Ein Schrittmotor ist ein bürstenloser, synchroner Elektromotor, der digitale Impulse in mechanische Wellenrotation umwandelt. Jede Umdrehung des Schrittmotors ist in eine diskrete Anzahl von Schritten unterteilt, in vielen Fällen 200 Schritte, und für jeden Schritt muss dem Motor ein separater Impuls gesendet werden. Der Schrittmotor kann jeweils nur einen Schritt ausführen, und jeder Schritt hat die gleiche Größe. Da jeder Impuls den Motor um einen Winkel der Präzision, typischerweise 1,8°, drehen lässt, kann die Position des Motors ohne Rückkopplungsmechanismus gesteuert werden. Mit zunehmender Frequenz der digitalen Impulse wandelt sich die Schrittbewegung in eine kontinuierliche Drehung um, wobei die Drehzahl direkt proportional zur Frequenz der Impulse ist. Schrittmotoren werden aufgrund ihrer geringen Kosten, ihrer hohen Zuverlässigkeit, ihres hohen Drehmoments bei niedrigen Drehzahlen und ihrer einfachen, robusten Konstruktion, die in fast jeder Umgebung funktioniert, täglich in industriellen und kommerziellen Anwendungen eingesetzt.
Vorteile von Schrittmotoren
Umwandlung eines nichtlinearen Eingangssignals in ein lineares Ausgangssignal. Dies ist bei Thermoelementsignalen üblich.
Der Drehwinkel des Motors ist proportional zum Eingangsimpuls.
Der Motor hat im Stillstand das volle Drehmoment (wenn die Wicklungen unter Spannung stehen).
Präzise Positionierung und Wiederholbarkeit der Bewegung, da gute Schrittmotoren eine Genauigkeit von 3 bis 5 % eines Schritts haben und dieser Fehler von einem Schritt zum nächsten nicht kumulativ ist.
Hervorragendes Ansprechverhalten beim Starten/Stoppen/Umkehren.
Sehr zuverlässig, da der Motor keine Kontaktbürsten enthält. Daher hängt die Lebensdauer des Schrittmotors lediglich von der Lebensdauer des Lagers ab.
Die Reaktion der Schrittmotoren auf digitale Eingangsimpulse ermöglicht eine Regelung ohne Rückkopplung, wodurch die Steuerung des Motors einfacher und kostengünstiger wird.
Es ist möglich, eine synchrone Drehung mit sehr niedriger Drehzahl und einer direkt an die Welle gekoppelten Last zu erreichen.
Da die Drehzahl proportional zur Frequenz der Eingangsimpulse ist, kann ein breiter Messbereich realisiert werden.
Arten von Schrittmotoren
Es gibt drei grundlegende Arten von Schrittmotoren: variable Reluktanzmotoren, Permanentmagnetmotoren und Hybridmotoren. Diese Erörterung konzentriert sich auf den Hybridmotor, da diese Schrittmotoren die besten Eigenschaften der variablen Reluktanzmotoren und Permanentmagnetmotoren vereinen. Sie bestehen aus einem Stator mit mehreren Zahnpolen und einem Permanentmagnetrotor. Standard-Hybridmotoren haben 200 Rotorzähne und drehen sich in Schritten von 1,8º. Da sie ein hohes statisches und dynamisches Drehmoment aufweisen und mit sehr hohen Schrittfrequenzen laufen, werden Hybrid-Schrittmotoren in einer Vielzahl von kommerziellen Anwendungen eingesetzt, darunter Computerlaufwerke, Drucker/Plotter und CD-Player. Zu den industriellen und wissenschaftlichen Anwendungen von Schrittmotoren gehören Robotik, Werkzeugmaschinen, Bestückungsautomaten, automatisierte Drahtschneide- und Drahtbondmaschinen und sogar Geräte mit Präzision bei der Fluidsteuerung.
