Archive for the ‘Schrittmotoren’ Category

NEMA Schrittmotor – Was ist das eigentlich?

Sonntag, März 20th, 2016

Gelegentlich erreichen mich Anfragen zu Anwendungen mit Schrittmotoren, bei denen die Anwender mit Begriffen um sich werfen, die sie offenbar nicht verstanden haben. Ein Klassiker ist der „Nema Schrittmotor“. Der eine scheint das für einen Herstellernamen zu halten, der nächste für eine Typenbezeichnung. Tatsächlich liegt der Fall etwas anders…

NEMA steht für “National Electrical Manufacturers Association” und ist eine amerikanische Normungsorganisation, ähnlich dem deutschen DIN Institut oder der ISO (International Standard Organisation). Für Schrittmotoren ist die NEMA-Norm ICS 16-2001 „Motion/Position Control Motors, Controls and Feedback Devices“ der relevante Standard. Genauso wie bei anderen Normungsinstituten sind die Normen der NEMA nicht frei zugänglich, sondern müssen käuflich erworben werden. Je nach Umfang der Norm fallen einige Hundert U$ dafür an. Daher möchte ich versuchen, nachfolgend einen Überblick über die verschiedenen Baugrößen bei Schrittmotoren zu geben.

Da die NEMA Normen aus dem amerikanischen Raum stammen, basieren Sie auf Maßangaben in Zoll (inch). Die verschiedenen Motorbaugrößen sind dementsprechend nach ihrem äußeren Kantenmaß (Flanschmaß) in verschiedene Größen unterteilt. Das Flanschmaß in 1/10“ ist dabei jeweils der Name der Baugröße, wobei sowohl die Zollangaben als auch bei der Umrechnung in Millimeter Rundungsfehler auftreten können. Nema 17 bedeutet also 1,7“, entsprechend 43,18mm. Tatsächliches Flanschmaß: 42,0mm. Auch die Wellendurchmesser basieren auf zölligen Maßen, z.B. die 6,35mm bei Nema 23 Motoren (6,35mm=1/4“). Zum Teil sind die Motoren für den europäischen Markt etwas angepasst. So definiert die ICS16-2001 die Gewindebohrungen für Motoren mit C-Flansch (Sacklöcher) mit amerikanischen Normgewinden (z.B. UNC 4-40 für Nema17). Die in der Norm definierten metrischen Flanschmaße finden bei Schrittmotoren offenbar keine Anwendung, weil das auf komplett eigene Baureihen für den metrischen Markt hinauslaufen würde. Anders ist es z.T. bei den Wellendurchmessern, Abschnitt 4.1.2.4 der Norm legt metrische Wellendurchmesser fest. Die 6,35mm Welle bei Nema23 Motoren zeigt aber, dass nicht alle Wellendurchmesser auf das metrische System angepasst wurden.

Maßzeichnung eines Motors mit Nema23-Flansch, Beispiel Nidec Servo KH56QM2-951

Maßzeichnung eines Motors mit Nema23-Flansch, Beispiel Nidec Servo KH56QM2-951

Die Normung der Baugrößen hat für die Anwender entscheidende Vorteile. Es gibt nur eine begrenzte Anzahl an verschiedenen Flanschmaßen und Wellendurchmessern. Motoren von verschiedenen Herstellern lassen sich (mit gewissen Einschränkungen) ohne konstruktive Änderungen gegeneinander austauschen. Das ermöglicht u.a. günstige Einkaufspreise. Im Detail gibt es allerdings schon Unterschiede, die beachtet werden müssen. So können die Länge der Welle und ihre Form (rund, abgeflacht, mit Passfedernut) sowie die Art des Anschlusses (Litzen, Stecker) unterschiedlich ausgeführt sein. Auch die elektrischen Daten sowie die Drehmoment-Kennlinien sind in der Regel nicht direkt vergleichbar.

Die Tabelle fasst die wichtigsten mechanischen Maße sowie typische Werte für am Markt erhältliche Baulängen, Haltemomente und Phasenströme zusammen. Die Daten sind den Katalogen namhafter, vorwiegend japanischer Hersteller entnommen und beziehen sich auf aktuell verfügbare Produkte. Ältere Motoren können z.T. deutlich geringere Haltemomente oder Motorströme aufweisen. Die Tabelle erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit. Je nach Hersteller und Motorbaureihe kann es auch zu Abweichungen von den in der Norm angegebenen Maßen kommen. Bei Auswahl eines Motors sind die technischen Daten genau zu prüfen, um Probleme bei der Montage zu vermeiden. Das gilt auch, falls in einem bestehenden Produkt auf einen anderen Motortyp umgestellt werden soll.

 

Baugröße Flanschmaß Lochabstand u. Bohrungen typische Baulänge Wellen-durch-messer Drehmoment-Bereich typischer Phasenstrom Bemerkungen
(Nema08) 20mm 16,0mm
4*M2
28-48mm 4,0mm 0,018-0,036Nm 0,5-0,8A Zentrierdurchmesser auch 16,0mm
Lochabstand auch 15,4mm
(Nema11) 28mm 23,0mm
4*M2,5
31-52mm 5,0mm (0,1969″) 0,03-0,14Nm 0,4-1,4A
(Nema14) 35mm 26,0mm
4*M3
20-52mm 5,0mm (0,1969″) 0,05-0,4Nm 0,4-1,2A Lochabstand auch 29,0mm
Nema17 42mm 31,0mm
4*M3
33-59mm 5,0mm (0,1969″) 0,15-1,0Nm 0,25-2,0A
(Nema20) 50mm 41,0mm
4*4,5mm
40-81mm 6,35mm (1/4″) 0,28-1,56 1,0-3,0A
Nema23 56,4mm 47,14mm 4*4,5mm 41-112mm 6,35mm (1/4″) 0,4-3,4Nm 0,7-4,0A Wellendurchmesser z.T. auch 8,0mm
Befestigungslöcher teilw. auch 5,0mm
(Nema24) 60mm 47,14mm 4*4,5mm 44-90mm 8,0mm (~0,3125″) 0,75-3,2Nm 1,0-6,0A Lochabstand auch 50,0mm
Zentrierdurchmesser auch 36,0mm
Nema34 86mm 69,58mm 4*6,5mm 63-150mm 14,0mm 2,5-14Nm 3,0A-10,0A Wellendurchmesser z.T. auch 9,525mm (0,375″) oder 12,0mm
Nema42 106/110mm 88,88mm 4*8,5mm 99-221mm 19,0mm (~0,75″) 12-30Nm 5,5-10,0A Wellendurchmesser auch 16,0mm (~0,625″)

 
Die Tabelle mit weiteren Daten zum Download: Nema_Baugroessen

Die wichtigsten Baugrößen sind Nema 17, Nema 23 und Nema 34. Nema42 ist heute kaum noch gebräuchlich. Höhere Leistungsdichten erlauben oft den Einsatz eines kleineren Motors mit 86mm Flansch (=Nema34). Außerdem wird bei größeren Leistungen inzwischen eher auf Synchron-Servoantriebe gesetzt. Dafür sind in den letzten Jahren zunehmend kleinere Motoren auf den Markt gekommen. Das Angebot reicht heute bis herunter zu 20mm Flanschmaß („Nema08“), allerdings definiert die Norm keine Baugrößen kleiner Nema17. Nema 20 und Nema24 sind Zwischengrößen, die vermutlich von Nema23 abgeleitet wurden, auch diese Größen sind nicht im Standard festgelegt. Nema20 nutzt den gleichen Wellendurchmesser, während bei Nema24 aufgrund der höheren Drehmomente eine Welle mit 8mm Durchmesser zum Einsatz kommt. Auch bei den kleinen Baugrößen Nema14 und Nema11 gibt es Ähnlichkeiten zur größeren Nema17 Bauform. Bei diesen nicht genormten Größen ist besondere Aufmerksamkeit bei der Prüfung der Maßangaben gefordert.

Motoren mit 0,9° Vollschrittwinkel sind in den Baugrößen „Nema14“, Nema17 und Nema23 erhältlich. 3- und 5-phasige Motoren sind in den Baugrößen Nema23 und Nema34 verfügbar.

Innere Werte – Qualität von Schrittmotoren

Donnerstag, Februar 4th, 2016

In den letzten 10 Jahren sind die Preise bei Schrittmotoren deutlich unter Druck geraten, vor allem wegen der billigen Produkte aus China. Für den Anwender stellt sich die Frage, wie die Qualität der Motoren zu bewerten ist, da der Preis wie so oft nur bedingt einen Rückschluss auf die Qualität des Produkts zulässt. Im folgenden Beitrag möchte ich daher auf einige Eigenschaften von Schrittmotoren eingehen und aufzeigen, welche Unterschiede es im Detail gibt.

