensoren).

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Wie Dmitry in einem Kommentar betonte, kann ein Regelkreis um etwas, das nur in diskreten Schritten eingestellt werden kann, sehr leicht zu Schwingungen führen. Das System schwankt kontinuierlich zwischen den beiden Schritten neben der genauen Antwort, wenn eine ungedämpfte I-Antwort vorliegt. Wenn die diskreten Schritte mechanisch sind, kann dies zu einem höheren Stromverbrauch, Verschleiß der Teile und unerwünschter Benutzererfahrung führen.

Dies ist eigentlich nicht besonders selten. In industriellen Systemen sind Schrittmotoren mit Geberrückkopplung relativ häufig. Und für Hobbyisten gibt es zB das Mechaduino- Projekt.

Die Verwendung von Rückkopplungen bei Schrittmotoren bietet mehrere Vorteile:

• Verliert bei Überlastung nicht die Position.
• Kann höhere Drehmomentlasten bewältigen, da die Rückkopplung die Magnetkraft optimal ausrichtet. Bei der Schrittsteuerung mit offenem Regelkreis wäre die maximale magnetische Drehmomentausrichtung, wenn sich der Rotor 1 Schritt hinter dem Magnetfeld befindet. Wenn der Rotor jedoch mehr als eine Stufe zurückfällt, nimmt das Drehmoment ab und er fällt schnell 4 Stufen zurück und verliert Stufen.
• Der Motor läuft kühler, da die Rückmeldung den Steuerstrom je nach Last anpasst.

Der einzige Nachteil gegenüber Steppersystemen mit offenem Regelkreis ist der Preis. Der eigentliche Konkurrent sind jedoch BLDC-Motoren mit geschlossenem Regelkreis, die gegenüber Steppern mit geschlossenem Regelkreis Vorteile haben:

• BLDC-Motoren benötigen nur 3 Push-Pull-Treiberkanäle, während Stepper 4 benötigen.
• BLDC-Motoren können normalerweise einen größeren Drehzahlbereich bewältigen, dies hängt jedoch vollständig von den Konstruktionsoptionen des Motors ab.
• BLDC-Motoren haben weniger Zahnrad , so dass sie eine bessere Positionskontrolle erreichen können.

Dies ist der Grund, warum in Industrieprojekten BLDC-Motoren in Systemen mit geschlossenem Regelkreis immer häufiger eingesetzt werden. Für Bastler sind Schrittmotoren mit hohem Drehmoment jedoch oft billiger als BLDCs mit ähnlichem Drehmoment, und es ist auch mechanisch ein einfaches Upgrade von einem normalen Schrittmotor.

Vorausgesetzt, Sie verpassen keinen Schritt , sollte ein Schrittmotor Ihnen eine deterministische Bewegung geben. Sie können es N Schritte vorwärts und N Schritte rückwärts ausführen, und es befindet sich an derselben Stelle. Dies liegt daran, dass die Schritte diskret sind.

Probleme treten auf, wenn es blockiert oder Sie versuchen, es zu schnell zu fahren. Viele Systeme haben eine einfache Möglichkeit, über einen Endschalter auf einen bekannten Zustand zurückzusetzen. zB Diskettenlaufwerke haben einen "Spur 0" -Sensor; Beim Einsetzen fährt der Computer den Kopf vor und zurück, bis er Spur 0 findet.

Ich habe mit Systemen gearbeitet, die durch Mikroschritt- Schrittmotoren, die dann ein Schneckengetriebe unidirektional antrieben , äußerst präzise Drehpositionen und -geschwindigkeiten erreichten . Der Schlüssel zu diesem System ist ein linearer Encoder, der um das rotierende Teil gewickelt ist und Ihnen eine geschlossene Schleife gibt. Dies positionierte ein Beugungsgitter in einem Spektrometer.

Einige motorisierte Mikroskoptische verwenden auch einen linearen Encoder in der Nähe der Probe. In dieser Anwendung kann sich die Last oder ihre Hebelwirkung so stark ändern, dass sich der Mechanismus verformt oder sich das Spiel ändert, was bedeutet, dass das Zählen der Schritte von einem Referenzschalter keine genaue Position mehr ergibt. Dies kann in einer Konfiguration mit geschlossenem Regelkreis verwendet werden oder nicht (dh wir möchten die Position möglicherweise nur mit einer Genauigkeit von weniger als einem Mikrometer anzeigen oder die Probe in solchen Schritten bewegen).