EINE EINFÜHRUNG ZUR TERMINOLOGIE UND PARAMETER VON SCHRITTMOTOREN

Die Bedienung von Schrittmotoren ist weniger intuitiv als die Bedienung von Bürsten-DC-Motoren oder bürstenlosen DC-Motoren. Infolgedessen werden sie oft als schwieriger zu verstehen und zu kontrollieren empfunden. Schrittmotoren sind jedoch von Natur aus Positionierungsgeräte, die die Entwicklung einfacherer, weniger komplizierter und kompakterer Bewegungssysteme ermöglichen, unter anderem für den Einsatz im medizinischen und biowissenschaftlichen Bereich. Wir möchten dieses Verständnis erleichtern, indem wir einen kurzen Überblick über die Technologie und Terminologie von Schrittmotoren geben, insbesondere in Bezug auf die Suche im Lieferprogramm.

EINE EINFÜHRUNG IN SCHRITTMOTOREN

Erläuterungen zu Schrittmotoren

Schrittmotoren wandeln elektrische Impulse der Antriebselektronik in einzelne mechanische Schritte oder Winkelschritte für einen rotierenden Schrittmotor um. Sie ähneln bürstenlosen Synchronmotoren insofern, als sie eine bürstenlose Konstruktion aufweisen, bei der die Motorphasen mithilfe eines Frequenzumrichters elektronisch kommutiert werden. Dies steht im Gegensatz zu Bürsten-DC-Motoren, die sich durch ein mechanisches Kommutierungssystem auszeichnen, das durch den mechanischen Kontakt der Bürsten mit den Kollektoren zustande kommt.

Schrittmotoren sind ähnlich aufgebaut wie BLDC-Motoren, insbesondere in Bezug auf Rotor und Stator des Motors:

1. Motorrotor. Der Rotor besteht entweder aus einem ferromagnetischen Verzahnungsteil (d. h. ohne Magnet), was ihn zu einem Schrittmotor mit variabler Reluktanz macht, oder der Rotor enthält Permanentmagnete, was ihn zu einem Permanentmagnet-Schrittmotor macht. Die Magnete verfügen in der Regel über viele Polpaare, um eine hohe Schrittauflösung zu gewährleisten.

2. Motorstator. Der Stator besteht aus den Wicklungen der Phasen, unterscheidet sich jedoch durch die Anzahl der Phasen von einem bürstenlosen Motor. Ein herkömmlicher Permanentmagnet-Schrittmotor ist zweiphasig, während ein herkömmlicher bürstenloser Motor dreiphasig ist. Dies sind die am häufigsten vorkommenden Motortypen auf dem Markt, aber es können auch bürstenlose oder Schrittmotoren mit einer unterschiedlichen Anzahl von Phasen entwickelt werden. Bitte beachten Sie, dass Schrittmotoren mit variabler Reluktanz mindestens dreiphasig sind; andernfalls wäre die Drehrichtung nicht sichergestellt. Die Can-Stack- und Scheibenmagnet-Schrittmotoren von Portescap sind beides Permanentmagnet-Schrittmotoren und haben daher einen zweiphasigen Aufbau.

In den meisten Fällen wird ein Schrittmotor im offenen Regelkreis betrieben, indem der Strom in den Phasen unabhängig von der Rotorposition angelegt wird. Der Rotor bleibt in einer bestimmten Position arretiert, solange der Strom in den Phasen aufrechterhalten wird und sich nicht ändert. Für Anwendungen, die eine inkrementelle Winkelbewegung erfordern, ist es sehr praktisch, einen Schrittmotor im offenen Regelkreis zu verwenden. In diesem Fall benötigt der Motor kein Rückkopplungssystem (wie einen Geber), um die Rotorposition zu kennen. Die Position des Rotors lässt sich direkt anhand der von der Elektronik angeforderten Schrittzahl erkennen. Es ist jedoch von entscheidender Bedeutung, die am Motor anliegende Last genau zu kennen, um sicherzustellen, dass der Motor leistungsstark genug ist und ein Blockieren sowie der Verlust von Schritten vermieden wird.

