Aufrufe: 0 Autor: Site-Editor Veröffentlichungszeit: 18.04.2025 Herkunft: Website
A Ein Schrittmotor ist eine Art Elektromotor, der sich in präzisen, festen Schritten bewegt, anstatt sich wie ein normaler Motor kontinuierlich zu drehen. Es wird häufig in Anwendungen eingesetzt, bei denen eine präzise Positionskontrolle erforderlich ist, beispielsweise bei 3D-Druckern, CNC-Maschinen, Robotik und Kameraplattformen.
Schrittmotoren sind eine Art Elektromotor, der elektrische Energie mit bemerkenswerter Präzision in Drehbewegung umwandelt. Im Gegensatz zu herkömmlichen Elektromotoren, die eine kontinuierliche Drehung ermöglichen, drehen Schrittmotoren in diskreten Schritten, was sie ideal für Anwendungen macht, die eine genaue Positionierung erfordern.
Jeder Stromimpuls, der von seinem Treiber an einen Schrittmotor gesendet wird, führt zu einer präzisen Bewegung – jeder Impuls entspricht einem bestimmten Schritt. Die Geschwindigkeit, mit der sich der Motor dreht, korreliert direkt mit der Frequenz dieser Impulse: Je schneller die Impulse gesendet werden, desto schneller ist die Drehung.
Einer der Hauptvorteile von Schrittmotoren zeichnen sich durch ihre einfache Steuerung aus. Die meisten Treiber arbeiten mit 5-Volt-Impulsen, die mit gängigen integrierten Schaltkreisen kompatibel sind. Sie können entweder eine Schaltung zur Erzeugung dieser Impulse entwerfen oder einen Impulsgenerator von Unternehmen wie BesFoc verwenden.
Trotz ihrer gelegentlichen Ungenauigkeiten – Standard-Schrittmotoren haben eine Genauigkeit von etwa ± 3 Bogenminuten (0,05°) – summieren sich diese Fehler nicht bei mehreren Schritten. Wenn beispielsweise ein Standard-Schrittmotor einen Schritt ausführt, dreht er sich um 1,8° ± 0,05°. Selbst nach einer Million Schritten beträgt die Gesamtabweichung immer noch nur ± 0,05°, was sie zuverlässig für präzise Bewegungen über große Entfernungen macht.
Darüber hinaus sind Schrittmotoren aufgrund ihrer geringen Rotorträgheit für ihre schnelle Reaktion und Beschleunigung bekannt, sodass sie schnell hohe Geschwindigkeiten erreichen können. Dadurch eignen sie sich besonders für Anwendungen, die kurze, schnelle Bewegungen erfordern.
A Ein Schrittmotor funktioniert, indem er eine volle Umdrehung in mehrere gleiche Schritte aufteilt. Es nutzt Elektromagnete, um Bewegungen in kleinen, kontrollierten Schritten zu erzeugen.
Ein Schrittmotor besteht aus zwei Hauptteilen:
Stator – der stationäre Teil mit Spulen (Elektromagneten).
Rotor – das rotierende Teil, oft ein Magnet oder aus Eisen.
Wenn elektrischer Strom durch die Statorspulen fließt, entstehen Magnetfelder.
Diese Felder ziehen den Rotor an.
Durch das Ein- und Ausschalten der Spulen in einer bestimmten Reihenfolge wird der Rotor Schritt für Schritt in eine Kreisbewegung gezogen.
Jedes Mal, wenn eine Spule erregt wird, bewegt sich der Rotor um einen kleinen Winkel (Schritt genannt).
Wenn ein Motor beispielsweise 200 Schritte pro Umdrehung hat, bewegt jeder Schritt den Rotor um 1,8°.
Abhängig von der Reihenfolge der an die Spulen gesendeten Impulse kann sich der Motor vorwärts oder rückwärts drehen.
A Der Schrittmotortreiber sendet elektrische Impulse an die Motorspulen.
Je mehr Impulse, desto mehr dreht sich der Motor.
Mikrocontroller (wie Arduino oder Raspberry Pi) können diese Treiber steuern, um den Motor präzise zu bewegen.
Die folgende Abbildung zeigt ein Standard-Schrittmotorsystem, das aus mehreren wesentlichen Komponenten besteht, die zusammenarbeiten. Die Leistung jedes Elements beeinflusst die Gesamtfunktionalität des Systems.
Das Herzstück des Systems ist der Computer bzw. die speicherprogrammierbare Steuerung (SPS). Diese Komponente fungiert als Gehirn und steuert nicht nur den Schrittmotor, sondern die gesamte Maschine. Es kann verschiedene Aufgaben übernehmen, beispielsweise das Anheben eines Aufzugs oder das Bewegen eines Förderbandes. Abhängig von der erforderlichen Komplexität kann diese Steuerung von einem hochentwickelten PC oder einer SPS bis hin zu einem einfachen Bedienknopf reichen.
