Pull verstehen

Valentin Raschke | Sep 13, 2022

Wenn es an der Zeit ist, einen Hochleistungsmotor zu spezifizieren, der sowohl präzise Positionierung als auch Kosteneffizienz bietet, bieten Schrittmotoren dank ihrer bürstenlosen Technologie viele Vorteile gegenüber Gleichstrommotoren. Während die Auswahl eines Schrittmotors viele Überlegungen erfordert, sollten Entwickler sowohl die Pull-out- als auch die Pull-in-Drehmomentkurven verstehen und berücksichtigen, die die Geschwindigkeits- und Drehmomenteigenschaften des Motors beim Betrieb beschreiben. Dieser Artikel bietet einen Überblick über Pull-out- und Pull-in-Drehmomentkonzepte, die bei der Implementierung von Schrittmotoren mit einem Bewegungssystem zu berücksichtigen sind.

Abbildung 1 unten zeigt das Drehmoment, das von einem dreiphasigen bürstenlosen Gleichstrommotor (BLDC) mit sechsstufiger Kommutierung erzeugt wird. Zur Verfolgung der Rotorposition sind Hall-Sensoren in den Motor integriert. Diese Informationen ermöglichen die Kommutierung der drei Phasen im richtigen Moment, um einen Winkel von 90° ± 30° zwischen dem Magnetfeld des Rotors und des Stators aufrechtzuerhalten. Es gibt eine geringe Stromwelligkeit, aber das vom Motor entwickelte Drehmoment ist relativ stabil und hängt etwas von der Rotorposition ab. Ein hochauflösender Encoder kann eine präzisere Rotorpositionsrückmeldung liefern und die Drehmomentwelligkeit auf nahezu Null reduzieren.

Abbildung 1. Phase und Motordrehmoment eines BLDC-Motors.

Abbildung 2 unten zeigt eine einfache Version eines Schrittmotors: ein Magnet mit einem Polpaar, der als Rotor dient, und zwei separaten Phasen im Stator. Dieses Design bietet vier volle Schritte über eine mechanische Umdrehung. Die resultierenden Drehmomentkurven, die einen kontinuierlichen Strom anzeigen, der an jede Phase angelegt wird, sind in Abbildung 3 dargestellt und werden durch blaue und orangefarbene Diagramme dargestellt. Wenn der Motor im Vollschritt angetrieben wird und jeweils nur eine einzelne Phase ermöglicht, wird ein Strom in der folgenden Reihenfolge angelegt: A, B, -A und -B.

Abbildung 2. Ein Schrittmotor mit einem Polpaar.

Die grünen Diagramme unten in den Abbildungen 3a und 3b veranschaulichen das resultierende Drehmoment an der Motorwelle. Im Gegensatz zu einem BLDC-Motor hängt das Motordrehmoment eines Schrittmotors maßgeblich von der Rotorposition ab. Um ein kosteneffizientes und einfaches Design zu erreichen, wird der Schrittmotor typischerweise im Open-Loop-Modus ohne Rotorpositionsrückmeldung angetrieben. Die Kommutierung erfolgt also mit einem externen Signal – in Schritten pro Sekunde – ohne ermittelte aktuelle Rotorposition. Eine „ideale“ Kommutierung würde den Strom in der Phase ermöglichen, in der der Rotor genau zwischen zwei Phasen positioniert ist. In einem offenen Regelkreis – ohne Rückmeldung der Rotorposition – befindet sich der Rotor jedoch möglicherweise nicht immer in der idealen Position. Bei der Dimensionierung eines Schrittmotors muss der Konstrukteur diese Unsicherheit berücksichtigen, indem er einen Sicherheitsfaktor auf das Kippmoment anwendet.

Abbildung 3a. Eine „ideale“ Kommutierung eines Zweiphasen-Schrittmotors.

Abbildung 3b. Realistische Kommutierung eines Zweiphasen-Schrittmotors im offenen Regelkreis.

Um besser zu verstehen, wie das maximale Kippmoment definiert wird, ist es wichtig, sich anzusehen, wie es gemessen wird. Typischerweise wird das Kippmoment unter folgenden Bedingungen gemessen:

Abbildung 4 unten zeigt den Messaufbau für das Kippmoment. Der Motor wird an einen Treiber angeschlossen, der über ein gepulstes Signal die Drehrichtung und die Geschwindigkeit des Motors vorgibt. Die Motorwelle ist mit einem variablen Bremssystem, beispielsweise einer Wirbelstrombremse, verbunden, das eine variable Belastung des Motors ermöglicht.

Abbildung 4. Aufbau zur Messung des Ausreißmoments.

