SPS- und Schritttreiber-Steuerungsprinzip
SPS- und Schritttreiber-Steuerungsprinzip
Kontrollprinzip
Zur Positionierungssteuerung werden üblicherweise Schrittmotoren eingesetzt. Sie können durch die Anzahl der von einer SPS ausgegebenen Impulse gesteuert werden, um den Drehwinkel (und damit die Entfernung) zu bestimmen, wobei die Impulsfrequenz die Geschwindigkeit des Motors reguliert. Schrittmotorsysteme sind einfach, kostengünstig und leicht zu steuern, sodass sie für Anwendungen geeignet sind, bei denen die Steuerungsgenauigkeit nicht besonders wichtig ist. Für hochpräzise Steuerungsszenarien sind typischerweise Servosteuerungssysteme erforderlich.
Ein Schrittsystem besteht aus einem Schritttreiber und einem Schrittmotor. Der Schrittmotor wird vom Schritttreiber angetrieben, der als Stromquelle fungiert. Der Treiber wird durch externe Impuls- und Richtungssignale (in diesem Beispiel Impulse von einer Siemens-SPS) gesteuert und regelt so den Drehwinkel und die Geschwindigkeit des Motors.
Schlüsseldefinitionen
1. Fahrer:Der Vermittler zwischen SPS und Schrittmotor. Es verstärkt die Impulssignale von der SPS und überträgt sie an den Schrittmotor, sodass dieser gemäß den von der SPS und dem Treiber festgelegten Parametern arbeiten kann.
2. Schrittwinkel:Der Winkel, um den sich der Schrittmotor bei jedem Impuls dreht. Ein üblicher Schrittwinkel beträgt 1,8°, der normalerweise nicht einstellbar ist.
Beispiel: Wie viele Impulse muss die SPS ausgeben, um einen Schrittmotor mit einem Schrittwinkel von 1,8° ohne Mikroschritt um eine volle Umdrehung (360°) zu drehen?
Antwort: 360° / X = 1,8° / 1 ⇒ X = 200 Impulse.
3. Mikroschritt:In praktischen Anwendungen kann ein großer Schrittwinkel zu erheblichen Vibrationen führen und Steuerungsfehler erhöhen. Beim Mikroschritt wird der Schrittwinkel mithilfe der DIP-Schalter des Treibers in kleinere Segmente unterteilt, was zu einem gleichmäßigeren Motorbetrieb führt.
Beispiel: Wenn der Schrittwinkel 1,8° beträgt und der Mikroschritt auf 10 eingestellt ist, wie viele Impulse sind dann erforderlich, damit der Motor eine volle Umdrehung durchführt?
Antwort: 360° / X = (1,8° / 10) / 1 ⇒ X = 2000 Impulse.
Zusammenfassung: Ein größerer Schrittwinkel erfordert weniger Impulse, während ein kleinerer Schrittwinkel mehr Impulse erfordert.
Steppersystem-Hardware (am Beispiel des Phidgets-Schrittmotors)
1. Schrittmotortreiber
Impuls- und Richtungssteuerung: Wenn an PUL ein Impuls erzeugt wird, dreht sich der Motor, wobei die Richtung durch DIR bestimmt wird.
Vorwärtsimpuls- und Rückwärtsimpulssteuerung: Impulse an PUL bewirken, dass sich der Motor vorwärts dreht, während Impulse an DIR ihn rückwärts drehen lassen. PUL und DIR sollten nicht gleichzeitig Impulse erzeugen.
2. Schrittmotor
Wenn die A- und B-Phasenwicklungen vertauscht werden, dreht sich der Motor in die entgegengesetzte Richtung.
Die Signalspannung des Schrittmotors beträgt 5 V, während die Siemens-SPS mit 24 V arbeitet. Beim Anschluss an den Treiber muss ein 1,2 K, 1/4 W Widerstand in Reihe geschaltet werden, wie im roten Teil des Diagramms dargestellt.
Die Siemens-SPS (CPU222) unterstützt zwei Arten von Hochgeschwindigkeitsimpulsausgängen:
Zapfwelle (Pulse Train Output): 50 % Einschaltdauer.
PWM (Puls-Weiten-Modulation): Einstellbarer Arbeitszyklus.
Diese Hochgeschwindigkeits-Impulsausgänge können zur Steuerung von Schrittmotortreibern sowie der Bewegung und Geschwindigkeit bestimmter Geräte verwendet werden.