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Einschwingverhalten von Schrittmotoren

Dienstag, Juli 9th, 2013

Um Schrittmotoren in der Anwendung besser verstehen und beurteilen zu können ist es hilfreich, zunächst das Verhalten des Motors bei einem einzelnen Schritt zu betrachten. Auf dieser Basis lassen sich viele Dinge wie z.B. die Vorteile von Halb- und Mikroschritt sowie die Bedeutung der Last und ihrer Ankopplung an den Motor besser nachvollziehen.

Für die in diesem Beitrag behandelten Messungen wurde zur Erfassung der Rotorbewegung ein Encoder mit 5.000 Strichen und TTL-Ausgang verwendet. Mit Hilfe der 4-fach Flankenauswertung lässt sich die Bewegung auf 20.000 Pulse/U auflösen. Bei einem normalen Schrittmotor mit 200 Vollschritten/U entspricht das 100 Pulsen pro Vollschritt.

Der Encoder wurde über eine drehsteife Elastomer-Kupplung direkt an den Motor angekoppelt. Als Testmotor wurde ein Oriental Motor Typ PK268-E2.0B in paralleler Beschaltung eingesetzt. Auf der B-Welle war ein Dämpfer Typ D6CL-6.3F (Massenträgheit J_Dämpfer=18,5*10-6 kg*m², J_Motor=48*10-6 kg*m²) montiert.

Testaufbau, Schrittmotor mit Encoder

Schrittmotor PK268-E2.0B mit Encoder und Dämpfer

Angesteuert wurde der Motor über eine 3-Achs Endstufe „3D-Step“ mit der klassischen L297/L298 Treiber-Kombination bei 2,0A(effektiv), also etwas unterhalb des Nennstroms von 2,8A. Die Erfassung der Encoder-Signale erfolgte über eine Beckhoff-SPS mit einer Taktrate von 2ms.

Bei einem Vollschritt sollte der Motor einen Winkel von 1,8° weiterschalten. Eine erste Messung zeigt, dass der Motor trotz der Belastung durch den Dämpfer und den Encoder dabei deutliche Schwingungen ausfürt. Der Rotor schwingt bis fast 2,8° über und pendelt auf 1,5° zurück, bevor die Schwingung langsam abklingt und nach ca. 10ms in einem Toleranzband von +/- 0,2° ausklingt.

Messergebnis Vollschritt mit Dämpfer

Vollschritt mit Dämpfer

Noch deutlich schlimmer sieht es aus, wenn man den Dämpfer von der B-Welle des Motors entfernt. Das Überschwingen ist mit max. 3,0° von der Amplitude her zwar nur unwesentlich stärker, jedoch lässt sich deutlich erkennen, dass die Dämpfung stark reduziert wird. Es dauert jetzt ca. 25ms, bis der Rotor im selben Toleranzband bleibt wie dies beim ersten Versuch bereits nach 10ms der Fall war.

Messergebnis für Vollschritt ohne Dämpfer

Vollschritt ohne Dämpfer

Nach Umschalten der Endstufe in den (stromkompensierten) Halbschritt und erneuter Montage des Dämpfers ergibt der nächste Versuch die folgende Sprungantwort. Zu beachten ist hier, dass der Motor nach einem Halbschritt im Vergleich zu den vorherigen Versuchen nur den halben Winkel, also 0,9° zurück gelegt hat. Die Schwingung reicht hier von ca. 1,15 bis zurück nach 0,7° und erreicht bereits nach einer Schwingung ein Toleranzband von +/-0,1°. Zur besseren Vergleichbarkeit wurde der Maßstab des Graphen unverändert beibehalten.

Messergebnis für Halbschritt mit Dämpfer

Halbschritt mit Dämpfer

Beim Übergang zu einer kontinuierlichen Drehbewegung wird der Rotor je nach Drehzahl weitergeschaltet, bevor die durch einen einzelnen Schritt angeregte Schwingung vollständig abgeklungen ist. Das zeigt auch die folgende Messung bei ca. 42Hz Halbschritt. Trotzdem führen insbesondere der erste Überschwinger und die stufenweise Bewegung im unteren Drehzahlbereich zu unangenehmen Betriebsgeräuschen.

