Auswahl von Schrittmotoren in Automatisierungsgeräten

SchrittmotorenDiese Antriebslösung kann zur Drehzahl- und Positionsregelung ohne Rückkopplungsgeräte (d. h. offene Regelschleife) eingesetzt werden und ist daher sowohl wirtschaftlich als auch zuverlässig. Schrittmotoren sind in Automatisierungsgeräten und -instrumenten weit verbreitet. Viele Anwender haben jedoch Fragen zur Auswahl des richtigen Schrittmotors, zur optimalen Leistung des Schrittmotors oder zu weiteren Fragen. Dieser Artikel befasst sich mit der Auswahl von Schrittmotoren und konzentriert sich dabei auf die Anwendung einiger Erfahrungen aus der Schrittmotortechnik. Ich hoffe, dass dies zur Verbreitung von Schrittmotoren in Automatisierungsgeräten beitragen wird.

 

1. Einführung vonSchrittmotor

Der Schrittmotor wird auch als Impulsmotor oder Schrittmotor bezeichnet. Er bewegt sich bei jeder Änderung des Erregungszustands entsprechend dem Eingangsimpulssignal um einen bestimmten Winkel und verharrt bei unverändertem Erregungszustand in einer bestimmten Position. Dadurch kann der Schrittmotor das Eingangsimpulssignal in einen entsprechenden Winkel für den Ausgang umwandeln. Durch die Steuerung der Anzahl der Eingangsimpulse lässt sich der Winkel des Ausgangs präzise bestimmen, um eine optimale Positionierung zu erreichen. Durch die Steuerung der Frequenz der Eingangsimpulse lässt sich die Winkelgeschwindigkeit des Ausgangs präzise steuern und die Drehzahl regulieren. Ende der 1960er Jahre entstanden verschiedene praxistaugliche Schrittmotoren, die sich in den letzten 40 Jahren rasant weiterentwickelt haben. Schrittmotoren konnten neben Gleichstrommotoren, Asynchronmotoren und Synchronmotoren eingesetzt werden und haben sich zu einem grundlegenden Motortyp entwickelt. Es gibt drei Arten von Schrittmotoren: Blindleistungsmotoren (VR-Typ), Permanentmagnetmotoren (PM-Typ) und Hybridmotoren (HB-Typ). Der Hybrid-Schrittmotor vereint die Vorteile der ersten beiden Schrittmotorarten. Der Schrittmotor besteht aus einem Rotor (Rotorkern, Permanentmagnete, Welle, Kugellager), einem Stator (Wicklung, Statorkern), vorderen und hinteren Endkappen usw. Der typischste zweiphasige Hybrid-Schrittmotor hat einen Stator mit 8 großen Zähnen, 40 kleinen Zähnen und einen Rotor mit 50 kleinen Zähnen; ein dreiphasiger Motor hat einen Stator mit 9 großen Zähnen, 45 kleinen Zähnen und einen Rotor mit 50 kleinen Zähnen

 

2. Kontrollprinzip

DerSchrittmotorDer Schrittmotor kann nicht direkt an die Stromversorgung angeschlossen werden und empfängt auch keine elektrischen Impulssignale. Die Kommunikation mit der Stromversorgung und dem Controller erfolgt über eine spezielle Schnittstelle – den Schrittmotortreiber. Dieser besteht in der Regel aus einem Ringverteiler und einer Leistungsverstärkerschaltung. Der Ringverteiler empfängt die Steuersignale vom Controller. Bei jedem eingehenden Impulssignal wird dessen Ausgang einmal umgewandelt. Anhand des Vorhandenseins oder Fehlens und der Frequenz des Impulssignals lässt sich bestimmen, ob die Drehzahl des Schrittmotors hoch oder niedrig ist, ob er beschleunigt oder verzögert, startet oder stoppt. Der Ringverteiler überwacht zudem das Richtungssignal vom Controller, um festzustellen, ob seine Ausgangszustandsübergänge positiv oder negativ sind, und bestimmt so die Steuerung des Schrittmotors.

 

3. Hauptparameter

①Blocknummer: hauptsächlich 20, 28, 35, 42, 57, 60, 86 usw.

②Phasenzahl: Die Anzahl der Spulen im Schrittmotor. Die Phasenzahl eines Schrittmotors ist in der Regel zweiphasig, dreiphasig und fünfphasig. In China werden hauptsächlich zweiphasige Schrittmotoren verwendet, auch dreiphasige gibt es. In Japan werden häufiger fünfphasige Schrittmotoren eingesetzt.