Blechpaket / Stator

Zur Vermeidung von Wirbelstromverlusten wird der Stator des Schrittmotors geblecht ausgeführt. Die Statorbleche sind mit einem Backlack beschichtet, der nach Aufbau des Blechpakets im Ofen verbacken wird, um mechanische Stabilität zu erreichen. Zusätzliche Stabilität erhält der Motor durch die Verschraubung, welche vom vorderen bis zum hinteren Lagerschild reicht. Die Lagerschilde werden aus Gußrohlingen hergestellt, bei denen lediglich die Funktionsflächen (Lagersitze, Montageflansch mit Zentrierbund) spanabhebend nachbearbeitet werden.

Berger Lahr VRDM566

Wo rohe Kräfte sinnlos walten… Bei diesem 5-phasen Schrittmotor von Berger Lahr wurde das Statorgehäuse durch eine übermäßige Drehmoment-Belastung tordiert.

Insbesondere bei preiswerten Motoren werden die Bleche zusätzlich mit mehreren Nähten verschweißt, was an den Schweißnähten naheliegender weise für erhöhte Verluste sorgt. Bei inzwischen erhältlichen Motorlängen bis zu 112mm (bei Motoren mit 56mm Flanschmaß) ist diese Maßnahme kaum zu vermeiden. Bei Motoren mit lediglich 56mm Länge sollte sich die Stabilität des Motors allerdings auch auf anderem Wege erreichen lassen.

Blechpaket Statorgehäuse

Von links nach rechts: Markenloser Chinamotor mit geschweißtem Blechpaket, Nidec Servo KH56QM2 mit gleichmäßiger, ungeschweißter Blechung und Sanyo Denki 103H7823 mit sichtbarem Lagenaufbau.

Wie groß der Einfluss der Statorverluste im Dauerbetrieb sein kann, zeigt die Firma Oriental Motor in einer Wärmebildaufnahme. Vergleichen wurde ein Standardmotor mit der relativ neuen Motorserie PKE, welche mit dünneren Statorblechen aufgebaut wird, um die Verluste weiter zu reduzieren.

Wärmebild Oriental Motor PKE-Serie

Wärmebildaufnahme zum Einfluss der Stator-Blechstärke auf die Erwärmung und damit die Verluste im Motor. Nach 80 Minuten ergibt sich eine Differenz von 40°C am Motorgehäuse [Quelle: Oriental Motor].

Das es auch unter den Motoren „Made in China“ deutliche Qualitätsunterschiede gibt, ist noch auf andere Ursachen zurückzuführen. Einige Importeure betreiben vor Ort eigene Qualitätssicherung und erreichen so geringere Fertigungs- und Montagetoleranzen. Andere Hersteller beziehen nur die Einzelteile aus China, führen die Endmontage aber in Europa durch. Dies gilt z.B. für die Schrittmotoren der italienischen Firma LAM. Abhängig von der Fertigungstiefe müssen diese Motoren aber trotzdem als „Made in China“ gekennzeichnet werden. Die großen japanischen Hersteller sind z.T. noch einen Schritt weiter, und fertigen große Serien schon nicht mehr in China, sondern in anderen asiatischen Ländern, in denen die Lohnkosten deutlich niedriger sind als in China. Durch die hohen Fertigungsstandards und die ISO-zertifizierte Qualitätssicherung ist hat das in der Regel jedoch keinen Einfluss auf die Qualität der Schrittmotoren.

Lager

Die für die Lagerung der Motorwelle verwendeten Kugellager sind die einzigen Verschleißteile bei Schrittmotoren. Insbesondere bei hohen radialen und axialen Kräften auf die Welle (z.B. bei Zahnriemen-Antrieben) haben sie wesentlichen Einfluss auf die Lebensdauer des Motors. Die Lagergröße ist bei Motoren mit Normflansch („Nema“-Baugrößen) durch die Geometrie des Motorflansches vorgegeben. Unterschiede finden sich dagegen bei den verwendeten Lagern selbst (hochwertige Markenprodukte oder preiswerte China-Ware) und bei den Fertigungstoleranzen im Lagerschild und an der Motorwelle. Diese Faktoren können nur durch Öffnen des Motors bzw. mehrerer Motoren geprüft werden, womit der Motor in der Regel unbrauchbar wird. Fertigungs- und Wicklungstoleranzen beeinflussen außerdem die mögliche Streuung in der Serienfertigung sowie Rastmoment und Positionsgenauigkeit im Mikroschritt, und damit das Geräusch und Resonanzverhalten der Schrittmotoren.

PK268 geöffnet

Zerlegter PK268 von Oriental Motor, der nach einem Defekt zur Befundung geöffnet wurde.

Motorwelle

Neben den Fertigungstoleranzen ist für den Anwender vor allem die äußere Ausführung des bzw. der Wellenenden von Interesse. Hierzu zählen Durchmesser, Länge und Querschnitt. War bei 56mm Flanschmaß („Nema23“) lange ein Wellendurchmesser von 6,35mm (1/4“) der Standard, werden viele Motoren mit höherem Drehmoment inzwischen mit 8,0mm Welle geliefert. Noch größer ist die Vielfalt bei Motoren mit 86mm Flansch („Nema34“), hier sind Wellendurchmesser 9,525mm, 12,0mm und 14,0mm gängig. Neben glatter Welle sind ein- oder zweiseitige Wellenabflachung (D-cut) und Wellen mit Passfedernut, sowie Motoren mit ein und zwei Wellenenden erhältlich. Je nach Hersteller gibt es unterschiedliche Standardausführungen, die bei Abnahme größerer Serien auch kundenspezifisch angepasst werden können. Das 2. Wellenende kann z.B. zur Montage von Handrädern, Dämpfern, Encodern oder Motorbremsen verwendet werden. Neben einer entsprechenden Wellenbearbeitung sind für die Montage z.T. auch passende Bohrungen oder Gewinde im hinteren Lagerschild erforderlich.

Unterschiedliche Motorwellen

Von links nach rechts: China-Motor mit runder 6,35mm Welle, PKP268 mit 8,0mm Welle und einseitiger Abflachung, Sanyo Denki 103H7823 mit 8,0mm Welle und 2-facher Abflachung.

Litzen

Bei Motoren mit herausgeführten Leitungen gibt es deutliche Unterschiede bei den verwendeten Litzen. Gute Motoren sind mit sehr flexiblen Litzen ausgestattet, die sich durch einen feindrähtigen Aufbau und dünne, flexible Isoliermaterialien auszeichnen. Bei preiswerten Schrittmotoren sind die Litzen dagegen meist deutlich starrer, der innere Aufbau besteht aus weniger und dafür dickeren Drähten und die Isoliermaterialien sind steifer. Der Litzenaufdruck gibt Aufschluss über Querschnitt, Temperatur- und Spannungsfestigkeit sowie ggf. vorhandene Prüfsiegel (UL, CSA, VDE). Bei Ausführungen in IP54 wird ein mehradriges Kabel statt Einzeladern verwendet, und der Kabelausgang ist zusätzlich abgedichtet.

Anschlusslitzen von Schrittmotoren

Links: China-Motor mit relativ starren Litzen, Kabeldurchführung durch Gumminippel. Rechts: PK266-E2.0B mit feindrähtigen Litzen, Kabeldurchführung mit Kantenschutz aus Kunststoff.

Kabelausgang / Stecker

Alternativ zum Herausführen von Anschlusslitzen gibt es verschiedene Varianten mit steckbaren Anschlüssen. Gängig sind Direkt-Steckverbindungen mit Steckern von JST, Molex oder Amphenol im Kunststoffgehäuse, mit oder ohne zusätzliche Abdeckung am Motorgehäuse. Vereinzelt sind auch Schrittmotoren mit integrierten Industriesteckern (M12) im Angebot, z.B. von Festo. Eine Zwischenlösung sind Motoren mit Klemmkasten am hinteren Lagerschild. Meist wird diese Variante gewählt, wenn die Schutzart IP65 erreicht werden muss. Der Anwender führt das Kabel über eine Kabelverschraubung („PG-Verschraubung“, heute meist mit metrischem Gewinde) in den Klemmkasten ein, wo die einzelnen Adern auf Schraubklemmen aufgelegt werden. Durch den Klemmkasten baut der Motor deutlich länger, die Abdichtung treibt außerdem die Kosten in die Höhe.

