Alles, was Sie über Schrittmotoren wissen müssen

Aktuelle Servomotoren sind mit einem 20-Bit-Encoder (1.048.576 Schritte) ausgestattet, der eine sehr feine Auflösung hat. Aus diesem Grund haben Fehler aufgrund der Genauigkeit der Encoder-Installation einen großen Einfluss auf die Stoppgenauigkeit.

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Schrittmotoren werden oft fälschlicherweise als kleinere Servomotoren angesehen, tatsächlich sind sie jedoch genau wie Servomotoren äußerst zuverlässig. Der Motor arbeitet durch genaue Synchronisierung mit dem Impulssignal, das von der Steuerung an den Treiber ausgegeben wird, wodurch eine hochpräzise Positionierung und Geschwindigkeitssteuerung erreicht wird. Schrittmotoren zeichnen sich durch ein hohes Drehmoment und geringe Vibrationen bei niedrigen Drehzahlen aus, ideal für Anwendungen, die eine schnelle Positionierung auf kurze Distanz erfordern.

„Schrittmotoren? Servomotoren müssen eine bessere Leistung haben.“ Dies ist eine typische Antwort, wenn man nach Schrittmotoren gefragt wird. Offensichtlich gibt es ein großes Missverständnis über Schrittmotoren. Tatsächlich wurden Schrittmotoren in verschiedenen Arten von Anwendungen eingesetzt, beispielsweise in fortschrittlichen Geräten und zugänglichen automatisierten Instrumenten. Die Gründe, warum immer wieder Schrittmotoren gewählt wurden, werden in diesem Artikel aus einem anderen technischen Blickwinkel erläutert.

Die neue RK II-Serie besteht aus einem hocheffizienten 0,72°-Schrittmotor und einem digital gesteuerten Treiber. Der attraktive Listenpreis beginnt bei 391,85 $, inklusive Kabel.

Manche Leser sagen vielleicht, dass sie noch nie einen Schrittmotor gesehen haben. Schrittmotoren werden in vielen Anwendungen und Bereichen als Stromquelle für Antriebssysteme verwendet, die eine hochpräzise Steuerung erfordern, beispielsweise in der Fabrikautomation (FA), Fertigungsanlagen für Halbleiter, FPD und Solarmodule, medizinische Geräte, Analyseinstrumente, Präzisionstische und Finanzen Systeme, Lebensmittelverpackungsmaschinen und Blendeneinstellungen für Kameras.

In den folgenden Kapiteln werden die Gründe erläutert, warum Schrittmotoren in verschiedenen Anwendungen und Bereichen eingesetzt werden.

Einfach zu bedienen: 34 %Kostengünstig: 17 %Einfache Bedienung: 16 %Kein Tuning erforderlich: 12 %Sonstiges: 21 %*Anzahl der Befragten: 258 (Mehrfachantworten möglich)/ recherchiert von Oriental Motor

Einer Umfrage unter Anwendern von Schrittmotoren zufolge bevorzugen viele Schrittmotoren aufgrund ihrer „Benutzerfreundlichkeit“, „einfachen Bedienung“ und „niedrigen Kosten“, die sich aus der Struktur und Systemkonfiguration ergeben. Es ist verständlich, dass viele Anwender aufgrund der einfachen Struktur und Systemkonfiguration solche positiven Aspekte bei Schrittmotoren finden.

Einige Leser sind jedoch möglicherweise skeptisch, was die tatsächliche Leistung des Motors in Bezug auf Genauigkeit und Drehmoment angeht. Es ist nicht einfach, die ganze Idee vollständig zu verstehen, wenn es keine Vergleichsbeispiele mit anderen Steuermotoren wie Servomotoren gibt. Durch die Kenntnis der Eigenschaften und die Annahme unterschiedlicher Ansätze je nach erforderlichen Vorgängen können Schrittmotoren sicherlich die Kosten der Ausrüstung senken.

Im Folgenden werden die Eigenschaften und technischen Informationen von Schrittmotoren erläutert:

Fantastische Stoppgenauigkeit!

