Elektrische Schrittmotoren und -antriebe Funktionsprinzip - Betriebseigenschaften - Messtechnik Prof. Dr. Erich Rummich Dipl.-lng. (FH) Hermann Ebert Dr.-lng. Ralf Gfrorer Dipl.-lng. Friedrich Traeger 4. Auflage Mit 225 Bildern

Kontakt & Studium Band 365 Herausgeber: Prof. Dr.-lng. Dr.h.c. Wilfried J.Bartz Dipl.-lng. ElmarWippler

experttt]j]verlag

Inhaltsverzeichnis

Herausgeber-Vorwort Autoren-Vorwort

1

Grundlagen der Schrittantriebe

1

Erich Rummich 1.1 1.2 1.2.1 1.2.2 1.2.3 1.3 1.3.1 1.3.2 1.3.3 1.3.4 1.3.5 1.3.6 1.3.7 1.4 1.4.1 1.4.2 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9

2

Einfiihrung Grundtypen von Schrittmotoren Reluktanzschrittmotoren Permanentmagnetisch erregte Schrittmotoren Hybridschrittmotoren Erzeugung des Schrittfeldes Gegeniiberstellung Drehfeld - Schrittfeld Standerwicklungen fur Schrittmotoren Vollschrittbetrieb Halbschrittbetrieb Mikroschrittbetrieb Bestromungstabellen Unipolare und bipolare Anspeisung der Standerwicklung Statischer Drehmomentenverlauf Haltemoment der PM-Motoren Ha Itemoment bei V R- Motoren Einzelschritt-Betrieb Berechnung des magnetischen Kreises Energetische Betrachtungen, Ermittlung des statischen Drehmomentes Kennlinien bei variabler Schrittfrequenz im Stationarbetrieb Schrittmotorantrieb

Reluktanzmotoren und Sonderbauarten

1 4 4 4 6 7 7 10 12 12 14 14 16 17 18 21 22 25 30 35 37

42

Erich Rummich 2.1 2.1.1 2.1.2

Reluktanzmotoren Einstanderbauweise Mehrstanderausfiihrung

42 42 44

2.1.3 2.1.3.1 2.1.3.2 2.1.4 2.1.5 2.2 2.3 2.4 2.4.1 2.4.2

3

Schrittwinkel und Ausfuhrbarkeitsbedingungen Einstander-VR-Motoren mit Einzelzahnen im Stander Einstander-VR-Motoren mit hoher Schrittauflosung Optimale Zahn- und Nutform Betriebsarten von Reluktanzmotoren Scheibenmagnet-Schrittmotoren Einstrangige PM-Schrittmotoren Linearschrittantriebe Elektromagnetische Linearschrittantriebe Piezoelektrische Schrittmotoren

46 47 48 49 51 56 59 63 63 64

Permanentmagnetisch erregte Schrittmotoren

68

Friedrich Traeger 3.1 3.2 3.3 3.3.1 3.3.2 3.3.3 3.4 3.5 3.5.1 3.5.2 3.5.3 3.5.4 3.5.5 3.5.6 3.6 3.7

Einleitung Aufbau der Schrittmotoren mit Wechselpollaufer Klauenpolschrittmotor Konstruktive Details Magnetqualitat Drehmoment und Schrittwinkelbereich Schrittmotor mit Polwicklung Funktionsweise Vollschritt-Halbschritt-Minischrittbetrieb Steuerschaltungen des Schrittmotors Haltemoment Positioniergenauigkeit Betriebskennlinien Messung der Betriebskennlinien Klauenpolschrittmotor mit Lagegeber Anwendungsgebiete

4

Hybrid-Schrittmotoren

68 68 68 71 72 74 75 76 76 79 81 84 90 91 94 98

100

Ralf Gfrorer 4.1 4.2 4.2.1 4.2.2 4.2.3 4.2.4 4.2.5 4.3

Einleitung Aufbau und Funktion des Hybrid-Schrittmotors Grundfunktion - Erhohung der Schrittzahl Klauenpolprinzip - Aufbau des Rotors Stator des Hybrid-Schrittmotors EinfluB der Strangzahl Magnetisches Modell Eigenschaften von 2-Phasen-und 5-Phasen-Schrittmotoren

