SCHRITTMOTOR-BLOG DIPL.-ING. THORSTEN OSTERMANN

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.