3. Schrittwinkel: Entspricht einem Impulssignal, der Winkelverschiebung der Motorrotordrehung. Die Formel zur Berechnung des Schrittwinkels eines Schrittmotors lautet wie folgt

Schrittwinkel = 360° ÷ (2mz)

m die Anzahl der Phasen eines Schrittmotors

Z die Zähnezahl des Rotors eines Schrittmotors.

Nach der obigen Formel beträgt der Schrittwinkel von Zweiphasen-, Dreiphasen- und Fünfphasen-Schrittmotoren 1,8°, 1,2° bzw. 0,72°

④ Haltemoment: ist das Drehmoment der Statorwicklung des Motors durch den Nennstrom, aber der Rotor dreht sich nicht, der Stator blockiert den Rotor. Das Haltemoment ist der wichtigste Parameter von Schrittmotoren und bildet die Hauptgrundlage für die Motorauswahl

⑤ Positionierdrehmoment: Das Drehmoment, das zum Drehen des Rotors mit externer Kraft erforderlich ist, wenn der Motor keinen Strom durchlässt. Das Drehmoment ist ein Leistungsindikator zur Bewertung des Motors. Bei gleichbleibenden Parametern gilt: Je kleiner das Positionierdrehmoment, desto geringer ist der „Schlitzeffekt“, desto besser läuft der Motor bei niedriger Drehzahl. Drehmoment-Frequenz-Kennlinie: Bezieht sich hauptsächlich auf die langgezogene Drehmoment-Frequenz-Kennlinie. Ein stabiler Motorbetrieb bei einer bestimmten Drehzahl kann dem maximalen Drehmoment standhalten, ohne Schritt zu verlieren. Die Moment-Frequenz-Kurve beschreibt die Beziehung zwischen maximalem Drehmoment und Drehzahl (Frequenz) ohne Schrittverlust. Die Drehmoment-Frequenz-Kurve ist ein wichtiger Parameter des Schrittmotors und bildet die Grundlage für die Motorauswahl.

⑥ Nennstrom: der zur Aufrechterhaltung des Nenndrehmoments erforderliche Motorwicklungsstrom, der Effektivwert

 

4. Punkte auswählen

In industriellen Anwendungen werden Schrittmotordrehzahlen von bis zu 600 bis 1500 U/min verwendet. Bei höheren Drehzahlen können Sie einen Schrittmotorantrieb mit geschlossenem Regelkreis in Betracht ziehen oder ein geeigneteres Servoantriebsprogramm anhand der Schrittmotorauswahlschritte auswählen (siehe Abbildung unten).

 

(1) Wahl des Schrittwinkels

Je nach Phasenanzahl des Motors gibt es drei Schrittwinkel: 1,8° (zweiphasig), 1,2° (dreiphasig) und 0,72° (fünfphasig). Der fünfphasige Schrittwinkel weist zwar die höchste Genauigkeit auf, doch sind Motor und Antrieb teurer, weshalb er in China selten eingesetzt wird. Darüber hinaus nutzen gängige Schrittmotorantriebe mittlerweile die Unterteilungstechnologie. In der folgenden Unterteilung ist die Genauigkeit des Schrittwinkels weiterhin gewährleistet. Betrachtet man daher nur die Schrittwinkelgenauigkeit, kann ein fünfphasiger Schrittmotor durch einen zwei- oder dreiphasigen Schrittmotor ersetzt werden. Wenn beispielsweise bei der Anwendung einer Leitung für eine 5-mm-Schraubenlast ein Zweiphasen-Schrittmotor verwendet wird und der Treiber auf 4 Unterteilungen eingestellt ist, beträgt die Anzahl der Impulse pro Umdrehung des Motors 200 x 4 = 800 und das Impulsäquivalent beträgt 5 ÷ 800 = 0,00625 mm = 6,25 μm. Mit dieser Genauigkeit können die meisten Anwendungsanforderungen erfüllt werden.