Die Messung wird wie folgt durchgeführt:

Abbildung 5. Ein Beispiel für eine Kippmomentkurve.

Die maximalen Lastwerte für jede in Schritt 3 gemessene Geschwindigkeit stellen die Kippmomentkurve des Motors dar, wie oben in Abbildung 5 dargestellt. Aufgrund von Resonanz können bestimmte Geschwindigkeiten dazu führen, dass sich der Motor unregelmäßig verhält, und sollten vermieden werden. Dieser Zustand kann im Kippmomentdiagramm dargestellt werden.

In der Praxis wird das Kippmoment verwendet, um einen Drehmoment- und Drehzahlbereich für den sicheren Antrieb der Motoren im offenen Regelkreis zu definieren. Für das maximale Lastdrehmoment wird ein Sicherheitsfaktor von typischerweise 30 Prozent berücksichtigt (dargestellt in den Abbildungen 6a und 6b durch die gepunktete blaue Linie) im Vergleich zum maximal verfügbaren Kippmoment (dargestellt unten in den Abbildungen 6a und 6b durch die durchgezogene Linie). blaue Linie).

Darüber hinaus wird anhand des Kippmoments das optimale Beschleunigungsprofil für den Motor ermittelt. Der Motor sollte einen Arbeitspunkt erreichen, der im Beispiel in Abbildung 6a durch das rote Kreuz angezeigt wird. Es gibt zwei Möglichkeiten, den Motor auf die erforderliche Drehzahl zu beschleunigen:

Abbildung 6a. Vergleich des verfügbaren Kippmoments zur Beschleunigung des Motors bei nichtlinearer Beschleunigung (orange dargestellt) im Vergleich zur linearen Beschleunigung (blau dargestellt).

Abbildung 6b. Zeit, die benötigt wird, um bei nichtlinearer Beschleunigung (orange dargestellt) im Vergleich zur linearen Beschleunigung (blau dargestellt) auf eine bestimmte Geschwindigkeit zu beschleunigen.

Das Anzugsmoment kann beispielsweise mit dem Aufbau in Abbildung 7 unten gemessen werden. Auf der Motorwelle ist eine Scheibe montiert, um die ein Kabel gewickelt ist. Die Spannkräfte F1 und F2 im Seil werden gemessen und aus der Differenz der Kräfte entsteht ein Lastmoment am Motor, das vom Durchmesser der Scheibe abhängt. Die resultierende Belastung der Motorwelle besteht aus reinem Reibungsmoment mit vernachlässigbarer Lastträgheit. Die einzige während der Messung vorhandene Trägheit ist daher die Rotorträgheit des Motors. Der Motor ist im Open-Loop-Modus an einen Treiber angeschlossen und die gesamte Messung erfolgt ohne Beschleunigungsrampe.

Abbildung 7. Aufbau zur Messung des Anzugsdrehmoments.

Die Messung wird typischerweise wie folgt durchgeführt:

Abbildung 8. Ein Beispiel für eine Anzugsdrehmomentkurve.

Die in Schritt 3 erfassten maximalen Geschwindigkeitswerte stellen die oben in Abbildung 8 dargestellte Anzugsdrehmomentkurve dar. Typischerweise liefern Motorlieferanten wie Portescap die Anzugsdrehmomentkurve des unbelasteten Motors und messen sie mit einem bestimmten Treiber. In der tatsächlichen Anwendung muss auch die Trägheit der Last berücksichtigt werden, da diese zusätzliche Trägheit, die auf die Motorwelle wirkt, das verfügbare Anzugsdrehmoment des Motors verringert. Zusammenfassend sind die Faktoren, die das Anzugsdrehmoment eines Schrittmotors beeinflussen, folgende:

In der Praxis gibt es zwei Schlüsselsituationen, in denen das Anzugsmoment bei der Dimensionierung eines Schrittmotors verwendet wird:

Bei der Auswahl eines Schrittmotors ist das Verständnis der Pull-Out- und Pull-In-Drehmomentkurve des Motors von entscheidender Bedeutung, um eine gute Leistung und Zuverlässigkeit in der beabsichtigten Anwendung sicherzustellen. Portescap bietet eine breite Palette an Standard- und kundenspezifischen Schrittmotoren sowie technische Unterstützung.

Wir helfen Ihnen bei der Auswahl eines Schrittmotors mit den Drehzahl- und Drehmomenteigenschaften, die Ihren Anforderungen am besten entsprechen und eine störungsfreie Leistung gewährleisten.

Für weitere Informationen kontaktieren Sie uns.

Weitere Informationen zu Textformaten