Als nächstes kommt der Indexer oder die SPS-Karte, die spezifische Anweisungen an den übermittelt Schrittmotor . Es erzeugt die für die Bewegung erforderliche Anzahl an Impulsen und passt die Impulsfrequenz an, um Beschleunigung, Geschwindigkeit und Verzögerung des Motors zu steuern. Der Indexer kann entweder eine eigenständige Einheit wie der BesFoc oder eine Impulsgeneratorkarte sein, die an eine SPS angeschlossen wird. Unabhängig von seiner Form ist dieses Bauteil für den Betrieb des Motors von entscheidender Bedeutung.
Der Motortreiber besteht aus vier Hauptteilen:
Logik für Phasensteuerung: Diese Logikeinheit empfängt Impulse vom Indexer und bestimmt, welche Phase des Motors aktiviert werden soll. Die Bestromung der Phasen muss in einer bestimmten Reihenfolge erfolgen, um einen ordnungsgemäßen Motorbetrieb sicherzustellen.
Logikstromversorgung: Hierbei handelt es sich um eine Niederspannungsversorgung, die die integrierten Schaltkreise (ICs) im Treiber mit Strom versorgt und je nach Chipsatz oder Design typischerweise mit etwa 5 Volt betrieben wird.
Motorstromversorgung: Diese Stromversorgung liefert die erforderliche Spannung für die Stromversorgung des Motors, normalerweise etwa 24 VDC, je nach Anwendung kann sie jedoch auch höher sein.
Leistungsverstärker: Diese Komponente besteht aus Transistoren, die den Stromfluss durch die Motorphasen ermöglichen. Diese Transistoren werden in der richtigen Reihenfolge ein- und ausgeschaltet, um die Bewegung des Motors zu erleichtern.
Schließlich arbeiten alle diese Komponenten zusammen, um die Last zu bewegen, die je nach spezifischer Anwendung eine Leitspindel, eine Scheibe oder ein Förderband sein kann.
Es gibt drei Haupttypen von Schrittmotoren:
Diese Motoren verfügen über Zähne am Rotor und Stator, verfügen jedoch nicht über einen Permanentmagneten. Dadurch fehlt ihnen das Rastmoment, was bedeutet, dass sie ihre Position nicht halten, wenn sie nicht mit Strom versorgt werden.
PM-Schrittmotoren haben einen Permanentmagneten am Rotor, aber keine Zähne. Während sie in der Regel eine geringere Präzision bei den Schrittwinkeln aufweisen, verfügen sie über ein Rastmoment, das es ihnen ermöglicht, die Position beizubehalten, wenn der Strom abgeschaltet wird.
BesFoc ist ausschließlich auf Hybrid spezialisiert Schrittmotor s. Diese Motoren vereinen die magnetischen Eigenschaften von Permanentmagneten mit der Zahnkonstruktion von Motoren mit variabler Reluktanz. Der Rotor ist axial magnetisiert, was bedeutet, dass in einer typischen Konfiguration die obere Hälfte ein Nordpol und die untere Hälfte ein Südpol ist.
Der Rotor besteht aus zwei Zahnbechern mit jeweils 50 Zähnen. Diese Tassen sind um 3,6° versetzt und ermöglichen so eine präzise Positionierung. Von oben betrachtet können Sie erkennen, dass ein Zahn an der Nordpolschale mit einem Zahn an der Südpolschale übereinstimmt, wodurch ein effektives Getriebesystem entsteht.
Hybrid-Schrittmotoren arbeiten mit einer Zweiphasenkonstruktion, wobei jede Phase vier Pole enthält, die um 90° voneinander beabstandet sind. Jeder Pol in einer Phase ist so gewickelt, dass Pole, die um 180° voneinander entfernt sind, die gleiche Polarität haben, während die Polaritäten für Pole, die um 90° voneinander entfernt sind, entgegengesetzt sind. Durch Umkehren des Stroms in einer beliebigen Phase kann auch die Polarität des entsprechenden Statorpols umgekehrt werden, sodass der Motor jeden Statorpol in einen Nord- oder Südpol umwandeln kann.
Der Rotor des Schrittmotors verfügt über 50 Zähne mit einem Zahnabstand von 7,2° zwischen den Zähnen. Während der Motor läuft, kann die Ausrichtung der Rotorzähne mit den Statorzähnen variieren – insbesondere kann sie um eine dreiviertel Zahnteilung, eine halbe Zahnteilung oder ein Viertel einer Zahnteilung versetzt sein. Wenn der Motor Schritte macht, nimmt er natürlich den kürzesten Weg, um sich neu auszurichten, was einer Bewegung von 1,8° pro Schritt entspricht (da 1/4 von 7,2° 1,8° entspricht).
Drehmoment und Genauigkeit in Schrittmotoren werden durch die Anzahl der Pole (Zähne) beeinflusst. Im Allgemeinen führt eine höhere Polzahl zu einem verbesserten Drehmoment und einer höheren Genauigkeit. BesFoc bietet „hochauflösende“ Schrittmotoren an, die die halbe Zahnteilung ihrer Standardmodelle haben. Diese hochauflösenden Rotoren verfügen über 100 Zähne, was einen Winkel von 3,6° zwischen den einzelnen Zähnen ergibt. Bei diesem Aufbau entspricht eine Bewegung um 1/4 Zahnteilung einem kleineren Schritt von 0,9°.