Wenn Sie beispielsweise die Stoppgenauigkeit ±0,05° eines Schrittmotors auf den Kugelumlaufspindelmechanismus umrechnen:

Betriebsbedingungen:

• Motor: RK II-Serie

• Steigung der Kugelumlaufspindel: 10 mm. Stoppgenauigkeit: ±1,4 μm

Im Allgemeinen beträgt die Genauigkeit einer geschliffenen Kugelumlaufspindel ±10 μm. Bei Verwendung eines gerollten Kugelumlaufspindeltyps sinkt seine Genauigkeit auf ±20 μm, was darauf hindeutet, dass die Stoppgenauigkeit eines Schrittmotors viel höher ist als die von Kugelumlaufspindeltypen.

Hervorragender mittlerer/niedriger Geschwindigkeitsbereich!

Beispiel: Das Drehmoment eines Motors der Baugröße 85 mm entspricht dem Nenndrehmoment eines 400-W-Servomotors bei 1000 U/min.

Das Drehmoment in einem noch niedrigeren Drehzahlbereich kann bis zu fünfmal höher sein. Für eine Kurzstreckenpositionierung ist ein hohes Drehmoment im mittleren/niedrigen Drehzahlbereich unerlässlich.

Beeindruckende „Bremsgenauigkeit“, „mittlerer/niedriger Geschwindigkeitsbereich“ und „Reaktionsfähigkeit“

Schrittmotoren verfügen über eine bemerkenswerte Stoppgenauigkeit und eine genaue Steuerung mit offenem Regelkreis ist möglich. Wenn die RK II-Serie beispielsweise zur Positionierung eines Drehtisches verwendet wird, liegt ihre Stoppgenauigkeit innerhalb von ±0,05 Grad (ohne Last). Da sich zwischen den Schritten keine Stopppositionsfehler ansammeln, ist eine Positionierung mit hoher Genauigkeit möglich. Der Aufbau des Schrittmotors, der keinen Encoder benötigt, ermöglicht ein einfaches Antriebssystem und niedrige Kosten.

Ein weiteres großartiges Merkmal von Schrittmotoren ist das hohe Drehmoment im mittleren/niedrigen Drehzahlbereich. Eines der Hauptmerkmale von Servomotoren ist die Erzeugung eines gleichmäßigen Drehmoments im mittleren bis hohen Drehzahlbereich. Servomotoren eignen sich für Langhuboperationen (viele Umdrehungen), wie z. B. mehrere Rotationstische. Andererseits sind die Drehmomenteigenschaften von Schrittmotoren nicht flach. Die Drehmomentkurve im mittleren/niedrigen Drehzahlbereich tendiert dazu, sehr hoch zu werden, während sie im hohen Drehzahlbereich sehr niedrig wird. Neben den stabilen Rotationen im niedrigen Drehzahlbereich, mit denen Servomotoren zu kämpfen haben, können Schrittmotoren ein hohes Drehmoment innerhalb des erforderlichen Drehzahlbereichs für Kurzhubvorgänge (weniger Rotationen) bieten und eignen sich daher zur Auswahl des gewünschten Schrittwinkels für mehrere Rotationen Tische und Tippanwendungen. Wenn Sie derzeit Servomotoren verwenden, sollten Sie aufgrund dieser Eigenschaften die Wirksamkeit des Einsatzes des RK II bis zum maximalen Geschwindigkeitsbereich berücksichtigen. Dies liegt an der kurzen Stellzeit für den Kurzhubbetrieb, wodurch der Motor vor Erreichen der Maximalgeschwindigkeit abbremst und stoppt. Mit anderen Worten: Hochgeschwindigkeitseigenschaften sind in den meisten Fällen nicht erforderlich. Außerdem werden bei der Beobachtung der tatsächlichen Vorgänge in vielen Fällen keine Hochgeschwindigkeitsvorgänge durchgeführt, unabhängig von langen oder kurzen Hüben. Derzeit sind viele erschwingliche Schrittmotoren von guter Qualität erhältlich, so dass eine Kostenreduzierung erreicht werden kann, wenn der aktuelle Motor durch einen Schrittmotor ersetzt wird.