Schrittmodi
Zu den „Schrittmodi” von Schrittmotoren gehören Voll-, Halb- und Mikroschritte. Die Art der Schrittmodusausgabe eines Schrittmotors hängt von der Konstruktion des Treibers ab. OMEGA bietet Schrittmotortreiber mit per Schalter wählbaren Voll- und Halbschrittmodi sowie Mikroschrittantriebe mit entweder per Schalter oder per Software wählbaren Auflösungen an.
VOLLSTUFENMODUS
Standardmäßige Hybrid-Schrittmotoren haben 200 Rotorzähne oder 200 Vollstufen pro Umdrehung der Motorwelle. Die Aufteilung der 200 Stufen auf die 360° Drehung ergibt einen Vollstufenwinkel von 1,8°. Normalerweise wird der Vollstufenmodus erreicht, indem beide Wicklungen mit Strom versorgt werden, während der Strom abwechselnd umgekehrt wird. Im Wesentlichen entspricht ein digitaler Impuls vom Treiber einem Schritt.
HALB-SCHRITT
Halb-Schritt bedeutet einfach, dass sich der Schrittmotor mit 400 Schritten pro Umdrehung dreht. In diesem Modus wird eine Wicklung mit Strom versorgt, dann werden abwechselnd zwei Wicklungen mit Strom versorgt, wodurch sich der Rotor um die Hälfte der Strecke oder 0,9° dreht. Obwohl das Drehmoment um etwa 30 % geringer ist, sorgt der Halbschrittmodus für eine gleichmäßigere Bewegung als der Vollschrittmodus.
MIKROSCHRITT
Mikroschritt ist eine relativ neue Schrittmotortechnologie, bei der der Strom in der Motorwicklung so gesteuert wird, dass die Anzahl der Positionen zwischen den Polen weiter unterteilt wird. OMEGA-Mikroschrittantriebe sind in der Lage, einen Vollschritt (1,8°) in 256 Mikroschritte unterteilen, was zu 51.200 Schritten pro Umdrehung (.007°/Schritt) führt. Mikroschritt wird in der Regel in Anwendungen eingesetzt, die eine genaue Positionierung und eine gleichmäßigere Bewegung über einen großen Messbereich erfordern. Wie der Halbschrittmodus bietet auch der Mikroschrittmodus etwa 30 % weniger Drehmoment als der Vollschrittmodus.
Lineare Bewegungssteuerung
Die Drehbewegung eines Schrittmotors kann mithilfe eines Gewindespindel-/Schneckengetriebe-Antriebssystems in eine lineare Bewegung umgewandelt werden. Die Steigung der Gewindespindel ist die lineare Strecke, die bei einer Umdrehung der Spindel zurückgelegt wird. Wenn die Steigung 1 Zoll pro Umdrehung beträgt und es 200 Vollschritte pro Umdrehung gibt, beträgt die Auflösung des Gewindespindelsystems 0,005 Zoll pro Schritt. Eine noch feinere Auflösung ist möglich, wenn das Schrittmotor-/Antriebssystem im Mikroschrittmodus verwendet wird.
Reihen- vs. Parallelschaltung Es gibt zwei Möglichkeiten, einen Schrittmotor anzuschließen: in Reihe oder parallel. Eine Reihenschaltung bietet eine hohe Induktivität und damit ein höheres Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen. Eine Parallelschaltung senkt die Induktivität, was zu einem höheren Drehmoment bei höheren Drehzahlen führt.
Übersicht über die Treibertechnologie
Der Schrittmotortreiber empfängt Schritt- und Richtungssignale vom Indexer oder Steuerungssystem und wandelt sie in elektrische Signale um, um den Schrittmotor anzutreiben. Für jeden Schritt der Motorwelle ist ein Impuls erforderlich. Im Vollschrittmodus sind bei einem Standardmotor mit 200 Schritten 200 Schrittimpulse erforderlich, um eine Umdrehung zu vollenden. Die Drehzahl ist direkt proportional zur Impulsfrequenz. Einige Treiber verfügen über einen integrierten Oszillator, der die Verwendung eines externen Analogsignals oder Joysticks zur Einstellung der Motordrehzahl ermöglicht.
