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Schrittmotor mit geschlossenem Regelkreis

Ein Schrittmotor ist ein Motor mit offener Regelung, der ein elektrisches Impulssignal in eine Winkel- oder Linearbewegung umwandelt. Bei verlustfreier Schrittsteuerung hängen Motordrehzahl und Stoppposition von der Impulsfrequenz und der Impulsanzahl ab, nicht von der Laständerung. Erhält der Schrittmotor ein Impulssignal, dreht er sich entsprechend der vorgegebenen Richtung um einen festen Winkel (Schrittwinkel). Durch die Steuerung von Impulsanzahl und -frequenz lassen sich Winkelbewegung und Drehzahl präzise regeln. Allerdings treten Abweichungen zwischen dem tatsächlichen Drehwinkel und der theoretischen Schrittweite auf. Diese Abweichungen variieren von Schritt zu Schritt, die Schrittanzahl pro Zyklus bleibt jedoch gleich. Bei verlustfreier Schrittsteuerung akkumuliert sich dieser Schrittfehler nicht über einen längeren Zeitraum.
Wie lassen sich Schrittverluste bei Schrittmotoren wie den oben genannten verhindern? Zunächst müssen wir wissen, warum Schrittmotoren Schrittverluste aufweisen.

1. Die Rotorbeschleunigung ist geringer als die Rotationsgeschwindigkeit des Magnetfelds im Schrittmotor. Anders ausgedrückt: Wenn der Rotor langsamer als die Kommutierungsgeschwindigkeit läuft, kommt es zu Schrittverlusten. Der Grund dafür ist, dass die Motorleistung nicht ausreicht und das erzeugte Drehmoment nicht mit der Rotorgeschwindigkeit des Stator-Magnetfelds mithalten kann, was zu Schrittverlusten führt.
2. Die mittlere Rotordrehzahl ist höher als die mittlere Drehzahl des Stator-Magnetfelds. Der Stator benötigt länger zum Erregungsaufbau als der Schrittmotor. Dadurch nimmt der Rotor im Schrittvorgang zu viel Energie auf, was zu einem zu hohen Drehmoment und einem Motor-Schrittfehler führt.
3. Die Lastträgheit des Schrittmotors ist groß.
4. Der Schrittmotor erzeugt die Resonanz.

Der Hauptgrund für Schrittverluste bei Schrittmotoren liegt in der falschen Wahl des Schrittmotortreibers. Nur mit dem richtigen Treiber kann der Schrittmotor seine Vorteile bei präziser Ansteuerung voll ausschöpfen. Der passende Treiber muss mindestens so viel Strom liefern wie der Motorstrom. Bei Bedarf an geringer Vibration oder hoher Genauigkeit kann ein Unterteilungstreiber verwendet werden. Für Motoren mit hohem Drehmoment werden möglichst Hochspannungsantriebe eingesetzt, um eine gute Hochgeschwindigkeitsperformance zu erzielen. Häufig wird für den Treiber direkt ein Schaltnetzteil verwendet. Davon ist jedoch generell abzuraten, insbesondere bei Schrittmotoren mit hohem Drehmoment, es sei denn, die Leistung des Schaltnetzteils ist mehr als doppelt so hoch wie die benötigte Leistung. Im Betrieb stellt der Motor eine hohe induktive Last dar, wodurch im Netzteil kurzzeitig hohe Spannungen entstehen. Die Überlastfähigkeit von Schaltnetzteilen ist unzureichend, was zu einer Schutzabschaltung führt. Eine präzise Spannungsstabilisierung ist in diesem Fall nicht erforderlich. Unter Umständen können Schaltnetzteile und Treiber beschädigt werden. Für die Antriebsleistung des Schrittmotors kann die Gleichstromversorgung durch einen herkömmlichen Ringkerntransformator (R-Transformator) ersetzt werden.
Die Resonanz eines Schrittmotors entsteht dadurch, dass die Impulsfrequenz des Motors seiner Eigenfrequenz entspricht. Diese Frequenz hängt von der Teilungsfähigkeit des Treibers ab. Bei der Verwendung eines Schrittmotors ist die Teilungsfähigkeit des Aktuators daher von großer Bedeutung. Je kleiner der Resonanzbereich ist, desto besser. Große Lastträgheit entsteht durch Überlastung des Schrittmotors. Um dies zu vermeiden, sollte eine Motorüberlastung im Betrieb unbedingt verhindert werden.


Veröffentlichungsdatum: 26. Mai 2025
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