Dadurch bieten die „High Resolution“-Modelle eine doppelt so hohe Auflösung wie Standardmotoren und erreichen 400 Schritte pro Umdrehung im Vergleich zu 200 Schritten pro Umdrehung bei den Standardmodellen. Kleinere Schrittwinkel führen auch zu geringeren Vibrationen, da jeder Schritt weniger ausgeprägt und allmählicher ist.
Das folgende Diagramm zeigt einen Querschnitt eines 5-Phasen-Schrittmotors. Dieser Motor besteht im Wesentlichen aus zwei Hauptteilen: dem Stator und dem Rotor. Der Rotor selbst besteht aus drei Komponenten: Rotorbecher 1, Rotorbecher 2 und einem Permanentmagneten. Der Rotor ist in axialer Richtung magnetisiert; Wenn beispielsweise Rotorbecher 1 als Nordpol festgelegt ist, ist Rotorbecher 2 der Südpol.
Der Stator verfügt über 10 Magnetpole, die jeweils mit kleinen Zähnen und entsprechenden Wicklungen ausgestattet sind. Diese Wicklungen sind so ausgelegt, dass jede mit der Wicklung ihres Gegenpols verbunden ist. Wenn Strom durch ein Wicklungspaar fließt, magnetisieren die Pole, die sie verbinden, in die gleiche Richtung – entweder Nord oder Süd.
Jedes gegenüberliegende Polpaar bildet eine Phase des Motors. Da es insgesamt 10 Magnetpole gibt, ergeben sich innerhalb dieser 5 Phasen fünf verschiedene Phasen Schrittmotor.
Wichtig ist, dass jeder Rotorbecher entlang seines Außenumfangs 50 Zähne hat. Die Zähne von Rotorbecher 1 und Rotorbecher 2 sind mechanisch um eine halbe Zahnteilung gegeneinander versetzt, was eine präzise Ausrichtung und Bewegung im Betrieb ermöglicht.
Es ist von entscheidender Bedeutung, zu verstehen, wie eine Drehzahl-Drehmoment-Kurve zu lesen ist, da sie Aufschluss darüber gibt, wozu ein Motor in der Lage ist. Diese Kurven stellen die Leistungsmerkmale eines bestimmten Motors in Kombination mit einem bestimmten Treiber dar. Sobald der Motor betriebsbereit ist, wird seine Drehmomentabgabe durch die Antriebsart und die angelegte Spannung beeinflusst. Dadurch kann derselbe Motor je nach verwendetem Treiber deutlich unterschiedliche Drehzahl-Drehmoment-Kurven aufweisen.
BesFoc stellt diese Drehzahl-Drehmoment-Kurven als Referenz zur Verfügung. Wenn Sie einen Motor mit einem Treiber mit ähnlichen Spannungs- und Stromwerten verwenden, können Sie eine vergleichbare Leistung erwarten. Für ein interaktives Erlebnis sehen Sie sich bitte die unten bereitgestellte Drehzahl-Drehmoment-Kurve an:
Haltemoment
Dies ist das Drehmoment, das der Motor im Ruhezustand erzeugt, wenn der Nennstrom durch seine Wicklungen fließt.
Start-/Stoppbereich
Dieser Abschnitt gibt die Drehmoment- und Geschwindigkeitswerte an, bei denen der Motor sofort starten, stoppen oder umkehren kann.
Anzugsdrehmoment
Dies sind die Drehmoment- und Geschwindigkeitswerte, die es dem Motor ermöglichen, zu starten, zu stoppen oder umzukehren und dabei synchron mit den Eingangsimpulsen zu bleiben.
Kippmoment
Dies bezieht sich auf die Drehmoment- und Drehzahlwerte, bei denen der Motor ohne Abwürgen arbeiten kann und dabei die Synchronisierung mit den Eingangsphasen aufrechterhält. Es stellt das maximale Drehmoment dar, das der Motor im Betrieb liefern kann.
Maximale Startgeschwindigkeit
Dies ist die höchste Geschwindigkeit, mit der der Motor ohne Last anlaufen kann.
Maximale Laufgeschwindigkeit
Dies gibt die höchste Geschwindigkeit an, die der Motor im Leerlauf erreichen kann.
Um im Bereich zwischen Anzugs- und Kippmoment zu arbeiten, muss der Motor zunächst im Start-/Stopp-Bereich starten. Wenn der Motor zu laufen beginnt, wird die Pulsfrequenz schrittweise erhöht, bis die gewünschte Geschwindigkeit erreicht ist. Um den Motor zu stoppen, wird die Drehzahl dann verringert, bis sie unter die Anzugsdrehmomentkurve fällt.
Das Drehmoment ist direkt proportional zum Strom und der Anzahl der Drahtwindungen im Motor. Um das Drehmoment um 20 % zu erhöhen, sollte auch der Strom um ca. 20 % erhöht werden. Um umgekehrt das Drehmoment um 50 % zu verringern, muss der Strom um 50 % reduziert werden.