Hinweis: Durch die Integration eines Gebers in einen Schrittmotor kann der Motor wie ein bürstenloser Servomotor mit Rückkopplung betrieben werden. Auf diese Weise kann die maximale Leistung des Motors erzielt werden. Diese Konfiguration ist jedoch aufgrund des zusätzlichen Gebers und des Einsatzes eines fortschrittlicheren elektronischen Antriebs ein komplizierteres und kostspieligeres System.

Technologie und Anwendungen von Schrittmotoren

Das Portescap-Produktportfolio umfasst drei Haupttechnologien für Schrittmotoren: Can-Stack-Schrittmotoren, Linearaktuatoren-Schrittmotoren und Scheibenmagnet-Schrittmotoren.

1. Can-Stack-Schrittmotoren. Can-Stack-Schrittmotoren werden in der Regel angeboten, wenn eine angemessene Genauigkeit und ein moderates Drehmoment erforderlich sind. Dieser Permanentmagnet-Schrittmotor nutzt die einfachsten Techniken und Konstruktionen für eine effektive Lösung. Zu den typischen Anwendungen, bei denen diese Technologie zum Einsatz kommt, gehören die klinische Diagnostik und die Positionierung von Ventilen oder Antennen.

2. Linearaktuator-Schrittmotoren. Schrittmotoren mit Linearaktuatoren erzeugen Translationsbewegungen und lassen sich so einfach wie ein Can-Stack-Motor bedienen, was zu einer kostengünstigen und zuverlässigen Bewegungslösung führt. Das verfügbare geschlossene Design verringert die Gesamtgröße und erzeugt eine rein translatorische Bewegung, während das offene lineare Schrittmotordesign einen längeren Verfahrweg ermöglicht. Der Einsatz von Linearaktuatoren im medizinischen Bereich reicht von Spritzenpumpen und elektronischen Pipetten bis hin zu unterschiedlichen Translationsbewegungen von Bauteilen in Point-of-Care-Geräten. Diese Technologie wird auch in Ventilen im Bereich Heizungs-, Lüftungs- und Klimatechnik, sowie in der Industrieautomation für Einstellmechanismen und bei der Antennenpositionierung im Telekommunikationsbereich eingesetzt.

3. Scheibenmagnet-Schrittmotoren. Scheibenmagnet-Schrittmotoren verfügen über ein einzigartiges Design, das sich durch eine schmale Magnetscheibe auszeichnet. Dies ermöglicht feinere Schrittauflösungen als Permanentmagnet-Schrittmotoren in einem gegebenen Bereich, eine deutlich höhere Beschleunigung aufgrund der geringen Trägheit und eine höhere Spitzendrehzahl als herkömmliche Schrittmotoren aufgrund eines kürzeren Magnetkreises mit geringeren Eisenverlusten. Daher eignen sich diese Schrittmotoren hervorragend für Anwendungen, die eine schnelle inkrementelle Bewegung und sowohl die Bewegungsgenauigkeit eines Schrittmotors als auch die Drehzahl und Beschleunigung eines bürstenlosen Gleichstrommotors erfordern. Sie sind ebenfalls eine hervorragende Wahl für mobile Anwendungen, Geräte mit Größenbeschränkungen und Anwendungen, die eine schnelle und präzise Positionierung benötigen.

Typische Anwendungen im medizinischen Bereich, in denen diese Motoren zum Einsatz kommen, sind elektronische Pipetten und Arzneimittelverabreichungssysteme wie Insulinpumpen, da der Motor das wiederholt exakte Dosieren der Zielmenge ermöglicht. Sie werden für Pick-and-Place-Anwendungen in der Halbleiterindustrie eingesetzt, da der Motor dank seiner hohen Dynamik und Genauigkeit eine optimale Produktivität ermöglicht. Auch die optische Linsenpositionierung verwendet Scheibenmagnetmotoren, da sie sehr kompakt sind und eine hohe Auflösung sowie gute Dynamik bei der Positionierung von Linsen bieten. Diese Motorentechnologie wird auch in der Textilindustrie für Garnführungen sowohl im offenen als auch im geschlossenen Regelkreis eingesetzt, da sie eine äußerst hohe Dynamik beim Vor- und Zurückbewegen der Garnführung ermöglicht.