Das dritte bemerkenswerte Merkmal von Schrittmotoren ist die Reaktionsfähigkeit. Die Open-Loop-Steuerung, die Einwegbefehle an den Motor sendet, verfügt über einen sehr hohen Folgemechanismus für Befehle. Während Servomotoren, die auf die Rückmeldung vom Encoder warten, tendenziell „Verzögerungen“ gegenüber Befehlen haben, arbeiten Schrittmotoren synchron mit Impulsen. Daher gibt es nur sehr wenige „Verzögerungen“, was zu einer hervorragenden Reaktion führt. Aus diesem Grund eignen sich Schrittmotoren für Anwendungen, die den synchronen Betrieb mehrerer Motoren erfordern. Ein Beispiel ist eine Bretttransportanwendung, die zwei Förderbänder mit jeweils einem montierten Motor erfordert, um Bretter zwischen den beiden Förderbändern zu transportieren.

Abgesehen von Tippanwendungen mit häufigem Starten und Stoppen eignen sich Schrittmotoren für die Positionierung von Bildkontrollprozessoren, die keine Vibrationen mögen, von Nockenantrieben, die mit Servomotoren schwer einzustellen wären, und von Mechanismen mit geringer Steifigkeit, wie z. B. einem Riemenantrieb. Darüber hinaus werden die Kosten durch den Austausch eines Kugelumlaufspindelantriebs durch einen Riemenantrieb erheblich gesenkt.

Neben der Kostenreduzierung bieten Schrittmotoren viele Vorteile hinsichtlich der Leistung. Ich hoffe, dass dieser Artikel denjenigen, die sich routinemäßig für Servomotoren entschieden haben, eine Gelegenheit bietet, Schrittmotoren als Option in Betracht zu ziehen. Auf den folgenden Seiten werden detaillierte Informationen zu Schrittmotoren, wie zum Beispiel der Grundaufbau, das System und Beispielanwendungen, für diejenigen vorgestellt, die mehr über Schrittmotoren erfahren möchten.

Ein Schrittmotor dreht sich mit einem festen Schrittwinkel, genau wie der Sekundenzeiger einer Uhr. Dank der mechanischen Struktur im Motor kann eine hochpräzise Positionierung mit offener Regelung durchgeführt werden.

Präzise Positionierung wird nur durch mechanische Elemente und Genauigkeit erreicht

Der einfache Aufbau von Schrittmotoren ermöglicht die vollständige Kontrolle über Drehbetrag und Geschwindigkeit, ohne dass im Motor elektrische Komponenten wie etwa ein Encoder zum Einsatz kommen. Aus diesem Grund sind Schrittmotoren sehr robust und weisen eine hohe Zuverlässigkeit mit sehr wenigen Ausfällen auf. Was die Stoppgenauigkeit betrifft, beträgt das repräsentative Beispiel ±0,05° (ohne kumulative Pitchfehler), was sehr genau ist. Da die Positionierung von Schrittmotoren durch eine offene Steuerung erfolgt und durch den magnetisierten Stator und den magnetischen Rotor mit kleinen Zähnen gesteuert wird, verfügen Schrittmotoren über einen stärkeren Folgemechanismus gegenüber Befehlen als Servomotoren. Außerdem kommt es beim Stoppen von Schrittmotoren nicht zu Pendelbewegungen. Sie eignen sich auch hervorragend für Riemenantriebe, die eine geringe Steifigkeit aufweisen.

Nützlich für Geschwindigkeitsregelung und Positionsregelung

Wenn über einen Impulsgenerator Impulse in einen Treiber eingegeben werden, führen Schrittmotoren den Schrittwinkel entsprechend der Anzahl der Eingangsimpulse aus. Der Grundschrittwinkel beträgt bei 5-Phasen-Schrittmotoren 0,72˚ und bei 2-Phasen-Schrittmotoren 1,8°. Die Drehzahl des Schrittmotors wird durch die Geschwindigkeit der dem Treiber vorgegebenen Impulsfrequenz (Hz) bestimmt, und es ist möglich, die Motordrehung frei zu ändern, indem einfach die Anzahl der Eingangsimpulse oder -frequenzen an den Treiber geändert wird. Schrittmotoren dienen nicht nur als Positionsregelmotoren, sondern auch als Drehzahlregelmotoren mit hoher Synchronisation.