Stecker-Varianten bei Nema23 Motoren

Verschiedene Ausführungen von Steckern bei Schrittmotoren. Von links nach rechts: Nidec Servo KH56QM2, Oriental Motor PKP268, Sanyo Denki 103H7823.

Kennlinie

Für die Auslegung des Antriebs spielen Drehzahl-Drehmoment Kennlinien eine wichtige Rolle. Sie geben Aufschluss darüber, welches Drehmoment der Motor bei verschiedenen Drehzahlen erreicht. Da die Kennlinien je nach Versorgungsspannung unterschiedlich ausfallen, ist es hilfreich, wenn Kennlinien für mehrere Spannungen zur Verfügung stehen. Zu sehr preiswerten Motoren aus unbekannter Fertigung bekommt man oft gar keine Kennlinien. Dann bleibt nur die Erprobung in der Applikation, wobei es sinnvoll ist, mit erhöhten Lasten zu arbeiten, um ausreichend Reserven zu berücksichtigen. Alle großen Hersteller stellen dagegen Kennlinien zu ihren Motoren zur Verfügung. Unter Umständen ist es sogar möglich, für spezielle Anwendungen (ungewöhnliche Versorgungsspannung, Betrieb mit geringerem Strom usw.), eine Kennlinie speziell nach Anforderungen des Anwenders aufzunehmen.

Verfügbarkeit

Die langfristige Verfügbarkeit von Ersatzteilen ist in kommerziellen Anwendungen ein gewichtiges Argument. Hier gibt es selbst bei den großen Herstellern unterschiedliche Philosophien und Produktlaufzeiten. Für einige Hersteller ist der europäische Markt relativ unbedeutend, entsprechend stiefmütterlich werden die Kunden behandelt, wenn es um Ersatzteile geht. In anderen Fällen bekommt man auch über 10 Jahre nach Auslaufen einer Serie problemlos einzelne Motoren als Ersatzteil. So lieferte z.B. Oriental Motor bis Frühjahr 2015 noch Motoren aus der 2-Phasen PH-Serie, welche Bereits in den 1990’er Jahren durch die bis heute verfügbare PK-Serie abgelöst wurde.

Fazit – Erforderliche Qualität hängt von der Anwendung ab

Wie man sieht, steckt der Teufel im Detail. Ob die vorgestellten Unterschiede relevant sind, hängt stark von der Applikation und den Ansprüchen an den Antrieb ab. Für private Anwendungen sind die meisten genannten Kriterien von untergeordneter Bedeutung, hier zählt für viele Anwender vor allem der Preis. In kommerziellen Applikationen sieht das ganz anders aus: Ist der Hersteller bzw. Lieferant flexibel genug, Wellenbearbeitung oder Anschlussleitung an die Kundenwünsche anzupassen, kann das in der Montage eine Menge Aufwand und damit Geld sparen. Falls dagegen der verwendete Schrittmotor nach 3 Jahren nicht mehr lieferbar ist, muss ein Ersatztyp qualifiziert werden. Soll z.B. das Endprodukt auf einmal in die USA exportiert werden, kommen Themen wie Prüfsiegel (UL) und Entflammbarkeitsklasse von Litzen und Steckern auf die Tagesordnung. Vor einer Entscheidung für einen Motor lohnt es sich also, verschiedene Typen zu vergleichen und dabei die genannten Kriterien im Blick zu behalten.

Positioniergenauigkeit von Schrittmotoren

Samstag, November 15th, 2014

Im Beitrag „Die Bedeutung des Lastwinkels bei Schrittmotoren“ wurde bereits diskutiert, warum durch den Einsatz einer Mikroschritt-Ansteuerung zwar die Auflösung des Antriebssystems erhöht wird, nicht aber die Genauigkeit. Dabei wurde auch erläutert, warum ein Schrittmotor unter Last einen Positionsfehler von bis zu einem Vollschritt aufweisen kann, ohne dass er aus dem Tritt gerät. Im Rahmen einer Diskussion über Schrittmotoren und Rampen im Forum von Mikrocontroller.net wurde im Verlauf der Diskussion auch die Frage erörtert, ob der max. Positionsfehler eines Schrittmotors nun ein, zwei oder gar vier Vollschritte betragen würde. Diese Frage möchte ich daher hier nochmals aufgreifen.

In der Literatur finden sich zum statischen Belastungsfall (d.h. der Motor steht und wird durch ein externes Moment belastet) vergleichbare Abbildungen wie im Beitrag über den Lastwinkel, wobei hier das Motormoment aufgetragen ist, während in der Literatur meist das extern angreifende Moment dargestellt wird, und nicht das vom Motor aufgebrachte Moment. Dieses ist dem Lastmoment entgegen gesetzt und weist dementsprechend ein anderes Vorzeichen auf.

Eine besonders interessante Darstellung findet sich bei RUMMENICH. Neben der bekannten sinusförmigen Lastmoment-Kurve, die den Bereich +/-2 Vollschritte abdeckt, wird hier die Stabilität der Rotorlage durch einen Vergleich mit einem Pendel symbolisch dargestellt. Anhand des Pendels wird deutlich, dass der Rotor in den Positionen bei +/- 2 Vollschritten eine instabile Lage einnimmt. Sollte es zu einer Überlastung des Motors kommen, wird der Rotor also in die nächste stabile Position (+/- 4 Vollschritte) springen. Das gilt allerdings nur, wenn die externe Last dann wieder kleiner ist als das Drehmoment des Motors. Ansonsten wird der Rotor um weitere n*4 Schritte weiter drehen. Analog kann das Pendel nur in seine stabile Lage zurück schwingen, wenn die Kraft welche die Auslenkung verursacht hat, verschwindet (d.h. wenn das Pendel losgelassen wird).

Lastwinkel Rummenich

Darstellung des Lastwinkels im Buch von E. Rummenich.

Eine ausführlichere Betrachtung zum Thema Winkelfehler durch Belastung des Motors findet sich bei SCHÖRLIN. Neben dem Einfluss einer statischen Last wird hier auch auf das Reibmoment eingegangen. Der durch das Reibmoment verursachte Winkelfehler wird gemäß

α=arcsin⁡(Mr/Mmax)

berechnet, wobei Mr das Reibmoment und Mmax das Nennmoment des Schrittmotors ist. Es wird sofort klar, dass ein höheres Drehmoment bei gleichbleibendem Reibmoment einen kleineren Winkelfehler zur Folge hat. Umgekehrt führt eine Absenkung des Motorstroms zu einem höheren Winkelfehler.

SCHÖRLIN betrachtet aber auch den dynamischen Lastfall. Bei höheren Drehzahlen ergibt sich durch die Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung ein Nacheilen des Drehfeldes gegenüber den angelegten Spannungen um max. 90°, so dass auch der Rotor zurück fällt. Dieser Effekt überlagert sich mit dem statischen Lastfall, so dass der dynamische Gesamtfehler bis zu zwei Vollschritte betragen kann.

Dynamischer Lastwinkel

Darstellung des statischen Lastwinkels incl. Einfluß des Reibmomentes (oben) sowie des dynamischen Lastwinkels (unten) bei F. Schörlin

Kommt es zu einer Überlastung und damit zu einem außer Tritt fallen des Motors („Schrittverlust“), springt der Schrittmotor um ein Vielfaches von 4 Vollschritten weiter. Der im Verlauf der eingangs genannten Diskussion gebrauchte Begriff „Großschritt“ findet sich in der Literatur übrigens nicht wieder. Auch eine Websuche führt zu nicht zu relevanten Treffern. Stattdessen ist es üblich, von einer elektrischen Umdrehung zu sprechen, da sich nach vier Vollschritten das Bestromungsmuster widerholt. Der Zusammenhang zwischen der elektrischen Umdrehung und einer mechanischen Umdrehung des Rotors (=360°) ist die Anzahl der Polpaare. Der typische 2-phasige Schrittmotor mit 1,8° Vollschritt-Winkel (200 Vollschritte/U) weist demnach eine Polpaarzahl von 50 auf.

Zusamenfassung: Unterhalb des Motor-Nennmoments ist der auftretende Winkelfehler im statischen Fall kleiner als +/- einen Vollschritt. Im dynamischen Fall kann der Winkelfehler sogar auf +/- zwei Vollschritte ansteigen. Dieser Effekt ist bei Anwendungen mit hohen Anforderungen an die Positioniergenauigkeit unbedingt zu beachten. Ggf. hilft es, den Motor entsprechend größer auszulegen, so dass die auf den Rotor wirkenden Lastmomente gegenüber dem Nennmoment klein bleiben, was entsprechend kleinere Winkelfehler zur Folge hat.