Aufgrund der magnetischen Sättigung bringt es jedoch keinen Vorteil, den Strom über das Doppelte des Nennstroms hinaus zu erhöhen, da über diesen Punkt hinaus weitere Erhöhungen das Drehmoment nicht erhöhen. Bei Betrieb mit etwa dem Zehnfachen des Nennstroms besteht die Gefahr der Entmagnetisierung des Rotors.
Alle unsere Motoren sind mit einer Isolierung der Klasse B ausgestattet, die Temperaturen von bis zu 130 °C standhält, bevor sich die Isolierung zu verschlechtern beginnt. Um eine lange Lebensdauer zu gewährleisten, empfehlen wir, einen Temperaturunterschied von innen nach außen von 30 °C einzuhalten, d. h. die Außentemperatur des Gehäuses sollte 100 °C nicht überschreiten.
Die Induktivität spielt eine wichtige Rolle bei der Drehmomentleistung bei hohen Drehzahlen. Es erklärt, warum Motoren nicht unendlich hohe Drehmomente aufweisen. Jede Wicklung des Motors hat unterschiedliche Induktivitäts- und Widerstandswerte. Die in Henry gemessene Induktivität dividiert durch den Widerstand in Ohm ergibt eine Zeitkonstante (in Sekunden). Diese Zeitkonstante gibt an, wie lange es dauert, bis die Spule 63 % ihres Nennstroms erreicht. Wenn der Motor beispielsweise für 1 Ampere ausgelegt ist, erreicht die Spule nach einer Zeitkonstante etwa 0,63 Ampere. Normalerweise dauert es etwa vier bis fünf Zeitkonstanten, bis die Spule den vollen Strom (1 Ampere) erreicht. Da das Drehmoment proportional zum Strom ist, erzeugt der Motor nach einer Zeitkonstante etwa 63 % seines maximalen Drehmoments, wenn der Strom nur 63 % erreicht.
Bei niedrigen Drehzahlen stellt diese Verzögerung des Stromaufbaus kein Problem dar, da der Strom effektiv schnell in die Spulen ein- und austreten kann, sodass der Motor sein Nenndrehmoment liefern kann. Bei hohen Drehzahlen kann der Strom jedoch nicht schnell genug ansteigen, bevor die nächste Phase umschaltet, was zu einem verringerten Drehmoment führt.
Die Treiberspannung beeinflusst erheblich die Hochgeschwindigkeitsleistung eines Schrittmotor . Ein höheres Verhältnis von Antriebsspannung zu Motorspannung führt zu verbesserten Hochgeschwindigkeitsfähigkeiten. Dies liegt daran, dass erhöhte Spannungen einen schnelleren Stromfluss in die Wicklungen ermöglichen als der zuvor diskutierte Schwellenwert von 63 %.
Wenn ein Schrittmotor von einem Schritt zum nächsten übergeht, stoppt der Rotor nicht sofort an der Zielposition. Stattdessen bewegt es sich über die Endposition hinaus, wird dann zurückgezogen, schießt in die entgegengesetzte Richtung über und pendelt weiter hin und her, bis es schließlich zum Stillstand kommt. Dieses als „Klingeln“ bezeichnete Phänomen tritt bei jedem Schritt des Motors auf (siehe interaktives Diagramm unten). Ähnlich wie bei einem Bungee-Seil trägt der Schwung des Rotors ihn über seinen Haltepunkt hinaus, wodurch er „abprallt“, bevor er zur Ruhe kommt. In vielen Fällen wird der Motor jedoch angewiesen, mit dem nächsten Schritt fortzufahren, bevor er vollständig zum Stillstand gekommen ist.
Die folgenden Diagramme veranschaulichen das Nachschwingverhalten eines Schrittmotors unter verschiedenen Belastungsbedingungen. Wenn der Motor entlastet ist, weist er ein deutliches Klingeln auf, was sich in einer erhöhten Vibration niederschlägt. Diese übermäßigen Vibrationen können zum Abwürgen des Motors führen, wenn er entlastet oder leicht belastet ist, da er möglicherweise die Synchronisierung verliert. Daher ist es wichtig, immer a zu testen Schrittmotor mit entsprechender Belastung.
Die anderen beiden Diagramme zeigen die Leistung des Motors unter Belastung. Die richtige Belastung des Motors trägt dazu bei, seinen Betrieb zu stabilisieren und Vibrationen zu reduzieren. Idealerweise sollte die Last zwischen 30 % und 70 % des maximalen Drehmoments des Motors erfordern. Darüber hinaus sollte das Trägheitsverhältnis der Last zum Rotor zwischen 1:1 und 10:1 liegen. Für kürzere und schnellere Bewegungen sollte dieses Verhältnis vorzugsweise näher bei 1:1 bis 3:1 liegen.
Die Anwendungsspezialisten und Ingenieure von BesFoc stehen zur Verfügung, um Sie bei der richtigen Motordimensionierung zu unterstützen.