(2) Auswahl des statischen Drehmoments (Haltemoment)

Zu den häufig verwendeten Lastübertragungsmechanismen gehören Synchronriemen, Filamentstangen, Zahnstangen und Ritzel usw. Kunden berechnen zunächst ihre Maschinenlast (hauptsächlich Beschleunigungsdrehmoment plus Reibungsdrehmoment) und rechnen diese in das erforderliche Lastdrehmoment an der Motorwelle um. Dann werden entsprechend der von den elektrischen Blumen benötigten maximalen Laufgeschwindigkeit die folgenden zwei verschiedenen Anwendungsfälle verwendet, um das entsprechende Haltedrehmoment des Schrittmotors auszuwählen ① für die Anwendung der erforderlichen Motorgeschwindigkeit von 300 pm oder weniger: Wenn die Maschinenlast in das erforderliche Lastdrehmoment T1 der Motorwelle umgerechnet wird, wird dieses Lastdrehmoment mit einem Sicherheitsfaktor SF (normalerweise 1,5–2,0 angenommen) multipliziert, d. h. das erforderliche Haltedrehmoment Tn des Schrittmotors ②2 für Anwendungen, die eine Motorgeschwindigkeit von 300 pm oder mehr erfordern: Stellen Sie die maximale Geschwindigkeit Nmax ein. Wenn die Maschinenlast in das erforderliche Lastdrehmoment T1 der Motorwelle umgerechnet wird, wird dieses Lastdrehmoment mit einem Sicherheitsfaktor SF (normalerweise 2,5–3,5) multipliziert, was das Haltedrehmoment Tn ergibt. Wählen Sie anhand von Abbildung 4 ein geeignetes Modell aus. Prüfen und vergleichen Sie anschließend anhand der Drehmoment-Frequenz-Kurve: Entspricht die vom Benutzer gewünschte Maximaldrehzahl Nmax dem maximalen Verlustdrehmoment von T2, sollte das maximale Verlustdrehmoment T2 mehr als 20 % größer als T1 sein. Andernfalls ist ein neuer Motor mit höherem Drehmoment erforderlich. Prüfen und vergleichen Sie anschließend anhand der Drehmoment-Frequenz-Kurve des neu ausgewählten Motors.

(3) Je größer die Motorbasiszahl, desto größer das Haltemoment.

(4) Wählen Sie entsprechend dem Nennstrom den passenden Schrittmotortreiber aus.

Wenn beispielsweise der Nennstrom eines Motors 57CM23 5 A beträgt, müssen Sie den maximal zulässigen Strom des Antriebs von mehr als 5 A anpassen (bitte beachten Sie, dass es sich um den Effektivwert und nicht um den Spitzenwert handelt). Andernfalls kann das maximale Ausgangsdrehmoment des Motors nur etwa 60 % betragen, wenn Sie einen maximalen Strom von nur 3 A für den Antrieb wählen!

5. Anwendungserfahrung

(1) Problem der Niederfrequenzresonanz des Schrittmotors

Der Unterteilungsschrittantrieb ist eine effektive Methode, um die niederfrequente Resonanz von Schrittmotoren zu reduzieren. Unter 150 U/min reduziert der Unterteilungsantrieb die Motorvibration sehr effektiv. Theoretisch gilt: Je größer die Unterteilung, desto besser die Reduzierung der Schrittmotorvibration. Tatsächlich erhöht sich die Unterteilung jedoch auf 8 oder 16, sobald die Verbesserungswirkung auf die Reduzierung der Schrittmotorvibration das Maximum erreicht hat.

In den letzten Jahren wurden im In- und Ausland Schrittmotortreiber mit Anti-Niederfrequenzresonanz eingeführt. Die Produkte der DM- und DM-S-Serie von Leisai verfügen über die Anti-Niederfrequenzresonanztechnologie. Diese Treiberserie nutzt eine harmonische Kompensation. Durch die Amplituden- und Phasenanpassungskompensation können die niederfrequenten Vibrationen des Schrittmotors erheblich reduziert werden, wodurch ein vibrationsarmer und geräuscharmer Betrieb des Motors erreicht wird.

(2) Der Einfluss der Schrittmotorunterteilung auf die Positioniergenauigkeit

Die Antriebsschaltung für die Unterteilung des Schrittmotors kann nicht nur die Laufruhe der Gerätebewegung verbessern, sondern auch die Positionierungsgenauigkeit des Geräts effektiv verbessern. Tests zeigen: Bei der Bewegungsplattform mit Synchronriemenantrieb und vier Unterteilungen des Schrittmotors kann der Motor bei jedem Schritt präzise positioniert werden.