Linearaktuator – der Schrittmotor für lineare Bewegungen

Dienstag, August 21st, 2012

Die meisten Schrittmotoren werden für lineare Verstellbewegungen eingesetzt. Über Zahnriemen oder Gewindespindeln wird die rotatorische Bewegung des Motors in eine translatorische Bewegung der Last umgesetzt. Insbesondere bei relativ kurzen Hüben bietet es sich an, diese Bewegungsumwandlung direkt in den Motor zu integrieren und damit eine Reihe von mechanischen Bauteilen einzusparen. Ergebnis dieser Überlegungen ist der sogenannte Linearaktuator. Er basiert in der Regel auf einem normalen Schrittmotor, dessen Rotor mit einer Hohlwelle ausgestattet ist. Teil dieser Hohlwelle ist die Spindelmutter. Linearaktuatoren sind sowohl auf Basis von billigen Dosenmotoren (CAN-Stack), als auch auf Basis von Hybridschrittmotoren erhältlich.

Zu der Mutter im Rotor wird eine Spindel benötigt. Um eine Linearbewegung erzeugen zu können, muss eine Drehung der Spindel verhindert werden. Hier werden verschiedene Lösungsansätze unterschieden:

– Ohne Verdrehsicherung („non captive“). Die Verdrehsicherung muss durch die Anschlusskonstruktion realisiert werden. Da die Spindel nicht dreht, ist die Anwendung nicht durch die biegekritische Drehzahl limitiert. Je nach Spindellänge können auch mehrere Motoren auf einer Spindel verfahren werden.
– Externe Spindelmutter. Bei dieser Ausführung rotiert die am Schrittmotor fixierte Spindel, die Linearbewegung erfolgt durch die Mutter entlang der Spindel. Der Aufbau entspricht somit am ehesten der klassischen Anwendung mit Motor, Kupplung, Spindel und Mutter. Hier entfallen jedoch die separate Spindellagerung und die Kupplung.
– Mit Verdrehsicherung („captive“). Hier ist die Verdrehsicherung bereits integriert, wodurch sich die Länge des Motorgehäuses deutlich vergrößert. Diese Ausführung ist meist in gestuften Hublängen erhältlich, wobei der Hub typisch unter 100mm liegt.

Aktuator mit externer Mutter

Bild: Linearaktuator mit externer Spindelmutter, hier als kundenspezifische Sonderausführung.

Als Spindeln können sowohl Trapez- sowie Feingewinde und Kugelgewindetriebe zum Einsatz kommen. Je nach Wahl der Spindelsteigung ergeben sich unterschiedliche Auflösungen. Bei kleinen Spindelsteigungen kann der Antrieb auch selbsthemmend sein, was eine Bremse überflüssig macht. Zu beachten ist die maximale Belastbarkeit der Motorlager (Katalogangabe), da diese (anders als bei klassischen Schrittmotoren mit separatem Spindeltrieb) den externen Vorschubkräften standhalten müssen. Insbesondere bei niedrigen Spindelsteigungen definieren die Motorlager die Grenze der Vorschubkraft.

Linearaktuator mit Verdrehsicherung

Bild: Schnittmodell eines Linearaktuators mit integrierter Verdrehsicherung („captive“). Schön zu sehen die Ausführung der Polkappen im Rotor, Nord und Südpole um eine halbe Polteilung versetzt. Vielen Dank an Herrn Spyra von A-drive für die Erlaubnis sein Muster abzulichten.

Linearaktuatoren werden nur von wenigen Herstellern angeboten und sind aufgrund der hohen Funktionsdichte meist nicht 1:1 mit Produkten anderer Hersteller austauschbar, insbesondere die „captive“ Ausführungen mit Verdrehsicherung. Als Optionen sind z.T. Drehgeber (Encoder) oder integrierte Endschalter erhältlich.

Sind hohe Geschwindigkeiten bei kurzem Hub aber vergleichsweise geringer Auflösung gefragt, können klassische Schrittmotoren mit einfachen mechanischen Umwandlungsprinzipien eine Alternative sein. Denkbar sind z.B. ein Kurbeltrieb oder eine Betätigung über Nocken, wobei hier auch Rückstellfedern einsetzbar sind, wenn die Last z.B. nach untern gegen die Gewichtskraft zu betätigen ist. Zu beachten ist allerdings, das bei diesen Antriebsprinzipien kein linearer Zusammenhang mehr zwischen Drehwinkel und Vorschub besteht, so dass bei konstanter Motordrehzahl die Vorschubgeschwindigkeit variiert.

Welche Lösung am besten geeignet ist, ist von Anwendung zu Anwendung verschieden. Die Entscheidung kann sowohl von Kostengesichtspunkten als auch von räumlichen Begrenzungen getrieben sein. Es lohnt sich aber immer, verschiedene Konzepte zu vergleichen…

Literatur zu Schrittmotoren

Freitag, Juni 8th, 2012

Wer anfängt, sich mit Schrittmotoren zu beschäftigen, findet im Web eine Menge an Quellen, anhand derer man sich einen ersten Überblick verschaffen kann. Zu empfehlen ist zunächst der Wikipedia-Artikel zum Schrittmotor. All denen, die halbwegs englisch sprechen bzw. lesen können, sei die Webseite von Professor Jones ans Herz gelegt. Auch meine Homepage zum Schrittmotor möchte ich nicht unerwähnt lassen…

Was aber, wenn man tiefer in das Thema Schrittmotor einsteigen will? Ältere Semester werden sich erinnern: Richtig, dann könnte man ein Buch zur Hand nehmen. Aber welches? Ich habe im Folgenden eine Übersicht über bekannte und weniger bekannte Bücher rund um den Schrittmotor zusammen gestellt. Allen gemein ist, dass sie schon einige Jahre auf dem Buckel haben. Viele Titel sind außerdem nicht mehr neu erhältlich, sondern nur noch gebraucht über eBay, Amazon und Co.

Neuere Entwicklungen wie Mikroschritt, Stall-detection (Überlasterkennung) oder sensorlose Regelung bleiben bei den Büchern also außen vor. Doch bevor man sich intensiv mit diesen Themen beschäftigt, lohnt es sich, ein gutes Grundverständnis vom Schrittmotor und dem zugrunde liegenden Wirkprinzip aufzubauen. Dann lesen sich die Datenblätter und Applikation Notes der IC-Hersteller deutlich leichter. Und wer dann immer noch nicht genug hat, wird in Unibibliotheken fündig. Hier gibt es tatsächlich eine Reihe neuerer Veröffentlichungen in internationalen Magazinen (z.B. verschiedene IEEE Publikationen) und natürlich Dissertationen, die noch mehr in die Tiefe gehen.

Literaturübersicht:

Übersicht Bücher zum Thema Schrittmotoren

Eine Auswahl an Büchern zu Schrittmotoren und elektrischen Antrieben

Felix Schörlin: “Mit Schrittmotoren steuern, regeln und antreiben”. Franzis, 1995. ISBN: 3-7723-6722-4
Sehr schönes, leicht verständlich geschriebenes Buch für Einsteiger. Betrachtet auch Resonanzen und einfache Versuchsaufbauten. Mit verschiedenen, ausführlich erläuterten Schaltungsbeispielen (TCA3717, L6203, diskrete Endstufen mit MOSFET und IGBTs), die allerdings nicht mehr dem aktuellen Stand entsprechen. Auch für 5-phasige Motoren einsetzbar. Das Controller-Beispiel mit dem ST6225 ist nicht mehr up to date, kann aber leicht auf andere Controller übertragen werden.

Friedrich Prautzsch: „Schrittmotor-Antriebe“. 3. Aufl., Franzis, 1996. ISBN: 3-7723-2183-6
Sehr kompakt, bietet einen schnellen aber nicht zu oberflächlichen Einstieg in das Thema. Elektrotechnik-Grundwissen ist von Vorteil. Nicht mehr ganz auf dem letzten Stand.