A Der Schrittmotor erfährt deutlich erhöhte Vibrationen, wenn die Eingangsimpulsfrequenz mit seiner Eigenfrequenz übereinstimmt, ein Phänomen, das als Resonanz bezeichnet wird. Dies geschieht häufig bei etwa 200 Hz. Bei Resonanz wird das Über- und Unterschwingen des Rotors stark verstärkt, wodurch die Wahrscheinlichkeit von fehlenden Schritten steigt. Während die spezifische Resonanzfrequenz mit der Lastträgheit variieren kann, liegt sie typischerweise bei etwa 200 Hz.
2-Phasen-Schrittmotoren können Schritte nur in Vierergruppen auslassen. Wenn Sie bemerken, dass Schrittverluste in Vielfachen von vier auftreten, deutet dies darauf hin, dass Vibrationen dazu führen, dass der Motor die Synchronisierung verliert, oder dass die Last möglicherweise zu hoch ist. Wenn umgekehrt die fehlenden Schritte nicht ein Vielfaches von vier sind, gibt es einen starken Hinweis darauf, dass entweder die Impulszahl falsch ist oder elektrisches Rauschen die Leistung beeinflusst.
Mehrere Strategien können helfen, Resonanzeffekte abzumildern. Der einfachste Ansatz besteht darin, den Betrieb mit Resonanzgeschwindigkeit ganz zu vermeiden. Da 200 Hz bei einem 2-Phasen-Motor etwa 60 U/min entsprechen, handelt es sich nicht um eine extrem hohe Drehzahl. Am meisten Schrittmotoren haben eine maximale Startgeschwindigkeit von etwa 1000 Impulsen pro Sekunde (pps). Daher können Sie in vielen Fällen den Motorbetrieb mit einer Geschwindigkeit einleiten, die höher als die Resonanzfrequenz ist.
Wenn Sie den Motor mit einer Drehzahl starten müssen, die unterhalb der Resonanzfrequenz liegt, ist es wichtig, schnell durch den Resonanzbereich zu beschleunigen, um die Auswirkungen von Vibrationen zu minimieren.
Eine weitere effektive Lösung besteht darin, einen kleineren Schrittwinkel zu verwenden. Größere Schrittwinkel führen tendenziell zu stärkerem Über- und Unterschwingen. Wenn der Motor nur eine kurze Strecke zurücklegen muss, erzeugt er nicht genügend Kraft (Drehmoment), um deutlich überzuschwingen. Durch die Reduzierung des Schrittwinkels erfährt der Motor weniger Vibrationen. Dies ist einer der Gründe, warum Halbschritt- und Mikroschritttechniken Vibrationen so effektiv reduzieren.
Achten Sie darauf, den Motor entsprechend den Lastanforderungen auszuwählen. Die richtige Motordimensionierung kann zu einer besseren Gesamtleistung führen.
Dämpfer sind eine weitere zu berücksichtigende Option. Diese Geräte können an der Hinterwelle des Motors angebracht werden, um einen Teil der Vibrationsenergie zu absorbieren und so dazu beizutragen, den Betrieb eines Vibrationsmotors auf kostengünstige Weise zu glätten.
Ein relativ neuer Fortschritt in Schrittmotortechnologie ist der 5-Phasen-Schrittmotor. Der auffälligste Unterschied zwischen 2-Phasen- und 5-Phasen-Motoren (siehe interaktives Diagramm unten) ist die Anzahl der Statorpole: 2-Phasen-Motoren haben 8 Pole (4 pro Phase), während 5-Phasen-Motoren 10 Pole (2 pro Phase) haben. Der Rotoraufbau ähnelt dem eines 2-Phasen-Motors.
Bei einem 2-Phasen-Motor bewegt jede Phase den Rotor um 1/4 Zahnteilung, während sich bei einem 5-Phasen-Motor der Rotor konstruktionsbedingt um 1/10 Zahnteilung bewegt. Bei einer Zahnteilung von 7,2° beträgt der Schrittwinkel für den 5-Phasen-Motor 0,72°. Diese Konstruktion ermöglicht es dem 5-Phasen-Motor, 500 Schritte pro Umdrehung zu erreichen, verglichen mit 200 Schritten des 2-Phasen-Motors pro Umdrehung, was eine 2,5-mal höhere Auflösung als die des 2-Phasen-Motors bietet.
Eine höhere Auflösung führt zu einem kleineren Schrittwinkel, wodurch Vibrationen deutlich reduziert werden. Da der Schrittwinkel des 5-Phasen-Motors 2,5-mal kleiner ist als der des 2-Phasen-Motors, treten deutlich geringere Schwingungen und Vibrationen auf. Bei beiden Motortypen muss der Rotor um mehr als 3,6° über- oder unterschwingen, um Schritte zu verpassen. Da der Schrittwinkel des 5-Phasen-Motors nur 0,72° beträgt, ist es nahezu unmöglich, dass der Motor um eine solche Spanne über- oder unterschwingt, was zu einer sehr geringen Wahrscheinlichkeit eines Synchronisationsverlusts führt.
Es gibt vier primäre Antriebsmethoden für Schrittmotoren :
Wave Drive (Vollschritt)
2 Phasen an (Vollschritt)
1-2 Phasen an (Halbschritt)
Mikroschritt
Im folgenden Diagramm ist die Wellenantriebsmethode vereinfacht dargestellt, um ihre Prinzipien zu veranschaulichen. Jede in der Abbildung dargestellte 90°-Drehung entspricht 1,8° Rotordrehung in einem realen Motor.