Schrittmotoren verwendet:

Einfache Steuerung ohne Sensor oder Feedback

Da präzises Fahren und Stoppen bei gleichzeitiger Synchronisierung mit der Anzahl der Befehlsimpulse und der Geschwindigkeit möglich ist, sind keine Geräte wie Sensoren zur Positionierung erforderlich. Daher ist das gesamte System einfach aufzubauen. Wenn keine erweiterte Steuerung, wie z. B. eine Interpolationsoperation, erforderlich ist, wird der integrierte Controller-Funktionstyp-Treiber empfohlen. Durch den Wegfall von Steuerungen wie Impulsgeneratoren und SPS-Positionierungsmodulen werden die Kosten gesenkt.

Obwohl mit der Steuerung mit offenem Regelkreis eine hochgenaue Positionierung möglich ist, was würde passieren, wenn ein Problem auftritt? Um solche Fallstricke zu vermeiden, kann ein Encoder-Typ oder ein eingebauter Sensor mit geschlossenem Regelkreis (STEP) verwendet werden.

Das häufigste Problem unter Konstrukteuren ist die Kostenreduzierung. Gibt es wirklich keine Möglichkeit, die Kosten noch weiter zu senken? Um dies herauszufinden, wurde ein Kostensenkungstest mit Spezifikationsverbesserungen basierend auf dem Kugelumlaufspindelmechanismus durchgeführt. Im Folgenden werden die Einzelheiten des Tests erläutert:

MissionLinearbewegungsmechanismus – Geschwindigkeit weiter erhöhen ② Kosten weiter senken[Bedingungen der ursprünglich geplanten Ausrüstung] Mechanismus: Kugelumlaufspindel + Servomotor Bedingungen wie Last, Geschwindigkeit und Steigung, wie rechts dargestellt, werden basierend auf dem Servomotor bestimmt Befestigung mit Kugelumlaufspindeln und Stahlplatte.

PlanenWechseln Sie den Mechanismus zu einer Riemenscheibe. • Kugelumlaufspindel, wenn Sie die Geschwindigkeit erhöhen möchten => Riemenmechanismus ist möglicherweise besser geeignet. • Reduzieren Sie die Kosten erheblich, wenn ein Wechsel zu Riemen möglich ist. => Riemen ist kostengünstig, aber seine geringe Steifigkeit kann die Stabilität des Servomotorbetriebs sogar beeinträchtigen mit automatischer Abstimmung.

Probleme � Unterschied in der Stoppgenauigkeit zwischen Schraube und Band... Wie viel Stoppgenauigkeit ist erforderlich? ② Auswirkung geringer Steifigkeit... Einfluss auf die Einschwingzeit, Vermeidung von Abstimmungsproblemen� Bessere Stoppgenauigkeit mit der Schraube. Kein Problem, den Riemen zu wechseln? => Die für die Anwendung erforderliche Stoppgenauigkeit beträgt ±0,05 ～ 0,1 mm, was nicht so genau ist wie die für die Schraube. Daher sollte es in Ordnung sein, ihn durch den Riemen zu ersetzen.② Beim Wechsel auf den Riemen nimmt die Steifigkeit des Mechanismus ab, wodurch die Bewegungen des Servomotors instabil werden. => Unter den Positionierungsmotoren verfügen Schrittmotoren nicht über einen eingebauten Encoder . Aus diesem Grund erfordern sie keine Anpassung und sind stabil gegenüber geringer Steifigkeit. Ihre Bewegungen sind unabhängig von schwankenden Belastungen stabil. Wenn die Leistung gleich ist, ziehen Sie Schrittmotoren in Betracht.