Terminologie von Schrittmotoren

Das Verständnis der Begriffe rund um Schrittmotoren ist entscheidend, um über fundierte Kenntnisse dieser Motortechnologie zu verfügen. Einige der Parameter sind bei verschiedenen Motortechnologien üblich, z. B. elektrische Parameter (Widerstand, Induktivität, Nennstrom), thermische Parameter oder Trägheit. Es gibt jedoch noch viele andere Eigenschaften, wie z. B. Schritte pro Umdrehung, die ausschließlich für Schrittmotoren spezifisch sind

Hinweis: Im Portescap-Lieferprogramm finden Sie spezifische Angaben zur Leistung von Schrittmotoren im statischen und dynamischen Modus, um die richtige Auswahl zu erleichtern.

Intrinsische Parameter

Diese Parameter helfen bei der Beurteilung, ob die Designmerkmale des Motors mit der Anwendungsleistung vereinbar sind oder wie sie sich auf diese auswirken.

1. Schritte pro Umdrehung. Dies ist die Anzahl der vollen Schritte, die der Motor über eine volle Umdrehung ausführen kann. Dies entspricht auch der Anzahl stabiler Stellungen, die der Rotor erreichen kann, wenn der Motor im Vollschrittbetrieb gefahren wird. Sie errechnet sich aus der Anzahl der Polpaare und Phasen: Schritte pro Umdrehung = Anzahl der Phasen x Anzahl der Polpaare.

2. Schrittwinkel.Dies ist die Winkeldrehung während eines vollständigen Schritts, die in der Regel in Grad angegeben wird. Sie kann aus der Anzahl der Schritte pro Umdrehung berechnet werden: Schrittwinkel = 360° / Schritte pro Umdrehung.

3. Rotationsträgheit. Dies ist die Trägheit des Rotors in Kilogramm x Quadratmeter [kg.m^2].

Elektrische Parameter

Diese Parameter sind nützlich, um den elektronischen Treiber auszuwählen und die entsprechenden Parameter korrekt einzustellen.

4. Widerstand pro Phase, typ. Elektrischer Widerstand der Spulenwicklung in Ohm [Ω]. Dieser Parameter hängt von der Länge und dem Durchmesser des Magnetdrahts ab, der zum Aufwickeln der einphasigen Spule verwendet wird.

5. Induktivität pro Phase, typ. Elektrische Induktivität der Spulenwicklung in mili-Henry [mH]. Sie hängt hauptsächlich vom Magnetkreis ab und verhält sich proportional zum Quadrat der Anzahl der Windungen der Spule. Sie wird in der Regel bei einer Frequenz von 1 kHz gemessen.

6. Elektrische Zeitkonstante. Dies ist die Zeitkonstante L/R (Induktivität dividiert durch Widerstand) in Sekunden [s], die den exponentiellen Anstieg des Stroms in der Motorphase 1. Ordnung kennzeichnet

Dieser Parameter ist wichtig für Schrittmotoren, da er eine wichtige Rolle bei der Motorleistung bei hoher Drehzahl spielt. Da Schrittmotoren über eine hohe Anzahl von Magnetpolen verfügen, ist die Kommutationsfrequenz hoch. Daher wird der Zeitschritt, bis der Strom in der Phase ansteigt, zu klein, um den Strom vollständig bis zu seinem Maximalwert U/R aufzubauen.

7. Betriebsspannung. Die Betriebsspannung, auch Nennspannung in Volt [V] genannt, gibt in der Regel den Hinweis, den Motor mit einem Spannungsantrieb anzutreiben. Sie ist die maximale Spannung, die an eine Phase des Motors angelegt werden kann, um den Nennstrom des Motors zu erreichen. Wir können das Ohmsche Gesetz verwenden, um diese Beziehung zu überprüfen, wenn wir den Phasenwiderstand kennen: U = R x I.

8. Nennphasenstrom (2 Ph. Ein) und Nennphasenstrom (1 Ph. Ein).Dies ist der maximale Strom in Ampere [A], der dem Motor kontinuierlich zugeführt werden kann. Normalerweise wird der Stromwert durch thermische Einschränkungen begrenzt. Die maximalen Joule-Verluste, die für den Motor akzeptabel sind, belaufen sich auf ∆T⁄R_th.