Bei der Wellenantriebsmethode, auch bekannt als 1-Phasen-EIN-Methode, wird jeweils nur eine Phase mit Strom versorgt. Wenn die A-Phase aktiviert ist, entsteht ein Südpol, der den Nordpol des Rotors anzieht. Anschließend wird die A-Phase ausgeschaltet und die B-Phase eingeschaltet, wodurch sich der Rotor um 90° (1,8°) dreht. Dieser Vorgang wird fortgesetzt, wobei jede Phase einzeln mit Strom versorgt wird.
Der Wellenantrieb arbeitet mit einer vierstufigen elektrischen Sequenz, um den Motor zu drehen.
Bei der Antriebsmethode „2 Phasen Ein“ werden beide Phasen des Motors kontinuierlich mit Strom versorgt.
Wie unten dargestellt, entspricht jede 90°-Drehung einer Rotordrehung von 1,8°. Wenn sowohl die A- als auch die B-Phase als Südpole erregt werden, wird der Nordpol des Rotors gleichermaßen von beiden Polen angezogen, wodurch er sich direkt in der Mitte ausrichtet. Während die Sequenz fortschreitet und die Phasen aktiviert werden, dreht sich der Rotor, um die Ausrichtung zwischen den beiden erregten Polen aufrechtzuerhalten.
Die „2-Phasen-Ein“-Methode arbeitet mit einer vierstufigen elektrischen Sequenz, um den Motor zu drehen.
Die standardmäßigen 2-Phasen- und 2-Phasen-M-Motoren von BesFoc nutzen diese „2-Phasen-Ein“-Antriebsmethode.
Der Hauptvorteil der „2-Phasen-Ein“-Methode gegenüber der „1-Phasen-Ein“-Methode ist das Drehmoment. Bei der „1 Phase On“-Methode wird jeweils nur eine Phase aktiviert, was dazu führt, dass eine einzige Drehmomenteinheit auf den Rotor wirkt. Im Gegensatz dazu werden bei der „2-Phasen-Ein“-Methode beide Phasen gleichzeitig aktiviert, wodurch zwei Drehmomenteinheiten erzeugt werden. Ein Drehmomentvektor wirkt an der 12-Uhr-Position und der andere an der 3-Uhr-Position. Wenn diese beiden Drehmomentvektoren kombiniert werden, erzeugen sie einen resultierenden Vektor im 45°-Winkel mit einer Größe, die 41,4 % größer ist als die eines einzelnen Vektors. Dies bedeutet, dass wir mit der „2-Phasen-Ein“-Methode den gleichen Schrittwinkel wie mit der „1-Phasen-Ein“-Methode erreichen und gleichzeitig 41 % mehr Drehmoment liefern können.
Fünfphasenmotoren funktionieren jedoch etwas anders. Anstelle der „2-Phasen-Ein“-Methode nutzen sie die „4-Phasen-Ein“-Methode. Bei diesem Ansatz werden bei jedem Schritt des Motors vier Phasen gleichzeitig aktiviert.
Dadurch folgt der Fünfphasenmotor im Betrieb einem 10-stufigen elektrischen Ablauf.
Die „1-2 Phases On“-Methode, auch Half-Stepping genannt, kombiniert die Prinzipien der beiden vorherigen Methoden. Bei diesem Ansatz aktivieren wir zunächst die A-Phase, wodurch sich der Rotor ausrichtet. Während wir die A-Phase unter Spannung halten, aktivieren wir dann die B-Phase. An diesem Punkt wird der Rotor von beiden Polen gleichermaßen angezogen und richtet sich in der Mitte aus, was zu einer Drehung von 45° (oder 0,9°) führt. Als nächstes schalten wir die A-Phase aus, während wir die B-Phase weiterhin mit Strom versorgen, sodass der Motor einen weiteren Schritt machen kann. Dieser Prozess wird fortgesetzt und wechselt zwischen der Bestromung einer Phase und zweier Phasen. Dadurch halbieren wir effektiv den Schrittwinkel, was zur Reduzierung von Vibrationen beiträgt.
Für einen 5-Phasen-Motor wenden wir eine ähnliche Strategie an, indem wir zwischen 4 Phasen ein und 5 Phasen ein wechseln.
Der Halbschrittmodus besteht aus einer achtstufigen elektrischen Sequenz. Bei einem Fünfphasenmotor mit der „4-5 Phasen Ein“-Methode durchläuft der Motor eine 20-stufige elektrische Sequenz.
(Bei Bedarf können weitere Informationen zum Mikroschritt hinzugefügt werden.)
Microstepping ist eine Technik, mit der kleinere Schritte noch feiner gemacht werden. Je kleiner die Schritte, desto höher die Auflösung und desto besser ist das Schwingungsverhalten des Motors. Beim Mikroschritt ist eine Phase weder vollständig ein- noch vollständig ausgeschaltet. Stattdessen ist es teilweise erregt. Sinuswellen werden sowohl auf Phase A als auch auf Phase B angewendet, mit einer Phasendifferenz von 90° (oder 0,9° bei fünf Phasen). Schrittmotor ).