Messergebnis für eine kontinuierliche Bewegung mit ca. 42Hz Halbschrittrate

Kontinuierliche Bewegung mit ca. 42Hz Halbschrittrate

In der Anwendung treibt der Motor eine mehr oder weniger steif angekoppelte Last an. Es ist angesichts dieser Messungen leicht nachvollziehbar, dass der Motor mit seiner Schwingneigung leicht Resonanzstellen in der Mechanik anregen kann.

Die Amplitude des Überschwingens hängt direkt mit dem Drehmoment und damit mit dem Motorstrom zusammen. In diesem Versuch wurde der Motor bereits ca. 30% unterhalb seines Nennstroms betrieben. Bei Nennstrom ist also eine noch stärkere Schwingung zu erwarten. Umgekehrt bedeutet dies, dass eine Absenkung des Motorstroms –sofern in der Anwendung entsprechende Drehmomentreseven vorhanden sind- zu einer Reduktion von Schwingungen führen wird.

Wie der Gegenversuch mit dem Dämpfer zeigt, hilft eine steif angekoppelte Last, das Gesamtsystem zu bedämpfen. Auch die Auswahl einer geeigneten Kupplung sowie eine stabile Lastmechanik (geringe Schwingungsneigung) sind Hilfen, um Resonanzprobleme zu vermeiden. Einen deutlichen Vorteil bietet vor allem der Wechsel zum Halbschritt-Modus. Bei Einsatz einer Endstufe mit Drehmoment-Kompensation (also der Erhöhung des Phasenstroms in den Halbschrittpositionen) entsteht durch den Einsatz von Halbschritt kein nennenswerter Drehmomentverlust. Daher und wegen der erhöhten Schwingungsneigung im Vollschritt rate ich grundsätzlich von der Verwendung des Vollschrittbetriebs ab.

Eine weitere Optimierung besteht im Einsatz von Steuerungen mit Mikroschritt und ggf. der Möglichkeit, das beim Schrittmotor besonders ausgeprägte Rastmoment zu kompensieren. Diesem Thema werde ich demnächst einen eigenen Beitrag widmen.

Resonanzen mal anders – Musizieren mit Schrittmotoren

Freitag, Juni 21st, 2013

Normalerweise sind Resonanzen bei Schrittmotoren unerwünscht. Man kann sich Resonanzeffekte aber auch zu Nutze machen.

Durch das schrittweise weiterschalten des Rotors im Schrittmotor wird die umgebende Mechanik (einschließlich des Stators) zum Schwingen angeregt. Dieser Effekt tritt im Vollschritt Betrieb besonders deutlich auf. Die dabei erzeugten Frequenzen sind abhängig von der Drehzahl des Motors. Die Grundschwingung entspricht der Taktrate, also der Anzahl der Vollschritte pro Umdrehung. Variiert man die Ansteuerung des Motors geschickt, lassen sich mit dem Motor Melodien abspielen. In gewissen Grenzen kann man sogar die Amplitude dynamisch anpassen, wenn man den Phasenstrom variiert.

Einige ausgewählte Beispiele die ich besonders interessant finde habe ich in der nachfolgenden Linksammlung zusammen gestellt:

James Bond theme – 8-stimming mit Diskettenlaufwerken

Smoke on the waters – 8-stimming mit Diskettenlaufwerken

Starwars imperial march

Nochmal imperial march – 8-stimmig und mit Backlight

Depeche Mode – Enjoy the silence

Tetris auf einer CNC-Maschine

Spiegel Online über Musik mit CNC-Fräsen:
http://www.spiegel.de/netzwelt/web/maschinenmusik-so-krass-roehrt-die-cnc-fraese-a-620661.html

Schrittmotor im Servo-Betrieb – Closed loop or not so closed?

Mittwoch, Januar 18th, 2012

Immer mehr Hersteller bieten Schrittmotoren mit Positionsfeedback (Encoder) und entsprechende Steuerungen an. Grund genug, Vor- und Nachteile dieser Systeme ein wenig unter die Lupe zu nehmen.