100 100 100 102 104 106 107 109

4.3.1 4.3.2 4.3.3 4.3.4 4.3.5 4.3.5.1 4.3.5.2 4.4 4.4.1 4.4.2 4.4.3

Anzahl der Schrittpositionen Haltemoment - Zeigerdarstellung Vergleich der Haltemomente Rastmoment Schrittmotor als schwingungsfahiges System Parametererregte Pendelungen Selbsterregte Pendelungen Kennlinien und KenngroBen Darstellung der Betriebskennlinien Lastwinkel/Schleppfehler Verhaltnis von Geschwindigkeit zu Auflosung Liste der verwendeten Formelzeichen und Symbole

109 111 112 114 118 119 125 129 129 132 135 136

5

Leistungselektronik und Signalverarbeitung Ralf Gfrorer

138

5.1 5.2 5.2.1 5.2.2 5.2.3 5.2.4 5.2.5 5.2.6 5.3 5.3.1 5.3.2 5.3.3 5.4 5.4.1 5.4.2 5.4.3 5.4.4 5.4.5

Einleitung Betrieb von Schrittmotoren Elektrisches Ersatzschaltbild Aufbau des Stromes Betriebsarten von Schrittmotoren Ansteuerschaltungen Grundschaltungen von Fiinfphasen-Schrittmotoren Mikroschrittbetrieb Komponenten des Schrittmotorantriebs Leistungsansteuerung Schaltungsbeispiele Pulserzeugung Schrittmotor im geschlossenen Lageregelkreis Motivation Erfassung der Rotorlage ..Drehiiberwachung" StellgroEen zur Beeinf lussung des Drehmoments Schrittmotor im geregelten Betrieb Liste der verwendeten Formelzeichen und Symbole

138 138 138 139 141 143 145 149 154 154 159 159 167 167 168 171 173 174 178

6

Untersuchung der Bewegungsvorgange von Schrrttantrieben in der Phasenebene Erich Rummich

180

Nichtlineare Bewegungsgleichung Bewegungsvorgange in der Phasenebene

180 182

6.1 6.2

6.3 6.4 6.5 6.6 6.7

Phasenportrat des nichtlinearen Schwingers Einzelschritt-Fortschaltung Bewegungsvorgange bei Schrittsequenzen Stabilitatsgrenze bei Schrittsequenzen Resonanzzonen im Stationarbetrieb

186 191 192 195 197

Auslegung von Schrittmotorantrieben

205

Ralf Gfrorer 7.1 7.2 7.2.1 7.2.2 7.2.3 7.2.4 7.2.5 7.3 7.3.1 7.3.2 7.3.3 7.3.4 7.3.5 7.4 7.4.1 7.4.2 7.4.3

8

Einleitung Grundsatzliche Vorgehensweise bei der Motorauswahl Abschatzung des Antriebs Umrechnung der Lastdaten Ermittlung der Start/Stop-Frequenz Wahl der Fahrgeschwindigkeit bei linearer Rampe Getriebe Optimierung des Antriebs Rampen fur hohe Fahrgeschwindigkeit Optimierung der Schrittfolge fur kurze Wege EinfluB von Strom, Spannung und Wicklung auf das Betriebsverhalten EinfluB der Schaltungsart Erwarmung von Schrittmotoren Praktische Hinweise Temperaturmessung bei der Inbetriebnahme Ankupplung von Schrittmotoren Lebensdauer

222 226 229 231 231 231 235

Messung und Optimierung von Schrittantrieben

239

205 205 205 206 207 208 213 218 218 218

Hermann Ebert 8.1 8.2 8.2.1 8.2.2 8.2.3 8.3 8.4 8.5

Einleitung Statische Momente am Schrittmotor Selbsthaltemoment M s HaltemomentM H Statischer Lastwinkel 0 Dynamise he Momente am Schrittmotor Betriebsgrenzmoment M B m Einzelschrittverhalten (Single step response) Schrittwinkeltoleranzen

239 243 244 246 249 252 256 257

8.6 8.7

Dynamischer Lastwinkel Optimierung von Schrittprogrammen

268 277

Literaturverzeichnis

288

Sachregister

290

Autorenverzeichnis

292