Einschätzung

Mechanismus: Riemenscheibe + Motor: Versuchen Sie es mit einem Schrittmotor

Ergebnisse Es gab viel Spielraum für Kostensenkungen! Durch die Durchführung einer nullbasierten Überprüfung des Mechanismus sowie der Motorauswahl, die die Eigenschaften bewertet, gelang es irgendwie, die Spezifikationen zu verbessern und die Kosten zu senken, obwohl die Motorgröße etwas größer wurde. In der Vergangenheit erfolgte die Motorauswahl ohne besonderen Grund auf der Grundlage des Aspekts der Benutzerfreundlichkeit und der Bilder. Nach dieser Übung wurden die Funktionsunterschiede zwischen Servomotoren und Schrittmotoren deutlich. Es war.

Kundenanfrage: Auf der Suche nach einem Motor mit guter Stoppgenauigkeit. Wie groß ist der Unterschied zwischen Schrittmotoren und Servomotoren?

Annahme: Der AC-Servomotor der NX-Serie ist mit einem 20-Bit-Encoder ausgestattet und sollte daher über eine gute Auflösung und eine gute Stoppgenauigkeit verfügen.

Zunächst muss der Unterschied zwischen Auflösung und Stoppgenauigkeit geklärt werden: Die Auflösung ist die Anzahl der Schritte pro Umdrehung und wird bei Schrittmotoren auch als Schrittwinkel bezeichnet. Dies wird benötigt, wenn man darüber nachdenkt, wie präzise die erforderliche Positionierung sein muss. Die Stoppgenauigkeit ist die Differenz zwischen der tatsächlichen Stoppposition und der theoretischen Stoppposition.

Bedeutet dies, dass der mit einem hochpräzisen Encoder ausgestattete AC-Servomotor eine bessere Stoppgenauigkeit aufweist als Schrittmotoren?

Nicht ganz. In der Vergangenheit gab es kein Problem mit dem Konzept „Die Stoppgenauigkeit von Servomotoren entspricht der Encoderauflösung innerhalb von ±1 Impuls“. Moderne Servomotoren sind jedoch mit einem 20-Bit-Encoder (1.048.576 Schritte) ausgestattet, der eine sehr feine Auflösung aufweist. Aus diesem Grund haben Fehler aufgrund der Genauigkeit der Encoder-Installation einen großen Einfluss auf die Stoppgenauigkeit. Daher hat sich das Konzept der Stoppgenauigkeit leicht verändert.

Den Vergleichstabellen zufolge ist die Stoppgenauigkeit zwischen Schrittmotoren und AC-Servomotoren nahezu gleich (±0,02°～ 0,03°). Die Leistung der Stoppgenauigkeit ist bei beiden gleich. Darüber hinaus hängt die Genauigkeit bei Schrittmotoren von der mechanischen Präzision des Motors ab. Wenn also die Stoppposition in 7,2°-Schritten erfolgen kann, erfolgt die Positionierung stets über dieselben kleinen Zähne am Rotor, je nach Motorstruktur. Dadurch ist es möglich, die Stoppgenauigkeit weiter zu verbessern.

Schrittmotoren können jedoch abhängig vom Lastdrehmomentwert einen Verschiebungswinkel erzeugen. Abhängig vom Zustand des Mechanismus können AC-Servomotoren als Reaktion auf Verstärkungsanpassungen auch eine größere Schwankungsbreite aufweisen. Aus diesen Gründen ist Vorsicht geboten.

Neu veröffentlichtes 0,72°-Schrittmotor- und Treiberpaket der RK II-Serie: Im Vergleich zur herkömmlichen RK-Serie erzielt die neue RK II-Serie nicht nur einen geringeren Stromverbrauch und erweiterte Funktionen durch die Implementierung des hocheffizienten Motors, sondern reduziert auch die Größe des Treibers.

Seit unserer Gründung in Japan im Jahr 1885 bietet Oriental Motor weltweit die optimalen Antriebssysteme als Teil unseres Gesamtservices an, um den unterschiedlichsten Marktanforderungen gerecht zu werden. Wir produzieren und vertreiben Wechselstrommotoren, Schritt- und Servomotoren, Linear- und Drehantriebe, Netzwerklösungen, Zubehör und Wärmemanagementlösungen. Das Vertriebs- und Servicenetz von Oriental Motor ist international und verfügt über Niederlassungen in ganz Nordamerika, Europa und Asien.

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