Erich Rummenich et al.: „Elektrische Schrittmotoren und –antriebe“. 3. Aufl., Expert 2005. ISBN: 3-8169-2458-1
Inhaltlich nicht mehr auf dem Stand der Technik. Interessant wegen der einfachen Versuchsaufbauten und für historische Betrachtungen

Takashi Kenjo: „Stepping motors and their microprocessor controls“. Oxford Science Publications, 1984. ISBN 0-19-859339-2
Sehr umfangreiches englisches Buch, bietet einen guten Einstieg mit historischem Überblick. Viele interessante Abbildungen von älteren Geräten und Realisierungsbeispielen. Dynamische Betrachtungen incl. der mathematischen Zusammenhänge, Schaltungsbeispiele mit Logiktabellen sowie Versuchsaufbauten. Mit Literaturverzeichnis zu jedem Kapitel

Dierk Schröder: „Elektrische Antriebe – Grundlagen“. 3. Aufl., Springer, 2007. ISBN: 978-3-540-72764-4
Allgemeines Buch zur elektrischen Antriebstechnik mit einem Abschnitt über Schrittmotoren. Umfangreiches Literatur- und Sachverzeichnis

Gert Hagmann: „Leistungselektronik – Grundlagen und Anwendungen in der elektrischen Antriebstechnik“. 3. Aufl., Aula, 2006. ISBN:978-3-89104-700-2
Gutes Grundlagenbuch für alle, die selbst Schaltungen zur Ansteuerung von Motoren entwickeln möchten. Gutes Sachverzeichnis.

Paul Acarnely: “Stepping Motors: A Guide to Theory and Practice”. 4th edition, Institution of Engineering and Technology, 2002. ISBN: 978-0852964170
Englisches Fachbuch. Das Thema Mikroschritt fehlt leider. Sonst sehr detailliert, incl. der zur Beschreibung und Berechnung erforderlichen Mathematik. Weitere Themen: Open und closed loop Betrieb, statische Betrachtung der Momente, Highspeed Betrieb, Resonanzdämpfung. Umfangreiche Literaturverweise.

Handbuch Elektrische Kleinantriebe [Gebundene Ausgabe]
Hans-Dieter Stölting (Herausgeber), Eberhard Kallenbach (Herausgeber). 4. Aufl., Hanser, 2011. ISBN-13: 978-3446423923
Habe ich selbst noch nicht gelesen, sollte aber trotzdem nicht unerwähnt bleiben, weil es gerade in neuer Auflage erschienen ist. Somit besteht die Chance, auch zu neueren Themen Informationen zu finden.

Resonanzen bei Schrittmotoren

Donnerstag, Juli 28th, 2011

Gesteuert betriebene Schrittmotoren weisen, je nach Last und Art der Ansteuerung, unterschiedlich starke Resonanzbereiche auf. Der folgende Beitrag gibt einen kurzen Überblick über die Ursache und mögliche Lösungen, mit denen das Auftreten von Resonanzen und damit letztlich ein Schrittverlust vermiedenen werden kann.

Resonanzen bei Schrittmotoren lassen sich grob in zwei Bereiche unterteilen, die unterschiedliche Ursachen haben. Im unteren Frequenzbereich (bis ca. 250 Hz) handelt es sich um mechanisch angeregte Schwingungen, die im Bereich der Eigenfrequenzen der Mechanik Aufgrund mangelnder Dämpfung kritisch werden können. Im mittleren bis oberen Frequenzbereich hat man es dagegen mit einer geringer werdenden Dämpfung aufgrund der induzierten Gegenspannung (EMK) und Wechselwirkungen mit der Treiberschaltung (Endstufe) zu tun.

Resonanzen im unteren Frequenzbereich

Bei der Betrachtung des Lastwinkels wurde bereits diskutiert, dass ein Schrittmotor nur dann ein Drehmoment erzeugt, wenn der Winkel zwischen dem elektromagnetischem Feld und Rotor ungleich null ist. Wir der Motor ohne Last mit konstanter Frequenz betrieben, ergibt sich bei jedem Umschalten einer Wicklung eine schlagartige Änderung dieses Winkels. Der Rotor bewegt sich jedoch annähernd gleichförmig, so dass der Lastwinkel stark schwankt. Es ergibt sich ein starkes Pendelmoment. Nur der Gleichanteil dieses Pendelmoments steht zum Antreiben von Lasten zur Verfügung. Bei niedriger Dämpfung und ungünstiger Anregungsfrequenz wird der Rotor zum Schwingen angeregt und das System schaukelt sich weiter auf. Die betroffenen Frequenzen hängen stark von der angekoppelten Last und der damit verbundenen Reibung ab. Umso geringer die Reibung und die Trägheit im System sind, umso größer ist die Gefahr von Resonanzproblemen. In weniger „geschönten“ Drehmomentkurven sind Resonanzstellen gut durch Einbrüche im Drehmomentverlauf zu erkennen. Das vorhanden sein eines solchen Einbruchs bedeutet aber nicht, dass der Motor im entsprechenden Frequenzbereich kein oder kaum Drehmoment erzeugt. Ist der Motor entsprechend belastet, erzeugt er sehr wohl ein entsprechendes Moment. Man muss aber darauf achten, dass die Last oder die Reibung nicht zu klein werden können.

Resonanzen im unteren Frequenzbereich sind besonders bei Ansteuerung im Vollschritt und zum Teil auch bei Halbschrittbetrieb ausgeprägt. Der Betrieb von Schrittmotoren im Vollschritt kann daher allgemein nicht empfohlen werden. Deutlich weniger Resonanzprobleme treten bei Ansteuerung im Mikroschritt auf. Probleme kann aber auch die anzutreibende Mechanik machen, wenn sie nicht ausreichend steif ist und Eigenfrequenzen in Bereichen aufweist, die vom Motor angeregt werden können. Sind die kritischen Frequenzbereiche bekannt und liegen sie unterhalb der Arbeitsgeschwindigkeit, empfiehlt es sich, den Motor schnell durch die kritischen Bereiche hindurch zu beschleunigen. Auch die geeignete Wahl von Getrieben oder anderen Übersetzungsstufen kann helfen, Resonanzbereiche zu meiden. Falls das nicht ausreicht, können mechanische Dämpfer Abhilfe schaffen. Diese gibt es z.B. als preiswerte Flanschdämpfer, die zwischen Motor und Mechanik montiert werden. Oder als Silikongel Dämpfer in Scheibenform, die z.B. auf das hintere Wellenende eines Schrittmotors montiert werden können. Diese Lösung ist aber vergleichsweise teuer. Flanschdämpfer verschlechtern dagegen die Kühlung des Motors über die Struktur der Mechanik, da kein direkter Kontakt mehr besteht. Außerdem stellen sie eine zusätzliche Nachgiebigkeit zwischen Motor und Last dar und verringern so die Positioniergenauigkeit. Gute Ergebnisse erreicht man auch durch den Einsatz eines Zahnriemens statt einer Metallbalgkupplung zwischen Motor und Last. Allerdings muss das möglichst schon in der Planungsphase berücksichtigt werden, da sonst größere Änderungen an der Mechanik erforderlich werden.

Mechanische Dämpfer für den Einsatz an Schrittmotoren. Links: Flanschdämpfer, rechts Wellendämpfer.

Resonanzen im mittleren Geschwindigkeitsbereich (engl. „midband resonances“)

Resonanz Erscheinungen im mittleren Frequenzbereich sind meist deutlich weniger ausgeprägt als im Bereich der mechanischen Eigenfrequenzen. Während die mechanische Dämpfung (aufgrund von Reibung usw.) mit der Geschwindigkeit leicht ansteigt, erreicht die Dämpfung aufgrund der Gegen-EMK ein lokales Maximum und fällt dann wieder ab. Dieses Verhalten ist auf die Wicklungsinduktivität zurück zu führen, die dafür sorgt, dass mit steigender Drehzahl der Winkel zwischen induzierter Spannung und dem daraus resultierenden Strom größer wird, was die (Verlust-)Leistung kleiner werden lässt. Durch ihren hohen Innenwiderstand haben moderne Choppertreiber keinen zusätzlichen dämpfenden Einfluss auf den Motor. Es ergibt sich somit ein Geschwindigkeitsbereich, in dem die Dämpfung des Systems mit der Drehzahl abnimmt. Zusätzliche Probleme können sich im oberen Drehzahlbereich ergeben, wenn der Stromregler aufgrund der Wicklungsinduktivität und der schnellen Umpolvorgänge keine Wirkung mehr hat. Der Treiber arbeitet dann wie ein einfacher L/R-Treiber, so dass der Motorstrom direkt von der Versorgungsspannung abhängt. Ist diese nicht ausreichend mit Kondensatoren stabilisiert, kann es bei ungünstigen Verhältnissen (Ansteuerung des Motors mit einem Vielfachen des Netzripples) zu einem Aufschwingen des Motors kommen.

