Als AktorSchrittmotorSchrittmotoren gehören zu den Schlüsselprodukten der Mechatronik und finden breite Anwendung in verschiedenen Automatisierungssystemen. Mit der Weiterentwicklung der Mikroelektronik und Computertechnologie steigt die Nachfrage nach Schrittmotoren stetig, und sie werden in diversen Wirtschaftszweigen eingesetzt.
01 Was ist ein/eSchrittmotor
Ein Schrittmotor ist ein elektromechanisches Gerät, das elektrische Impulse direkt in mechanische Bewegung umwandelt. Durch Steuerung von Sequenz, Frequenz und Anzahl der an die Motorspule angelegten elektrischen Impulse lassen sich Lenkung, Drehzahl und Drehwinkel des Schrittmotors regeln. Ohne ein geschlossenes Regelsystem mit Positionserfassung kann eine präzise Positions- und Drehzahlregelung mit einem einfachen, kostengünstigen offenen Regelsystem, bestehend aus einem Schrittmotor und dem zugehörigen Treiber, erreicht werden.
02 SchrittmotorGrundstruktur und Funktionsprinzip
Grundstruktur:
Funktionsprinzip: Der Schrittmotortreiber steuert anhand eines externen Steuerimpulses und eines Richtungssignals über seine interne Logikschaltung die Wicklungen des Schrittmotors in einer bestimmten Zeitabfolge vorwärts oder rückwärts an, sodass der Motor vorwärts/rückwärts rotiert oder blockiert wird.
Nehmen wir als Beispiel einen 1,8°-Zweiphasen-Schrittmotor: Sind beide Wicklungen bestromt, steht die Motorwelle still und ist in ihrer Position fixiert. Das maximale Drehmoment, das den Motor bei Nennstrom in dieser Position hält, ist das Haltemoment. Wird der Strom in einer der Wicklungen umgeleitet, dreht sich der Motor um einen Schritt (1,8°) in die gewünschte Richtung.
Ändert sich die Stromrichtung in der anderen Wicklung, dreht sich der Motor um einen Schritt (1,8 Grad) in die entgegengesetzte Richtung. Werden die Ströme in den Spulenwicklungen nacheinander zur Erregung umgeleitet, dreht sich der Motor mit hoher Genauigkeit in einem kontinuierlichen Schritt in die vorgegebene Richtung. Bei einer Drehung von 1,8 Grad benötigt ein zweiphasiger Schrittmotor für eine Woche 200 Schritte.
Zweiphasen-Schrittmotoren verfügen über zwei Wicklungstypen: bipolare und unipolare. Bipolare Motoren besitzen nur eine Wicklung pro Phase. Der Motor dreht sich kontinuierlich, wobei der Strom in derselben Spule sequenziell variiert werden muss. Die Ansteuerschaltung benötigt acht elektronische Schalter für die sequentielle Umschaltung.
Unipolare Motoren besitzen zwei Wicklungsspulen mit entgegengesetzter Polarität pro Phase, und der Motor
Die Rotation erfolgt kontinuierlich durch abwechselndes Ansteuern der beiden Wicklungsspulen in derselben Phase.
Die Ansteuerschaltung ist so ausgelegt, dass sie nur vier elektronische Schalter benötigt. Im bipolaren
Im Antriebsmodus wird das Ausgangsdrehmoment des Motors im Vergleich zum vorherigen Modus um etwa 40 % erhöht.
unipolarer Ansteuermodus, da die Wicklungsspulen jeder Phase zu 100 % erregt sind.
03, Schrittmotorlast
A. Momentenlast (Tf)
Tf = G * r
G: Lastgewicht
r: Radius
B. Trägheitslast (TJ)
TJ = J * dw/dt
J = M * (R12+R22) / 2 (Kg * cm)
M: Lastmasse
R1: Radius des Außenrings
R2: Radius des Innenrings
dω/dt: Winkelbeschleunigung
04, Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie des Schrittmotors
Die Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie ist ein wichtiger Ausdruck der Ausgangscharakteristik von Schrittmotoren.
Motoren.
A. Betriebsfrequenzpunkt des Schrittmotors
Der Drehzahlwert des Schrittmotors an einem bestimmten Punkt.
n = q * Hz / (360 * D)
n: Umdrehungen/Sek.
Hz: Frequenzwert
D: Interpolationswert der Ansteuerschaltung
Frage: Schrittwinkel des Schrittmotors
Beispielsweise ein Schrittmotor mit einem Neigungswinkel von 1,8° und einem 1/2-Interpolationsantrieb(d. h. 0,9° pro Schritt), hat eine Geschwindigkeit von 1,25 U/s bei einer Betriebsfrequenz von 500 Hz.
B. Selbstanlaufbereich des Schrittmotors
Der Bereich, in dem der Schrittmotor direkt gestartet und gestoppt werden kann.