Die klassische Anwendungsweise für Schrittmotoren ist der sogenannte „open loop Betrieb“, also der Einsatz ohne Positionsrückmeldung. Durch die hohe Polpaarzahl folgt der Schrittmotor dem extern vorgegebenen Drehfeld präzise, zumindest solange die Drehzahl nicht zu hoch ist und die Last das vom Motor abgegebene Moment nicht überschreitet. Fall das passiert, kommt der Motor aus dem Tritt und verliert Schritte. Und genau davor haben viele Entwickler in industriellen Anwendungen Angst: Was, wenn die Mechanik mit der Zeit schwergängiger wird? Was passiert, wenn der Schrittverlust nicht erkannt wird? Welche Folgefehler können auftreten? Oft wurde dann in der Vergangenheit zu deutlich teureren Servomotoren gegriffen (Anmerkung: Mit Servomotor sind i.A. Synchronmotoren gemeint, die mit mehreren hundert Volt Zwischenkreisspannung betrieben werden).

Inzwischen sind Schrittmotoren mit Encodern, also optischen Drehgeber, günstig und in großer Typenvielfalt erhältlich. Damit wird es möglich, Schrittverluste zu erkennen und den Antrieb entsprechend nachzuführen. Geht man noch einen Schritt weiter, kann ein Schrittmotor wie ein Servomotor betrieben werden, d.h. mit feldorientier Regelung. Der wesentliche Unterschied zum „überwachten“ Schrittmotorbetrieb (manchmal von den Herstellern auch als „semi closed loop“ bezeichnet), liegt in der Ansteuerung der Wicklungen. Ein Servomotor wird vom Regler nur mit so viel Strom beaufschlagt, wie zum Ausgleich der Regelabweichung erforderlich ist. Ein normaler Schrittmotortreiber steuert die Spule hingegen ständig mit vollem Nennstrom an. Die feldorientierte Regelung ist also deutlich energieeffizienter. Hinzu kommt, dass der Regler ständig einen Winkel von 90° elektrisch zwischen Rotor und Drehfeld aufrecht erhält, so dass das maximal mögliche Drehmoment erzeugt wird.

Auf der anderen Seite muss der Anwender aber bei der Inbetriebnahme den Regler geeignet parametrieren. Gute Lösungen bieten hier durch (mehr oder weniger) intelligente, automatische Funktionen zur Regler-Parametrierung Unterstützung an. Letztlich obliegt es aber dem Anwender, für die jeweilige Applikation, d.h. entsprechend der mechanischen Steifigkeit des Systems und der anzutreibenden Last, die geeigneten Regler-Einstellungen zu finden. Ein System mit reiner Positionsüberwachung ist dementsprechend einfacher in der Handhabung, nutzt aber die Vorteile der Positionsrückführung nur teilweise aus.

Schrittmotor (Typ PK266) mit rückseitig angeflanschtem Encoder

Schrittmotor (Typ PK266) mit rückseitig angeflanschtem Encoder (Quelle: Oriental Motor, Gesammtkatalog PK2-Serie, 2009)

Auch BLDC-Motoren (auch EC- oder bürstenlose Motoren genannt), sind heute preiswert und in vielen Versionen erhältlich. Für sie gilt in Hinblick auf Effizienz und Inbetriebnahme Aufwand das gleiche wie für Schrittmotoren im Servo-Betrieb. Welcher Motortyp am besten geeignet ist, ist von der Anwendung abhängig. Schrittmotoren bieten, ähnlich wie Torquemotoren, den Vorteil, dass sie bei niedrigen Drehzahlen ein verhältnismäßig hohes Drehmoment liefern. Nachteilig ist unter Umständen das ausgeprägte Rastmoment, was aber auch genutzt werden kann, um die Last bei abgeschaltetem Antrieb in Position zu halten. BLDC-Motoren hingegen schaffen aufgrund der niedrigeren Polpaarzahl deutlich höhere Drehzahlen, liefern aber wenig Drehmoment. Wenn also hohes Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen gefordert ist, ist der Schrittmotor auch für Servo-Anwendungen die richtige Wahl und kann sogar ein Getriebe überflüssig machen, dass bei Einsatz eines BLDC-Motors erforderlich wäre. Voraussetzung ist ein geeignetes Leistungsteil mit guter Benutzerführung bei der Inbetriebnahme von Antrieb und Regelung und zumindest regelungstechnische Grundkenntnisse beim Anwender.

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…