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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.

Vorteile eines Lagereglers im Antrieb statt in der NC/PLC

Freitag, April 25th, 2014

Der folgende Beitrag befasst sich mit der Regelungsoptimierung von Synchron-Servomotoren und ist damit ein Kontrastpunkt zu meinem Schwerpunktthema Schrittmotoren.

Ausgangslage:
Betrachtet wird eine vertikale Achse eines Handlings-Systems, welche reine Punkt-zu-Punkt Bewegungen ausführt, also während der Verfahr Bewegung keine Bahn einhalten muss. Der Antrieb besteht aus einem Beckhoff AM8023-E021 Servomotor mit Bremse und Sigleturn-Geber mit OCT (One Cable Technology, dabei wird der Geberistwert mittels Hyperface über die Leitungen des Temperaturgebers im Motorkabel übertragen). Die Bewegung wird über ein Getriebe auf eine Kugelrollspindel übertragen. Angesteuert wird der Motor über eine AX5203.

Servoregler-Familie AX5000

Servoregler-Familie AX5000 (Quelle: Beckhoff Automation)

Die Regler der AX5000 Familie von Beckhoff werden über TwinCAT an die übergeordnete Steuerung (SPS bzw. PLC) angebunden. Dort werden sie von der Beckhoff NC angesprochen, welche über die Datenstrukturen NC2PLC und PLC2NC wiederum eine Schnittstelle zum eigentlichen SPS-Programm bietet. Die Servoregler arbeiten mit dem Sercos over EtherCAT (SoE) Protokoll, d.h. das Übertragungsmedium ist EtherCAT, die eigentlichen Antriebsfunktionen (Parameternummerierung, Zustandsmaschine) entsprechen aber denen bei Sercos-Antrieben.

Standardmäßig werden die Servoregler dabei so parametriert, dass Drehzahl- und Stromregler im Antrieb geschlossen werden, während der Lageregler in der NC geschlossen wird. Obwohl TwinCAT kurze Buszykluszeiten ermöglicht, stellt die Übertragung von Soll- und Istwerten über den Bus eine zusätzliche Verzögerung für den Regler dar, die einen deutlichen Einfluss auf dessen dynamisches Verhalten haben kann, wie das folgende Beispiel zeigt.

In der Standardeinstellung (Lageregler in der NC geschlossen) war ein Kv-Faktor von 5 s-1 eingestellt. Der max. Schleppfehler während der Verfahr Bewegung beträgt dabei ca. 75µm. Nach dem Ende der Bewegung (SETVELO=0) dauert es 344ms, bis der Schleppfehler unter 10µs fällt.

Lageregelung in der NC. Oben: Position, Mitte: Drehzahl, Unten: Schleppfehler. Per Cursor markiert: Zeit vom Ende der Bewegung bis zum Erreichen einer Lageabweichung <10µm.

Lageregelung in der NC. Oben: Position, Mitte: Drehzahl, Unten: Schleppfehler. Per Cursor markiert: Zeit vom Ende der Bewegung bis zum Erreichen einer Lageabweichung <10µm.[/caption] Nach dem der Lageregler im Antrieb geschlossen wurde, konnte der Kv-Faktor ohne weiteres auf 7,5 s-1 erhört werden. Der Schleppfehler reduzierte sich für das gleiche Verfahr Profil wie zuvor auf 0,5µm. Selbst bei Fahrt mit annähernd maximaler Geschwindigkeit (50mm/s am Abtrieb) bleibt der Schleppfehler bei max. 2µm. [caption id="attachment_222" align="alignnone" width="300"]Lageregler im Antrieb geschlossen. Oben: Position, Mitte: Drehzahl, Unten: Schleppfehler. Lageregler im Antrieb geschlossen. Oben: Position, Mitte: Drehzahl, Unten: Schleppfehler. Abweichende Skalierung vom Schleppfehler beachten!

Um den Lageregler in der AX5000 verwenden zu können, sind folgende Einstellungen erforderlich:
IDN-Parameter S-0-0-0032 in der Startup-Liste von 2 (velo control) auf 11 oder 12 (pos ctrl Feedback 1/2 lag less) umstellen. Die Einstellung „lag less“ sorgt durch eine Drehzahlvorsteuerung für minimalen Schleppfehler während der Bewegung.

Anpassen der Standardbetriebsart in der Startup-Liste

Anpassen der Standardbetriebsart in der Startup-Liste

In den Kanaleinstellungen unter Process Data / Operation Mode das Prozessabbild wie folgt anpassen. MDT: S-0-0036 „Velocity command value“ entfernen, statt dessen S-0-0047 „Position command value“ neu einfügen. AT: S-0-0189 „Following distance“ einfügen. Der Schleppfehler wird zusätzlich in die NC verknüpft, um den Schleppfehler dort ohne Totzeit anzeigen zu können. Ansonsten würde die Berechnung aus Sollposition(n) – Istposition(n-1) berechnet (n, n-1: diskrete Zeitpunkte).
Ggf. bereits vorhandene Verlinkungen in die NC löschen und Achsen neu verlinken.

Anpassen des Prozessabbildes im Beckhoff Drivemanager

Anpassen des Prozessabbildes im Beckhoff Drivemanager

Zusammenfassung:
Die Verlagerung des Lagereglers von der NC in den Antrieb ermöglicht den Betrieb mit deutlich reduzierten Regelabweichungen und schnelleren Ansprechzeiten des Antriebs. Ermöglicht wird dies durch den Entfall der Buslatenzen sowie durch den höheren Lagereglertakt im Antrieb (typisch 8kHz statt 1kHz in der NC). Ein weiterer Vorteil ist die Entlastung der CPU in der SPS durch den Entfall der Regelung dort.

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.

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.