Abhilfe schaffen z.T. schaltungstechnische Maßnahmen, die aber nicht trivial sind und immer auf den jeweiligen Motor abgestimmt werden müssen. Schwingungsvorgänge lassen sich als eine dem Betriebsstrom überlagerte Sinuskomponente messen. Die Messung kann in der Zuleitung zu den Endstufentransistoren erfolgen. Über eine Filterstufe kann dann der Wechselanteil identifiziert werden. Zur Schwingungskompensation gibt es zwei mögliche Vorgehensweisen. Eine Möglichkeit besteht darin, eingehende Schrittimpulse mehr oder weniger stark zu verzögern. Dadurch ergibt sich eine zusätzliche Phasenverschiebung zwischen Rotor und Feld. Die andere Möglichkeit besteht darin, die Motorströme so zu modulieren, dass der Strom erhöht wird, wenn der Rotor zu stark nacheilt und reduziert wird, wenn der Motor zu sehr voreilt. Der Aufwand zur wirksamen Unterdrückung von Schwingungen kann also je nach Aufbau des Systems erheblich werden.

Resonanzen bei Closed-Loop Betrieb

Inzwischen lässt sich ein Trend erkennen, auch Schrittmotoren geregelt zu betreiben. Die Firma Nanotec bietet z.B. schon seit einiger Zeit verschiedene Treiber an, die einen Encoder-Eingang haben und neben einer reinen Schrittverlusterkennung auch einen geregelten Betrieb ermöglichen („closed loop“). Trinamic zielt mit seinen Stallguard-2 Treibern in die gleiche Richtung, vermeidet aber den Aufwand für einen Drehgeber, in dem eine sensorlose Lastwinkelerkennung zum Einsatz kommt. Aber auch mit geregelten Antrieben ist man vor Resonanzen nicht sicher. Zunächst einmal müssen Regler vernünftig abgestimmt werden, was eine gewisse Erfahrung erfordert. Zu hohe Reglereinstellungen führen zur Instabilität des Systems, zu niedrige Einstellungen bedingen hohe Nachgiebigkeiten und damit niedrigere Dynamik und Positioniergenauigkeit.

Aber auch die beste Regelung nützt nichts, wenn die anzutreibende Mechanik nicht steif genug ist, wie folgendes Beispiel aus der Praxis verdeutlicht. Im Rahmen eines Beratungsprojektes sollte ein Schrittmotorantrieb für eine Dosierpumpe optimiert werden, die über einen Zahnriemen angetrieben wurde. Nachdem man im gesteuerten Betrieb bei hohen Drehzahlen gelegentlich Schrittverluste festgestellt hatte, wurde das System auf geregelten Betrieb umgestellt. Jetzt traten allerdings (abhängig von weiteren Einflüssen, die nicht publiziert werden dürfen und hier auch nicht relevant sind) Störgeräusche auf. Mittels Messungen konnte eine extreme Drehmomentwelligkeit im Antriebsstrang nachgewiesen werden, obwohl es auf der Lastseite hierfür keinen erkennbaren Grund gab. Die auftretenden Frequenzen lagen (drehzahlabhängig) bei wenigen Hertz, die Amplitude erreichte z.T. mehr als ein Viertel des Motornennmomentes.

Neben einer ungünstigen Auslegung des Zahnriemens selbst (zu geringer Umschlingungswinkel und zu geringe Zähnezahl) konnte letztlich der federbelastete Riemenspanner als Hauptursache der Probleme ausgemacht werden. Obwohl die Spiralfeder subjektiv eine hohe Steifigkeit aufwies, führten Lastwechsel im Riementrieb dazu, dass sich die Riemenspannung über den Vorspannmechanismus lastabhängig variierte. Nachdem die Feder entfernt und der Riemen statisch vorgespannt wurde, konnten die Reglereinstellungen deutlich erhöht werden. Der Antrieb lief anschließend geräuschlos und mit deutlich reduziertem Drehmoment-Ripple.

Betrachtungen zur Leistung von Schrittmotoren

Montag, Juni 6th, 2011

Da mich immer wieder Anfragen zur Auslegung von Netzteilen für Schrittmotor-Steuerungen erreichen, habe ich vor einigen Jahren angefangen, mich etwas intensiver mit dem Thema auseinander zu setzen. Eine Anfrage bei verschiedenen Herstellern von Schrittmotoren, wie denn die Leistungsaufnahme von Schrittmotor und –Endstufe zu berechnen sei, stieß überwiegend auf Achselzucken. Die einzigen Aussagen zum Thema waren, dass so etwas normalerweise nicht berechnet, sondern in der jeweiligen Anwendung gemessen würde. Das mag für Serienanwendungen sicherlich die einfachste Lösung sein. Für den Sondermaschinenbauer, der nur eine Anlage baut, ist diese Herangehensweise aber nicht befriedigend. Und selbst für die Serienanwendung ergibt sich der Nachteil, dass man zunächst den Aufbau eines Prototypen abwarten muss. In Zeiten, wo möglichst das gesamte Anlagenverhalten schon vor dem Abschluß der Konstruktion simuliert werden soll, stellt sich also die Frage, ob es eine theoretische Herangehensweise an das Problem gibt. Wie ich nach einiger Beschäftigung mit dem Thema feststellen musste, ist eine exakte Berechnung von Leistungsaufnahme oder abgegebener mechanischer Leistung tatsächlich alles andere als trivial. Es lassen sich aber durchaus Abschätzungen treffen. Da die Materie so komplex ist, werde ich dem Thema in nächster Zeit mehrere Beiträge widmen. Im ersten Teil möchte ich zunächst einen allgemeinen Überblick geben.

Eine häufig getroffene Annahme von meinen Kunden zur Netzteilauslegung sieht etwa so aus: Strom pro Phase * 2 Phasen pro Motor * Anzahl der Motoren = Gesamtstrom. Das führt dann dazu, dass in einer Anlage mit 4 Motoren a 2A Phasenstrom ein Netzteil mit 16A Nennstrom bei 40V, also stolzen 640VA eingeplant wird. Bei größeren Motoren mit höheren Strömen würde das Netzteil entsprechend noch dicker ausfallen. Das ein einzelner Nema23 Motor (Flanschmaß 56mm, Länge 76mm) keine 160W Dauerleistung umsetzen kann, sollte aber schon auf den ersten Blick klar sein. Ein entsprechender Gleichstrommotor hat bei vergleichbarer Leistung bereits einen Durchmesser von 83mm bei 167mm Länge, z.B. der Engel GNM 5440E

Tatsächlich darf man die Ströme der Motoren nicht einfach addieren, da stromgeregelte Endstufen ähnlich wie Schaltnetzteile arbeiten. Die PWM sorgt für ein ständiges Ein- und Ausschalten der Wicklung, wodurch tatsächlich nur in einem kleinen Intervall Strom vom Netzteil in die Wicklung fließt. Für den statischen Fall (also n=0, d.h. der Motor dreht sich nicht), könnte man über das Verhältnis von Versorgungsspannung zu Motor Nennspannung auf das Einschaltverhältnis schließen. Bei einem Motor mit 4V Nennspannung dürfte die Wicklung bei 24V Betriebsspannung also nur 1/6 der Zeit eingeschaltet sein. Entsprechend würde der Strom vom Netzteil nur 1/6 des Nennstroms betragen. Tatsächlich kommt man mit dieser groben Näherung nicht weit, weil man die Verluste in der Endstufe vernachlässigt und im Allgemeinen auch keinen Motor benötigen würde, wenn er sich nicht auch drehen sollte. Man sieht aber bereits hier, dass der Strom vom Netzteil wohl niedriger sein muss als die Summe der Phasenströme.

Funktionsweise der PWM-Stromregelung

Funktionsweise der Stromregelung mittels PWM. CH1: Spannung an einem Wicklungsende (gegen Masse gemessen), CH3: Motorstrom über LEM-Wandler gemessen (0,6V/1A Phasenstrom). Einschaltzeit: ca. 25%

Betrachtet man die Situation etwas systematischer, wird klar, dass man die Netzteilauslegung nur über die erforderlichen Leistungen machen kann. Die Gesamtleistung für den Antrieb setzt sich wie folgt zusammen:

Ptotal=PV,End+PV,Mot+PMech

Dabei sind PV,End die Verluste in der Endstufe (z.B. Spannungsabfall an den Leistungstransistoren), PV,Mot die Verluste im Motor (Kupferverluste) und PMech die mechanisch abgegebene Leistung. Bevor ich weiter ins Detail gehe (und den Beitrag unnötig in die Länge ziehe) zunächst mal ein paar Ergebnisse aus der Praxis. Die theoretischen Überlegungen spare ich mir dann für den nächsten Teil. Für den Praktiker reichen u.U. schon die nachfolgend angestellten Überlegungen.

