Schrittmotoren verstehen: Wichtige Aspekte und praktische Überlegungen

SchrittmotorSchrittmotoren sind ein unverzichtbarer Bestandteil zahlreicher Industrie- und Automatisierungsanwendungen und bekannt für ihre präzise Positionierung und ihr hohes Drehmoment. Wie jeder andere Motor bringen sie jedoch auch eigene Herausforderungen und Anforderungen mit sich. In diesem Blogbeitrag beleuchten wir einige wichtige Aspekte von Schrittmotoren, darunter Wärmeentwicklung, Präzision, Steuerungsmethoden, Verdrahtung und mehr.

Erwärmung in Schrittmotoren
1. Warum erhitzen sich Schrittmotoren?
Schrittmotoren besitzen, wie andere Motoren auch, einen Eisenkern mit darin gewickelten Spulen. Die Spulen weisen einen Widerstand auf, und beim Durchfließen von Strom entstehen Verluste, die proportional zum Widerstand und zum Quadrat des Stroms sind. Diese Verluste werden als Kupferverluste bezeichnet. Ist der Strom nicht reiner Gleichstrom oder eine Sinuswelle, treten zusätzlich Oberwellenverluste auf. Der Eisenkern erzeugt aufgrund von Hysterese und Wirbelstromeffekten Verluste in einem Wechselfeld, die als Eisenverluste bezeichnet werden. Sowohl Kupfer- als auch Eisenverluste äußern sich in Wärme und beeinträchtigen den Wirkungsgrad des Motors. Schrittmotoren sind in der Regel auf Positioniergenauigkeit und Drehmoment ausgelegt und arbeiten daher oft mit geringerer Effizienz bei hohen Strömen und Oberwellenanteilen, was zu einer erheblichen Erwärmung führt.

2. Warum erhitzen sich Hoch-/Niedertemperatur- und Servomotoren stärker?
Hoch-/Niedertemperaturmotoren verwenden Spulenmaterialien, die höheren Temperaturen standhalten und eine höhere Isolationsfestigkeit aufweisen. Daher ist ihre Wärmeableitung etwas schlechter als die von Standard-Servomotorspulen, was jedoch ihre Hochtemperaturleistung nicht beeinträchtigt.

3. Erwärmungsänderung in Abhängigkeit von der Drehzahl:
Bei Verwendung von Konstantstrom-Ansteuerungstechnik halten Schrittmotoren im Stillstand und bei niedrigen Drehzahlen einen konstanten Strom aufrecht, um ein konstantes Drehmoment zu gewährleisten. Mit steigender Drehzahl erhöht sich die induzierte Gegenspannung, wodurch Strom und Drehmoment allmählich abnehmen. Die durch Kupferverluste bedingte Erwärmung ist daher drehzahlabhängig und typischerweise im Stillstand und bei niedrigen Drehzahlen höher als bei hohen Drehzahlen. Die Eisenverluste verändern sich anders, die Gesamterwärmung ergibt sich jedoch aus der Summe beider Verluste.

4. Auswirkungen der Heizung:
Während mäßige Erwärmung die Lebensdauer eines Motors in der Regel nicht beeinträchtigt, kann übermäßige Erwärmung negative Auswirkungen haben. Dazu gehören strukturelle Spannungsänderungen aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten und geringfügige Veränderungen der internen Luftspalte. Dies beeinträchtigt das dynamische Verhalten und erhöht die Wahrscheinlichkeit von Gangabweichungen bei hohen Drehzahlen. In manchen Anwendungsbereichen, wie beispielsweise bei Medizingeräten und hochpräzisen Prüfgeräten, ist übermäßige Erwärmung unerwünscht.

5. Reduzierung der Motorerwärmung:
Die Reduzierung der Erwärmung erfordert die Minimierung von Kupfer- und Eisenverlusten. Dies lässt sich durch die Auswahl von Motoren mit niedrigerem Widerstand und Nennstrom erreichen, wobei Reihenschaltungen nach Möglichkeit gegenüber Parallelschaltungen vorzuziehen sind. Bereits ausgewählte Motoren profitieren von Treibern mit automatischer Halbstromregelung und Abschaltfunktion. Mikroschritttreiber reduzieren die Erwärmung zusätzlich durch ihre sinusförmigen Stromverläufe mit weniger Oberschwingungen. Die Wahl einer geeigneten Ansteuerspannung ist entscheidend für hohe Drehzahl, Laufruhe, geringe Erwärmung und niedrige Geräuschentwicklung.