Hier ein Beispiel:

• R_th = 50°C/W and ∆T = 100°C, so P_joules = 100⁄50=2W
• Der Phasenwiderstand des Motors ist R = 1Ω

n Vollschritten 1 Phase ein:

Jedoch in Vollschritten 2 Phasen ein:

Wir sehen jetzt:

Thermische Parameter

Die thermischen Paramter helfen dabei, die thermischen Einschränkungen nachzuvollziehen und sicherzustellen, dass der Motor sicher und ohne Überhitzen betrieben werden kann.

9. Maximale Spulentemperatur. Dies ist die maximale Temperatur in Grad Celsius [°C], der die Spule ohne Beschädigung ausgesetzt werden kann. Ein Überschreiten dieses Grenzwerts könnte die Spule verbrennen und irreversible Schäden verursachen.

10. Wärmewiderstand der Umgebung der Spule. TDies ist der thermische Widerstand in Grad Celsius pro Watt [°C/W] zwischen der Spule und der Umgebungsluft um den Motor herum, wobei der Motor in der Luft hängt. Dieser Wert spiegelt die Fähigkeit des Motors wider, Wärme an die Umgebungsluft abzuführen, und verringert sich bei aktiver Kühlung (Kühlkörper, Flügelrad). Wenn der Motor mit einem Metallteil verbunden wird, verringert sich auch der Wärmewiderstand des Motors.

11. Umgebungstemperaturbereich. Der Bereich der Umgebungstemperatur in Grad Celsius [°C], in dem der Motor sicher arbeiten kann. Beachten Sie bitte, dass der Strom angepasst werden muss, wenn der Motor bei einer Temperatur von mehr als 25 °C betrieben wird, um ein Überhitzen der Spule zu verhindern.

Motorleistung im statischen Modus

Schrittmotoren können als Positioniervorrichtungen verwendet werden. In diesem Abschnitt wird erläutert, wie der Motor unter solchen Bedingungen arbeitet und welche Hauptparameter dabei berücksichtigt werden müssen.

12. Haltedrehmoment, Nennstrom. Dies ist das maximale statische Drehmoment in Newtonmeter [Nm], das der Motor bei einem Nennstrom erzeugt. In der Praxis lässt sich dieses Drehmoment messen, indem eine Phase mit Nennstrom erregt und der Motor progressiv belastet wird, bis er die Stufe verliert; es kann auch durch Erregung beider Phasen mit dem 2-Phasen-Ein-Nennstrom bestimmt werden. Das maximal erreichbare Lastmoment entspricht dem Haltemoment des Motors.

Wenn mehr als der Nennstrom angelegt wird, muss ein Arbeitszyklus angewendet werden, um die Spulentemperatur unter dem maximalen Nennwert zu halten. Eine Sättigung tritt auf, wenn das ferromagnetische Material trotz Erhöhung des Stroms keine weitere Feldleitung mehr bieten kann. Das bedeutet, dass oberhalb eines bestimmten Phasenstromniveaus das vom Motor erzeugte Drehmoment nicht mehr proportional zum Strom ansteigt. Die in der Spule erzeugten Joule-Verluste steigen jedoch proportional zum Quadrat des Stroms: P_Joule = R x I ^2.

Bei einigen Motoren kann das Haltemoment auch bei 1,5 Nennstrom angegeben werden, um die Sättigung des Magnetkreises und die Fähigkeit, den Motor zu „boosten“, wiederzugeben. Aus dem Wert des Haltemoments können wir mit folgender Formel die Motordrehmomentkonstante definieren: Kt = T_holding / I_rated. Bei Schrittmotoren ist die Drehmomentkonstante in der Regel nicht definiert, da das Haltemoment kein zu erreichendes Drehmoment ist.

Auch wenn es nicht um die Drehmomentkonstante geht, wird die Rück-EMK in vielen Lieferprogrammen angegeben. Die Drehmomentkonstante kann mit folgender Formel aus der Rück-EMK abgeleitet werden: Kt [Nm/A] = RückEMK [V/U] * PI/30

13. Rück-EMK-Amplitude Die Rück-EMK-Amplitude ist die Amplitude 0-Spitze in Volt, die an einer Phase des Motors gemessen werden kann, wenn der Motor mit einer bestimmten Drehzahl/Schrittfrequenz rückwärts angetrieben wird (Abb. 4).