Als Beispielmotor wird nachfolgend der KH56QM2-951 von Nidec Servo (früher Japan Servo) verwendet. Das Datenblatt finden Sie hier: Motor-Datenblatt KH56QM2-951

KH56QM2 Drehmoment Kennlinie

Drehmoment Kennlinie KH56QM2-951. Die Pulse-Rate geteilt durch 200 ergibt die Drehzahl U/s.

Aus dem Nennstrom von 2A und dem Wicklungswiderstand von 2R lassen sich die Motorverluste nach P=I²*R*2 (Faktor 2 wegen der 2 Wicklungen) zu insgesamt 16 Watt abschätzen, wenn man annimmt, dass die Wicklungen tatsächlich konstant mit 2A bestromt werden. Spätestens bei höheren Drehzahlen ist diese Annahme nicht mehr gültig und der Motorstrom fällt deutlich niedriger aus.

Die mechanisch abgegebene Leistung kann man aus der Drehzahl-Drehmoment Kennlinie im Datenblatt zurückrechnen. Hier gilt: PMech=2*π*n*M (Achtung, n in 1/s einsetzen!). Leider ist die Kennlinie vom KH56QM2 linear und nicht logarithmisch über die Drehzahl aufgetragen. Das Fehlen von Peaks (=Resonanzen) deutet außerdem darauf hin, dass die Werte nachträglich geglättet wurden. So lassen sich für Drehzahlen <2,5U/s leider keine brauchbaren Werte ablesen. Bei 5U/s kann man eine mechanisch abgegebene Leistung von ca. 25 Watt ermitteln. Diese Werte gelten natürlich nur unter den Bedingungen, unter denen die Kennlinie aufgenommen wurde. Insbesondere eine Variation der Versorgungsspannung führt zu deutlich abweichenden Verhältnissen. Höhere Spannungen ergeben mehr Drehmoment im oberen Drehzahlbereich und damit auch mehr abgegebene Leistung.

Die Verlustleistung der Endstufe soll zunächst über eine Messung größenordnungsmäßig abgeschätzt werdeb. Hierzu habe ich den Motor an zwei verschiedenen Endstufen betrieben und den Strom vom Netzteil gemessen. Um sicherzugehen, dass die vom Netzteil angezeigten Ströme korrekt sind, habe ich Vergleichsmessungen mit Stromsensoren gemacht (Typ LEM LA 25-NP). Offensichtlich ist die Anzeige des verwendeten Netzteils (EA PS2332-025) genau genug, so dass keine Abweichungen festgestellt werden konnten, obwohl der Strom zumindest bei drehendem Motor einen deutlich Oberwellenanteil hatte.

Mit der 3D-Step auf Basis der bipolaren H-Brücke L298 ergab sich eine Stromaufnahme von 1,43A. Bei 24V ergibt sich die gesamte Leistungsaufnahme zu 34,42W. Durch die separate Logikversorgung mit 5V muss man fairer weise weitere 1,5W hinzurechnen. Bei der Slider SFX auf Basis des deutlich moderneren Allegro A3959 liegt die Stromaufnahme vom Netzteil bei nur 0,92A, entsprechend 22,08W. Da die Messung bei Stillstand des Motors erfolgte, ist die mechanisch abgegebene Leistung gleich Null. Die gemessene Leistung wird also vollständig in Motor und Endstufe umgesetzt. Schon diese Messung zeigt, welche Vorteile eine moderne MOSFET-Endstufe mit niedrigem Einschaltwiderstand bieten kann. Alleine bei einem Motor reduziert sich die Verlustleistung um 14W. Hochgerechnet auf drei Achsen ergibt sich sogar ein Einsparpotential von 42W.

Bisher wurde hier nur der statische Fall ohne Last betrachtet. Wie im nächsten Beitrag anhand von Messungen gezeigt wird, steigt die Verlustleistung des Gesamtsystems über die Drehzahl jedoch kaum an. Zu den zuvor genannten Leistungsdaten muss also für eine überschlägige Abschätzung der insgesamt benötigten Leistung nur noch die mechanisch abgegebene Leistung addiert werden, so dass sich bei voller Last je nach Endstufe ein Leistungsbedarf von 45-60W je Motor ergibt. Für kleinere Motoren und niedrigere Spannungen fällt der Bedarf entsprechend kleiner aus, für größere Motoren und höhere Spannungen kann die Leistungsaufnahme aber auch deutlich höher liegen…

Seriell oder parallel? Alles eine Frage der Drehzahl, oder?

Dienstag, Mai 24th, 2011

Über die Unterschiede von unipolaren und bipolaren Schrittmotoren wurden bereits einige Worte verloren. Aber wie sieht es bei Motoren mit 8 Anschlüssen aus, sollte man hier die Wicklungen seriell oder parallel verschalten? Das ist in erster Linie eine Frage der geforderten Drehzahl, aber auch des Geldbeutels. Der folgende Beitrag widmet sich den Vor- und Nachteilen beider Beschaltungsarten.

Warum sich bei einem unipolaren Motor die Wicklungsinduktivität vervierfacht, wenn man die Wicklungen bipolar betreibt (also in Reihe schaltet), wurde ja bereits hergeleitet. Dieser Zusammenhang gilt natürlich auch für einen Schrittmotor mit 8 Anschlüssen. Aus dem gleichen Grund ändert sich die Induktivität gegenüber dem uniolaren Fall nicht, wenn man die Wicklungshälften parallel schaltet. Für den Wicklungswiderstand gelten dagegen die bekannten Zusammenhänge für Reihen- und Parallelschaltung, also doppelter Widerstand im seriellen Betrieb und halber Widerstand bei parallelem Betrieb. Oder anders ausgedrückt: Beim Wechsel von parallel auf seriell vervierfacht sich der Widerstand. Und das hat Auswirkungen auf die elektrische Zeitkonstante der Wicklung (tau=L/R). Sie bleibt nämlich in beiden Fällen gleich.

Trotzdem gibt es erhebliche Unterschiede in der Perfomance des Motors. Dieser Effekt ist durch die Spannung zu erklären. Legt man die gleiche Spannung an einen Schrittmotor mit parallel geschalteten Wicklungen an und an einen mit seriell geschalteten Wicklungen, liegt an den Teilwicklungen des ersten Motors die volle Spannung an, wärend die seriell geschalteten Wicklungen eine Art Spannungsteiler bilden, so dass jede Teilwicklung nur die halbe Betriebsspannung „sieht“. Und da eine höhere Betriebsspannung zu einem schnelleren Stromanstieg führt, erreicht ein Motor mit parallel geschalteten Wicklungen deutlich höhere Drehzahlen (bzw. bei gleicher Drehzahl mehr Drehmoment, zumindest im oberen Bereich der Kennlinie).

Die folgenden Kennlinen verdeutlichen den Unterschied. Während der seriell beschaltete Schrittmotor bei 24V= und 200 U/min nur noch 0,7N, erreicht, schafft der parallel verschaltete Motor mit 1,7Nm noch mehr als das Doppelte. Die Kennlinien gelten übrigens auch für den PK268-E2.0, bei PK268PDA und PK268PA ist lediglich die serielle bzw. parallele Verdrahtung schon werksseitig vorgenommen worden. Einen ähnlichen Effekt wie der Wechsel von serieller zu paralleler Beschaltung hat übrigens eine Anhebung der Betriebsspannung, wie der 2. Satz Kennlinien deutlich macht. Wegen der unterschiedlichen Spannungen (36V vs. 48V) sind jetzt beide Beschaltungsarten allerdings nicht mehr direkt vergleichbar.

Kennlinen PK268

Drehzahl Drehmoment-Kennlinien beim PK268 (oben parallel, unten seriell).

(Quelle: Katalog 2-Phasen Schrittmotoren, Fa. Oriental Motor)

Da beide Teilwicklungen mit dem Nennstrom betrieben werden sollen, erreicht man die höhere Leistung im Parallelbetrieb (wir erinnern uns: P=ω*M, also Leistung ist Drehmoment mal Drehzahl) letztlich durch einen höheren Strom. Und damit benöigt man unter Umständen eine leistungsstärkere Schrittmotorsteuerung (bzw. -endstufe), die dann entsprechend teurer ausfällt. Ob sich der Leistungssprung lohnt, ist also auch eine finanzielle Frage. Ob eine höhere Betriebsspannung für genügend Drehmoment-Reserve sorgt, muss im Einzelfall geprüft werden, z.B. durch Simulationen oder Messungen. Bei Serienanwendungen ist es nicht unüblich, vom Motorhersteller Kennlinien für die konkreten Betriebsbedingungen messen zu lassen. Unter Umständen erreicht man aber auch erst mit einer kundenspezifisch angepassten Wicklung ein optimales Ergebnis. Es kann sich also lohnen, einen externen Berater hinzuzuziehen…

Die Sache mit der Spannung

Sonntag, April 24th, 2011

Eine der häufigsten Fragen, die mir durch Kunden von mechapro in E-Mails gestellt wird, lautet sinngemäß etwa so: „Ich habe einen Schrittmotor mit einer Nennspannung von 2,8V, in der Dokumentation zu Ihrer Schrittmotor-Endstufe ist aber von einem Spannungsbereich von 15-42V die Rede. Kann ich den Motor trotzdem an Ihrer Karte betreiben?“. Die Antwort ist „ja“. Aber warum ist das so, bzw. warum ist die Motornennspannung soviel niedriger als die Versorgungsspannung des Schrittmotor-Treibers?