Wenn die maximale Leistung an Phase A angelegt wird, befindet sich Phase B auf Null, wodurch sich der Rotor an Phase A ausrichtet. Wenn der Strom an Phase A abnimmt, erhöht sich der Strom an Phase B, sodass der Rotor kleine Schritte in Richtung Phase B ausführen kann. Dieser Prozess setzt sich fort, während der Strom zwischen den beiden Phasen wechselt, was zu einer gleichmäßigen Mikroschrittbewegung führt.
Allerdings bringt das Mikroschrittverfahren einige Herausforderungen mit sich, vor allem hinsichtlich der Genauigkeit und des Drehmoments. Da die Phasen nur teilweise bestromt sind, erfährt der Motor typischerweise eine Drehmomentreduzierung von etwa 30 %. Da außerdem die Drehmomentdifferenz zwischen den Schritten minimal ist, kann es für den Motor schwierig sein, eine Last zu überwinden, was dazu führen kann, dass der Motor mehrere Schritte ausführen muss, bevor er sich tatsächlich zu bewegen beginnt. In vielen Fällen ist die Integration von Encodern erforderlich, um ein System mit geschlossenem Regelkreis zu erstellen, obwohl dies die Gesamtkosten erhöht.
Systeme mit offenem Regelkreis,
Systeme mit geschlossenem Regelkreis,
Servosysteme
Schrittmotoren sind typischerweise als Open-Loop-Systeme konzipiert. In dieser Konfiguration sendet ein Impulsgenerator Impulse an die Phasenfolgeschaltung. Der Phasensequenzer bestimmt, welche Phasen ein- oder ausgeschaltet werden sollen, wie zuvor in den Vollschritt- und Halbschrittmethoden beschrieben. Der Sequenzer steuert die Hochleistungs-FETs, um den Motor zu aktivieren.
In einem System mit offenem Regelkreis erfolgt jedoch keine Positionsüberprüfung, d. h., es gibt keine Möglichkeit zu bestätigen, ob der Motor die befohlene Bewegung ausgeführt hat.
Eine der gebräuchlichsten Methoden zur Implementierung eines Systems mit geschlossenem Regelkreis ist das Anbringen eines Encoders an der Hinterwelle eines Doppelwellenmotors. Der Encoder besteht aus einer dünnen, mit Linien markierten Scheibe, die zwischen einem Sender und einem Empfänger rotiert. Jedes Mal, wenn eine Leitung zwischen diesen beiden Komponenten verläuft, erzeugt sie einen Impuls auf den Signalleitungen.
Diese Ausgangsimpulse werden dann an die Steuerung zurückgeführt, die sie zählt. Typischerweise vergleicht die Steuerung am Ende einer Bewegung die Anzahl der an den Fahrer gesendeten Impulse mit der Anzahl der vom Encoder empfangenen Impulse. Es wird eine spezielle Routine ausgeführt, bei der sich das System anpasst, um die Diskrepanz zu korrigieren, wenn sich die beiden Zählwerte unterscheiden. Wenn die Zählwerte übereinstimmen, bedeutet dies, dass kein Fehler aufgetreten ist und die Bewegung reibungslos fortgesetzt werden kann.
Das geschlossene System hat zwei Hauptnachteile: Kosten (und Komplexität) und Reaktionszeit. Der Einbau eines Encoders erhöht die Gesamtkosten des Systems, zusammen mit der höheren Komplexität der Steuerung, die zu den Gesamtkosten beiträgt. Da Korrekturen zudem erst am Ende einer Bewegung vorgenommen werden, kann dies zu Verzögerungen im System führen und möglicherweise die Reaktionszeiten verlangsamen.
Eine Alternative zu Schrittsystemen mit geschlossenem Regelkreis ist ein Servosystem. Servosysteme verwenden typischerweise Motoren mit einer niedrigen Polzahl, die eine Hochgeschwindigkeitsleistung ermöglichen, aber keine inhärente Positionierungsfähigkeit aufweisen. Um einen Servo in ein Positionsgerät umzuwandeln, sind Rückkopplungsmechanismen erforderlich, häufig unter Verwendung eines Encoders oder Resolvers zusammen mit Regelkreisen.
In einem Servosystem wird der Motor aktiviert und deaktiviert, bis der Resolver anzeigt, dass eine bestimmte Position erreicht wurde. Wenn der Servo beispielsweise angewiesen wird, sich 100 Umdrehungen zu bewegen, beginnt er mit dem Resolverzähler bei Null. Der Motor läuft, bis der Resolver-Zähler 100 Umdrehungen erreicht, und schaltet sich dann ab. Bei einer Positionsverschiebung wird der Motor erneut aktiviert, um die Position zu korrigieren.