Diese wird in Volt / 1000 Schritte / Sekunde [V/kstep/s] angegeben. Sie kann mit folgender Formel in V / krpm umgerechnet werden: Rück-EMK [V/krpm] = Rück-EMK [V/kstep/s] * 2 * 2 * N / 60, wobei N = Anzahl der Polpaare.

14. Rastmoment. Es wird auch als Restdrehmoment bezeichnet und in Newtonmeter [Nm] angegeben. Das in den Lieferprogrammen angegebene Rastmoment ist in der Regel eine Kombination aus dem durch den Magnetkreis verursachten Restmoment und dem Reibmoment (Reibung durch die Gleitlager oder die Kugellager). Das Rastmoment ohne Reibung ist in der Regel auf die Anziehung der Magnetpole des Rotors vor den Schlitzen des Stators zurückzuführen, wenn der Motor spannungslos ist. Es handelt sich um eine 4. Oberschwingung des Drehmoments, das von einer der Motorphasen erzeugt wird.

Das Rastmoment kann hilfreich sein, um die Position zu halten, ohne den Motor mit Strom zu versorgen, was den Energieverbrauch senken kann. Andererseits führt das Rastmoment zu einer Verzerrung des gesamten verfügbaren Drehmoments, was beim Fahren in Mikroschritten nicht erwünscht ist.

15. Arbeitspunkt und Lastwinkel von Schrittmotoren. In diesem Beispiel wird das Reibmoment des Motors vernachlässigt. Bei Nulllast erzeugt der Motor kein Drehmoment, da der elektrische Winkel zwischen dem Magnetfeld des Rotors und dem Magnetfeld des Stators 0° beträgt. Das maximale Drehmoment, auch Haltemoment genannt, wird generiert, wenn der Winkel zwischen diesen beiden Feldern gleich 90° ist. Wenn der Motor belastet wird, erreicht er eine Gleichgewichtsposition, in der T_motor = T_Last ist.

Der Lastwinkel zwischen der Gleichgewichtsposition des Rotors unter Last und der theoretischen Gleichgewichtsposition des Rotors im Leerlauf beträgt:

Bei einem Motor mit N-Polpaaren entspricht der mechanische Winkel:

16. Absolute Genauigkeit 2 Ph. Ein, Vollschritt-Modus. Dies ist die maximal mögliche Winkelabweichung pro vollständiger Schrittstufe vom theoretischen Stufenwinkelwert, wenn der Motor mit 2-Phasen-Ein betrieben wird. Sie wird in Prozent [%] des vollen Schrittwinkels angegeben. Die Genauigkeit hängt von verschiedenen Faktoren ab, wie Reibung, Drehmomentverzerrung aufgrund von Rastmoment, Sättigung oder Toleranz von mechanischen Teilen. Dieser Fehler ist nicht kumulativ.

Motorleistung im dynamischen Modus

Es ist nicht so einfach wie bei anderen Motortechnologien, das Drehmoment des Motors unter dynamischen Bedingungen bei einer bestimmten Drehzahl durch Berechnung zu ermitteln. Wie bereits erwähnt, entspricht beim Betrieb des Motors im offenen Regelkreis (d. h. es werden Impulse an den Antrieb gesendet, wobei ein Impuls einen Schritt oder einen Mikroschritt bedeutet) die Impulsfrequenz der Motordrehzahl, und wir gehen davon aus, dass der Rotor die Bewegung ausführt. Um zu garantieren, dass unsere Annahme korrekt ist, müssen wir sicherstellen, dass das Lastmoment die Grenzwerte nicht überschreitet. Dazu werden in der Regel für jeden Schrittmotor Beschleunigungs- und Betriebsdrehmomentkurven angegeben. Beachten Sie bitte, dass diese Kurven immer für einen Motor und für einen bestimmten Treiber definiert sind, da die Treibereigenschaften die Leistung des Motors beeinflussen.