Die Motornennspannung ergibt sich aus dem Wicklungswiderstand und dem maximal zulässigen Wicklungsstrom durch Anwendung des Ohmschen Gesetzes (R=U/I bzw. U=R*I). Oder anders ausgedrückt: Will man einfach nur Spannung an die Wicklung legen (ohne Stromregelung, PWM o.ä.), darf diese maximal so groß sein wie die Motornennspannung, da sonst der zulässige Wicklungsstrom überschritten werden kann. Diese Betriebsart wird auch als Konstantspannungsbetrieb bezeichnet, da die Spannung konstant gehalten wird. Zur Ansteuerung eines 2-phasigen Schrittmotors werden lediglich 4 Transistoren (unipolarer Motor) bzw. 2 H-Brücken (bipolarer Motor) benötigt. Es handelt sich also um ein sehr einfaches und preiswertes Verfahren. Bedeutender Nachteil sind die Einschränkungen bei der erreichbaren Drehzahl bzw. beim Drehmoment im oberen Drehzahlbereich. Außerdem ist kein Mikroschritt möglich. Das sind auch die Gründe dafür, dass dieses Verfahren heute nur noch bei low-cost Anwendungen eingesetzt wird, bei denen diese Einschränkungen keine Rolle spielen. Die wohl verbreitetste, aber nicht unbedingt bekannteste Anwendung ist der Einsatz von Schrittmotoren in Zeigerinstrumenten, vor allem im Automobil-Sektor.

Tacho Porsche 911

Instrumenteneinsatz Porsche 911(996), Hersteller VDO

Schrittmotor aus Porschetacho

Zeigerinstrument mit Schrittmotor aus Posche 911(996)

Wesentlich verbreiteter ist die sogenannte Konstantstromansteuerung. Hierbei wird durch einen Stromregler dafür gesorgt, dass der Motor unabhängig von der Versorgungsspannung mit höchstens dem eingestellten Wicklungsstrom betrieben wird. Durch den Stromregler kann die Versorgungsspannung deutlich höher gewählt werden als die Motornennspannung. Dies führt zu einem deutlich beschleunigten Stromanstieg und damit letztlich dazu, dass das Drehmoment des Motors erst bei deutlich höheren Drehzahlen bzw. Pulsraten abnimmt.

Simulation Stromanstiegszeit

Simulation der Stromanstiegszeit für einen PK268-E2.0 bei Konstantspannungs- und Konstantstrombetrieb

Das oben gezeigte Simulationsergebnis macht den Vorteil des Konstantstrombetriebes sehr plakativ deutlich. Bei Konstantspannungsbetrieb (U=3,18V) dauert es 8-10ms, bis der Wicklungsstrom annähernd den Nennstrom erreicht hat. Wird der Motor mit einer Pulsrate von 200 Schritten/s (entsprechend einer Umdrehung/s bzw. 5ms Pulsbreite) betrieben, liegt der mittlere Strom in der Wicklung bei nur noch etwas mehr als 1A, so dass das erreichte Moment gegenüber dem Haltemoment mehr als halbiert ist. Im Konstantstrombetrieb ist die Zeit zum Erreichen des Nennstroms je nach verwendeter Spannung hingegen kleiner als eine halbe Millisekunde, so dass erst bei ca. 10-facher Geschwindigkeit das Drehmoment soweit abfällt wie bei Konstantspannungsbetrieb.

Hinweis: Die Schaltzeiten der Transistoren wurden in der Simulation nicht berücksichtigt, da sie gegenüber den betrachteten Effekten klein sind.

Die Bedeutung des Lastwinkels bei Schrittmotoren

Montag, April 18th, 2011

Für verschiedene Betrachtungen rund um den Schrittmotor (z.B. Leistungsbilanz, Wirkungsgrad, sensorlose Regelung) ist es wichtig, den Zusammenhang zwischen dem durch die Schrittmotor-Endstufe vorgegebenen Drehfeld und der aktuellen Rotorposition zu kennen. Der folgende Beitrag beschäftigt sich daher mit dem Lastwinkel und den damit verbundenen Konsequenzen für die Anwendung von Schrittmotoren.

Schrittmotoren werden klassischer weise gesteuert betrieben („open loop“),weil hierfür kein Drehgeber benötigt wird und keine Reglerinbetriebnahme erforderlich ist. Oftmals wird dabei davon ausgegangen, dass der Schrittmotor, so lange sein jeweiliges Drehmoment nicht überschritten wird, exakt dem vorgegebenen Drehfeld folgt und seine Rotorpsoition somit genau bekannt ist. Auf den ersten Blick ist diese Annahme auch richtig. Schrittmotoren sind Synchronmaschinen, die dem vorgegebenen Drehfeld ohne Schlupf folgen. Trotzdem gibt es zwischen der Drehung des elektrischen Feldes und der mechanischen Rotordrehung eine Abweichung, die man „Lastwinkel“ δ nennt.

Weiterhin wird oftmals unterstellt, ein Schrittmotor würde immer, wenn seine Wicklungen bestromt sind, ein Drehmoment abgeben. Tatsächlich kann das aber physikalisch garnicht sein, da ein Motormoment ohne entgegenwirkendes Lastmoment eine Beschleunigung des Rotors zur Folge hätte. Deswegen wird begrifflich zwischen Haltemoment und Drehmoment unterschieden. Das Drehmoment ist letztlich das im jeweiligen Betriebspunkt vom Motor erzeugte Moment. Drehzahl-Drehmoment-Kennlinien geben dabei die Obergrenzen abhängig von verschiedenen technischen Randbedinungen (Beschaltung der Wicklung, Versorgungsspannung, Phasenstrom, ggf.  bei der Messung verwendete Dämpferelemente oder Lastträgheiten) über der Drehzahl an. Das Haltemoment gibt das maximale Moment an, dem der Rotor im Stand genügend Drehmoment entgegensetzen kann, ohne das er aus seiner Position ausrastet. Das folgende Bild veranschaulicht diesen Zusammenhang.

Drehmoment eines Schrittmotors abhängig von der Rotorauslenkung durch externe Belastung.

Ohne Einwirkung durch ein externes Moments befindet sich der Schrittmotor in der Vollschrittposition Null, der Lastwinkel δ ist also ebenfalls Null. Mit steigendem Lastmoment entwickelt der Motor, ähnlich wie eine Feder, ein steigendes Drehmoment. Bei Erreichen des Kippunktes wird der Rotor instabil und springt, da das Drehmoment im weiteren Verlauf abfällt, bis in die nächste stabile Position (+4 Vollschritte). Steht das Lastmoment weiterhin an, verliert der Motor weitere Schritte.

Das bedeutet für die Anwendung von Schrittmotoren:

  • Ohne Last stimmt die Position von Rotor (mechanisches Drehfeld) und elektrischem Feld überein (sofern man Reibungseffekte vernachlässigt).
  • Ein Schrittmotor liefert nur unter Last ein Drehmoment.
  • Ein gesteuert betriebener Schrittmotor ist mit einer Feder vergleichbar. Die „Federrate“ kann über den Wicklungsstrom beeinflusst werden.
  • Es gibt einen lastabhängigen Positionsfehler, der bis zu einem Vollschritt betragen kann.
  • Der Einsatz von Treibern mit Mikroschritt erhöht die Genauigkeit nicht, da sich der Zusammenhang zwischen Moment und Lastwinkel nicht ändert.

Für Anwendungen mit hohen Genauigkeitsanforderungen ist daher zu prüfen, ob der Einsatz von hochauflösenden Motoren (2-Phasen Motoren mit 0,9° Vollschrittwinkel oder 3-Phasen Motoren) oder spielfreien Getrieben sinnvoll ist. Alternativ ist es auch denkbar, den Motor deutlich überzudimensionieren, um eine geringere Auslenkung unter Last zu erreichen.