Präzision von Schrittmotoren
Die zweiphasigen Hybrid-Schrittmotoren der Serien KH und KVM weisen einen Schrittwinkel von 1,8° mit einer Genauigkeit von 3–5 % dieses Winkels auf. Dieser Fehler ist nicht akkumulierend und tritt nur beim Einschalten auf.

SPS-Steuerung von Schrittmotoren
Delta- und Mitsubishi-SPSen verwenden die DPLSR/PLSR-Befehle zur Impulssteuerung von Schritt- und Servomotoren, die Beschleunigung und Verzögerung mit einer Zeitdauer von mehr als 100 ms beinhalten. Die DPLSY/PLSY-Befehle, denen Beschleunigung/Verzögerung fehlt, können zu Blockieren bei hohen Drehzahlen, Schrittverlusten oder Überlastalarmen führen.

Verdrahtung und Erweiterung von Schrittmotoren
KH-Schrittmotoren haben eine Standardkabellänge von 3 Metern, KVM-Motoren hingegen ein 1 Meter langes Kabel. Die Kabellängen können auf bis zu 15 Meter verlängert werden; darüber hinaus kommt es zu Strom- und Drehmomentverlusten.

Auswahl der Mikroschrittteilung
Wir empfehlen die Wahl von 4000 oder 10000 Mikroschrittteilungen. Höhere Teilungen bieten ein besseres Drehmoment bei hohen Drehzahlen und reduzieren Vibrationen bei niedrigen Drehzahlen. Die Wahl wird zudem durch die maximale Pulsfrequenz der SPS eingeschränkt.

Impuls- und Richtungssignalwiderstände
Ob Widerstände benötigt werden, hängt von der Impuls- und Richtungsspannung des Treibers ab. Unterstützt der Port 24 V, sind bei Verwendung eines 24-V-Netzteils keine externen Widerstände erforderlich. Für 5-V-Ports mit 24-V-Versorgung werden 2-kΩ-Widerstände benötigt.

ENA+/ENA- (oder MF+/MF-) Anschlussbelegung
Die Klemmen ENA+/ENA- (oder MF+/MF-) geben den Motor frei, indem sie den Phasenstrom unterbrechen, sobald ein aktives Signal anliegt, wodurch die Motorwelle freigegeben wird.

Halbstromfunktion
Die Halbstromfunktion reduziert die Motorerwärmung, indem der Strom halbiert wird, wenn für einen bestimmten Zeitraum (z. B. 1,5 s) keine Impulse empfangen werden. Sie wird für horizontale Anwendungen empfohlen, um die Erwärmung zu minimieren, und sollte für vertikale Anwendungen deaktiviert werden, um das Haltemoment aufrechtzuerhalten.

Auswahl der Treiberbetriebsspannung
Höhere Betriebsspannungen verringern zwar die Drehmomentdämpfung bei hohen Drehzahlen innerhalb des Spannungsbereichs des Treibers, erhöhen aber die Erwärmung und die Vibrationen.

Einstellung des Treiberausgangsstroms
Im Normalfall sollte der Ausgangsstrom des Treibers nicht höher als der Phasenstrom des Motors eingestellt werden, außer wenn dieser geringfügig überschritten wird, um die Drehmomentanforderungen zu erfüllen oder in kalten Umgebungen die Drehmomentabgabe zu erhöhen.

Umkehrung der Motordrehrichtung
Um die Drehrichtung des Motors umzukehren, ohne das Steuerungsprogramm zu ändern, tauschen Sie die A+/A- (oder B+/B-) Anschlüsse mit den Treiberanschlüssen. Bei Drehstrommotoren können Sie zwei beliebige Phasen tauschen.
Durch das Verständnis dieser Aspekte können Sie Schrittmotoren in Ihren Anwendungen besser auswählen, steuern und warten und so optimale Leistung und Zuverlässigkeit gewährleisten.