17. Betriebsdrehmoment. Das Betriebsdrehmoment (dynamisches Drehmoment) ist das maximale Drehmoment, das der Motor bei einer bestimmten Drehzahl erreichen kann. Da es nicht einfach ist, die Motorleistung bei einem bestimmten Drehmoment und einer bestimmten Drehzahl zu berechnen, bietet Portescap eine Kurve, die das maximale dynamische Drehmoment im Vergleich zur Drehzahl anzeigt. Um sie zu messen, erreichen wir zunächst die Drehzahl ohne Last, indem wir die Schrittfrequenz erhöhen. Dann wird der Motor belastet, bis er nicht mehr synchron läuft. Als Faustregel wird eine Sicherheitsmarge von 30 % basierend auf dem maximalen Lastmoment der Anwendung berücksichtigt. Bitte beachten Sie, dass dieser Betriebsdrehmomentverlauf vom verwendeten Antriebstyp abhängt.

18. Beschleunigungsdrehmoment. Das Beschleunigungsdrehmoment ist das maximale Drehmoment, das beim Starten mit einer bestimmten Schrittfrequenz auf den Motor einwirkt. Im Gegensatz zum Betriebsdrehmoment wird keine Beschleunigungsrampe generiert, um die gewünschte Drehzahl zu erreichen. Zum Messen des Beschleunigungsdrehmoments:

a. Der Motor wird in einer Position arretiert.
b. Der Motor wird belastet.
c. Wir versuchen, mit verschiedenen Drehzahlen zu starten, indem wir eine konstante Pulsfrequenz erzeugen (keine Rampe).
d. Die höchste Drehzahl, mit der der Motor anlaufen kann, ist der Wert, der für die Erstellung der Kurve gewählt wurde.

Das Beschleunigungsdrehmoment hängt vom verwendeten Antrieb ab. Als Faustregel gilt eine Sicherheitsmarge von 30 %.

19. Natürliche Eigenfrequenz. Sie entspricht der vollen Schrittfrequenz in Schritten pro Sekunde oder Herz [Hz], bei der der Motor aufgrund des Resonanzphänomens instabil wird. Nach jedem Schritt oszilliert und stabilisiert sich der Rotor in der Sollwinkelposition, indem er mit seiner Eigenfrequenz schwingt. Der Betrieb des Motors mit der Resonanzfrequenz kann zum Verlust von Schritten oder sogar zu einer Rückwärtsbewegung führen. Es gibt einige Optionen, um Motorresonanzen zu vermeiden:

• Versuchen Sie, nicht in dieser Frequenz zu arbeiten. Manchmal ist es einfach, mit einer höheren Frequenz zu starten.
• Wenn der Motor die Grundschwingungsfrequenz durchläuft, können wir den Strom reduzieren oder erhöhen, um die Frequenz zu ändern.
• Die Ansteuerung des Motors in Mikroschritten ermöglicht einen sanfteren Betrieb, indem die Amplitude der Schwingungen reduziert wird, wodurch der Motor weniger anfällig für Resonanzen ist. Es ist auch wichtig zu beachten, dass diese Frequenz gemäß der folgenden Formel von der Lastträgheit abhängt:

20. Winkelbeschleunigung (Nennstrom). Dies ist hauptsächlich eine Leistungszahl, da es sich um eine rein theoretische Berechnung handelt. Es ist die maximale Winkelbeschleunigung in Radiant/Sekundenquadrat [rad/s^2] des Rotors, wenn der Motor mit Nennstrom bei Nulllast betrieben wird. Sie kann mit folgender Formel berechnet werden: A_max = T_haltend / J_motor

Fazit

Obwohl Schrittmotoren weniger intuitiv sind als andere Motorentechnologien, sind sie dennoch eine hervorragende Option für den Antrieb einer Vielzahl von Anwendungen. Wir hoffen, dass die obigen Ausführungen zu einem besseren Verständnis der Schrittmotoren beitragen, insbesondere im Hinblick auf ihre Technologie, die wichtigsten Leistungsparameter und deren besondere Terminologie. Die Ingenieure von Portescap verfügen über jahrzehntelange Erfahrung in der Entwicklung von Schrittmotoren für Medizin und Industrie. Kontaktieren Sie uns noch heute.

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