C. Kontinuierlicher Betriebsbereich
In diesem Bereich kann der Schrittmotor nicht direkt gestartet oder gestoppt werden. Schrittmotoren inDieser Bereich muss zuerst den Selbststartbereich durchlaufen und dann beschleunigt werden, um den Zielbereich zu erreichen.Arbeitsbereich. Ebenso kann der Schrittmotor in diesem Bereich nicht direkt gebremst werden.Andernfalls kann der Schrittmotor leicht aus dem Takt geraten und muss daher zuerst abgebremst werden.den Selbststartbereich und bremste dann.
D. Maximale Anlauffrequenz des Schrittmotors
Leerlaufzustand des Motors, um sicherzustellen, dass der Schrittmotor den Schrittbetrieb nicht verliert.maximale Impulsfrequenz.
E. Maximale Betriebsfrequenz des Schrittmotors
Die maximale Impulsfrequenz, bei der der Motor zum Laufen angeregt wird, ohne einen Schritt zu verlierenunter Leerlauf.
F. Anlaufdrehmoment / Anzugsmoment des Schrittmotors
Um den Schrittmotor mit einer bestimmten Pulsfrequenz zu starten und in Betrieb zu nehmen, ohneVerlust von Schritten des maximalen Lastmoments.
G. Anlaufdrehmoment/Anzugsdrehmoment des Schrittmotors
Das maximale Lastdrehmoment, das den stabilen Betrieb des Schrittmotors bei einem bestimmten Wert gewährleistet,bestimmte Impulsfrequenz ohne Schrittverlust.
05 Beschleunigungs-/Verzögerungssteuerung für Schrittmotoren
Wenn der Schrittmotor seinen Betriebsfrequenzpunkt in der Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie des kontinuierlichenBetriebsbereich, wie man die Beschleunigung oder Verzögerung des Motors beim Anfahren oder Anhalten verkürztZeit, damit der Motor länger im optimalen Drehzahlbereich läuft und dadurch dieDie effektive Laufzeit des Motors ist von entscheidender Bedeutung.
Wie in der folgenden Abbildung dargestellt, ist die dynamische Drehmomentkennlinie des SchrittmotorsBei niedriger Geschwindigkeit verläuft die Kurve horizontal und gerade; bei hoher Geschwindigkeit nimmt sie exponentiell ab.aufgrund des Einflusses der Induktivität.
Wir wissen, dass die Last des Schrittmotors TL beträgt. Angenommen, wir möchten von F0 auf F1 beschleunigen.Wie berechnet man die kürzeste Zeit (tr)?
(1) Normalerweise gilt: TJ = 70 % Tm
(2) tr = 1,8 * 10 -5 * J * q * (F1-F0)/(TJ -TL)
(3) F (t) = (F1-F0) * t/tr + F0, 0
B. Exponentielle Beschleunigung im Hochgeschwindigkeitszustand
(1) Normalerweise
TJ0 = 70%Tm0
TJ1 = 70%Tm1
TL = 60%Tm1
(2)
tr = F4 * In [(TJ 0-TL)/(TJ 1-TL)]
(3)
F (t) = F2 * [1 - e^(-t/F4)] + F0, 0
F2 = (TL-TJ 0) * (F1-F0)/TJ 1-TJ 0)
F4 = 1,8 * 10-5 * J * q * F2/(TJ 0-TL)
Anmerkungen.
J bezeichnet das Trägheitsmoment des Motorrotors unter Last.
q ist der Drehwinkel jedes Schrittes, der dem Schrittwinkel des Schrittmotors im
Fall des gesamten Laufwerks.
Beim Verzögerungsvorgang kann einfach die Frequenz des obigen Beschleunigungsimpulses umgekehrt werden.
berechnet.
06 Schrittmotor-Vibrationen und Geräusche
Im Allgemeinen gilt für Schrittmotoren im Leerlaufbetrieb: Wenn die MotorbetriebsfrequenzWenn die Frequenz des Motorrotors nahe an seiner Eigenfrequenz liegt oder dieser entspricht, gerät er in Resonanz, was schwerwiegende Folgen haben kann.Es kann zu Synchronisationsproblemen kommen.
Mehrere Lösungen für Resonanz:
A. Vermeiden Sie den Vibrationsbereich, damit die Betriebsfrequenz des Motors nicht in den Bereich fällt, derder Vibrationsbereich
B. Unterteilungsantriebsmodus anwenden: Durch Verwendung des Mikroschrittantriebsmodus werden Vibrationen reduziert.
Unterteilung des ursprünglichen einen Schritts in mehrere Schritte, um die Auflösung jedes einzelnen Schritts zu erhöhen
Motorschritt. Dies kann durch Anpassen des Phasen-Strom-Verhältnisses des Motors erreicht werden.
Mikroschrittbetrieb erhöht nicht die Schrittwinkelgenauigkeit, sondern lässt den Motor schneller laufen.
reibungsloser und geräuschärmer. Das Drehmoment ist im Halbschrittbetrieb im Allgemeinen um 15 % geringer.
als bei Vollschrittbetrieb und 30 % niedriger bei Sinuswellen-Stromregelung.
Veröffentlichungsdatum: 09.11.2022