Die Reaktion des Servos auf Positionsfehler wird durch eine Verstärkungseinstellung beeinflusst. Eine hohe Verstärkungseinstellung ermöglicht es dem Motor, schnell auf Fehleränderungen zu reagieren, während eine niedrige Verstärkungseinstellung zu einer langsameren Reaktion führt. Allerdings kann die Anpassung der Verstärkungseinstellungen zu Zeitverzögerungen im Bewegungssteuerungssystem führen, die sich auf die Gesamtleistung auswirken.
AlphaStep ist die Innovation von BesFoc Schrittmotorlösung mit integriertem Resolver, der Positionsrückmeldung in Echtzeit bietet. Diese Konstruktion stellt sicher, dass die genaue Position des Rotors jederzeit bekannt ist, was die Präzision und Zuverlässigkeit des Systems erhöht.
Der AlphaStep-Treiber verfügt über einen Eingangszähler, der alle an den Antrieb gesendeten Impulse verfolgt. Gleichzeitig wird die Rückmeldung vom Resolver an einen Rotorpositionszähler weitergeleitet, der eine kontinuierliche Überwachung der Rotorposition ermöglicht. Etwaige Abweichungen werden in einem Abweichungszähler erfasst.
Typischerweise arbeitet der Motor im Open-Loop-Modus und erzeugt Drehmomentvektoren, denen der Motor folgen kann. Wenn der Abweichungszähler jedoch eine Abweichung von mehr als ±1,8° anzeigt, aktiviert der Phasensequenzer den Drehmomentvektor im oberen Abschnitt der Drehmomentverschiebungskurve. Dadurch wird ein maximales Drehmoment erzeugt, um den Rotor neu auszurichten und wieder in den Synchronismus zu bringen. Wenn der Motor um mehrere Schritte ausgeschaltet ist, erregt der Sequenzer mehrere Drehmomentvektoren am oberen Ende der Drehmomentverschiebungskurve. Der Treiber kann Überlastbedingungen bis zu 5 Sekunden lang bewältigen; Gelingt es nicht, die Synchronität innerhalb dieses Zeitraums wiederherzustellen, wird ein Fehler ausgelöst und ein Alarm ausgegeben.
Ein bemerkenswertes Merkmal des AlphaStep-Systems ist seine Fähigkeit, verpasste Schritte in Echtzeit zu korrigieren. Im Gegensatz zu herkömmlichen Systemen, die bis zum Ende einer Bewegung warten, um etwaige Fehler zu korrigieren, ergreift der AlphaStep-Treiber Korrekturmaßnahmen, sobald der Rotor den 1,8°-Bereich verlässt. Sobald sich der Rotor wieder innerhalb dieser Grenze befindet, kehrt der Treiber in den Open-Loop-Modus zurück und nimmt die entsprechenden Phasenerregungen wieder auf.
Die beigefügte Grafik veranschaulicht die Drehmomentverschiebungskurve und hebt die Betriebsmodi des Systems hervor – offene Schleife und geschlossene Schleife. Die Drehmomentverschiebungskurve stellt das von einer einzelnen Phase erzeugte Drehmoment dar und erreicht das maximale Drehmoment, wenn die Rotorposition um 1,8° abweicht. Erst wenn der Rotor um mehr als 3,6° überschwingt, kann ein Schritt verfehlt werden. Da der Fahrer die Kontrolle über den Drehmomentvektor übernimmt, sobald die Abweichung 1,8° überschreitet, ist es unwahrscheinlich, dass der Motor Schritte auslässt, es sei denn, er erfährt eine Überlastung, die länger als 5 Sekunden anhält.
Viele Leute glauben fälschlicherweise, dass die Schrittgenauigkeit des AlphaStep-Motors ±1,8° beträgt. Tatsächlich hat der AlphaStep eine Schrittgenauigkeit von 5 Bogenminuten (0,083°). Der Fahrer verwaltet die Drehmomentvektoren, wenn sich der Rotor außerhalb des 1,8°-Bereichs befindet. Sobald der Rotor in diesen Bereich fällt, richten sich die Rotorzähne genau nach dem erzeugten Drehmomentvektor aus. Der AlphaStep stellt sicher, dass der richtige Zahn mit dem aktiven Drehmomentvektor übereinstimmt.
Die AlphaStep-Serie gibt es in verschiedenen Ausführungen. BesFoc bietet sowohl Rundwellen- als auch Getriebemodelle mit mehreren Übersetzungsverhältnissen an, um entweder die Auflösung und das Drehmoment zu verbessern oder die reflektierte Trägheit zu minimieren. Die meisten Ausführungen können mit einer ausfallsicheren Magnetbremse ausgestattet werden. Darüber hinaus bietet BesFoc eine 24-VDC-Version namens ASC-Serie an.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Schrittmotoren hervorragend für Positionierungsanwendungen geeignet sind. Sie ermöglichen eine präzise Steuerung von Distanz und Geschwindigkeit, indem einfach die Impulszahl und -frequenz variiert wird. Ihre hohe Polzahl ermöglicht Genauigkeit, selbst im Betrieb im Open-Loop-Modus. Bei richtiger Größe für eine bestimmte Anwendung, a Der Schrittmotor verpasst keine Schritte. Darüber hinaus sind Schrittmotoren eine kostengünstige Lösung, da sie keine Positionsrückmeldung benötigen.