Die Drehzahl- und Drehmomentleistung des Schrittmotors basiert auf dem Stromfluss vom Treiber zur Motorwicklung. Der Faktor, der den Stromfluss hemmt oder die Zeit begrenzt, die der Strom benötigt, um die Wicklung zu erregen, wird als Induktivität bezeichnet. Aufgrund der Auswirkungen der Induktivität sind die meisten Treiber-Schaltungen so ausgelegt, dass sie eine höhere Spannung als die Nennspannung des Motors liefern. Je höher die Ausgangsspannung des Treibers, desto höher das Drehmoment im Verhältnis zur Drehzahl. Im Allgemeinen sollte die Ausgangsspannung des Treibers (Busspannung) 5- bis 20-mal höher sein als die Nennspannung des Motors. Um den Motor vor Beschädigungen zu schützen, sollte der Schrittmotorantrieb auf den Nennstrom des Schrittmotors strombegrenzt sein.
Übersicht über den Indexer
Der Indexer oder Controller liefert Schritt- und Richtungsausgänge an den Treiber. Bei den meisten Anwendungen muss der Indexer auch andere Steuerfunktionen verwalten, darunter Beschleunigung, Verzögerung, Schritte pro Sekunde und Entfernung. Der Indexer kann auch mit vielen anderen externen Signalen verbunden werden und diese steuern.
Die Kommunikation mit dem Indexer erfolgt über eine serielle RS-232-Schnittstelle und in einigen Fällen über eine RS485-Schnittstelle verbunden und gesteuert werden. In beiden Fällen ist der Indexer in der Lage, Befehle von einem Host-Computer zu empfangen und die erforderlichen Schritt- und Richtungsimpulse für den Treiber zu generieren.
Der Indexer verfügt über zusätzliche E/A-Anschlüsse zur Überwachung von Eingaben aus externen Quellen wie Go-, Jog-, Home- oder Limit-Schaltern. Über die E/A-Ausgänge kann er auch andere Maschinenfunktionen auslösen.
Stand-Alone-Betrieb
Im Stand-Alone-Modus kann der Indexer unabhängig vom Host-Computer betrieben werden. Nach dem Herunterladen in den nichtflüchtigen Speicher können Bewegungsprogramme über verschiedene Arten von Bedienerschnittstellen, wie z. B. eine Tastatur oder einen Touchscreen, oder über einen Schalter über die Hilfs-E/A-Eingänge initiiert werden. Ein eigenständiges Schrittmotorsteuerungssystem wird häufig mit einem Treiber und einer Stromversorgung sowie einer optionalen Encoder-Rückmeldung für „Closed-Loop”-Anwendungen geliefert, die eine Blockiererkennung und eine exakte Motorpositionskompensation erfordern.p>
Mehrachssteuerung
In solchen Fällen steht ein Mehrachssteuerungssystem zur Verfügung. An einen HUB 444-Netzwerk-Hub können beispielsweise bis zu vier Schrittantriebe angeschlossen werden, wobei jeder Antrieb mit einem separaten Schrittmotor verbunden ist. Der Netzwerk-Hub sorgt für koordinierte Bewegungen bei Anwendungen, die ein hohes Maß an Synchronisation erfordern, wie z. B. kreisförmige oder lineare Interpolation.
Auswahl eines Schrittmotors und Antriebs
Die Auswahl eines Schrittmotors hängt von den Drehmoment- und Drehzahlanforderungen der Anwendungen ab. Verwenden Sie die Drehmoment-Drehzahl-Kurve des Motors (zu finden in den Spezifikationen jedes Antriebs), um einen Motor auszuwählen, der die Aufgabe erfüllt. Jeder Schrittantrieb der OMEGA-Reihe verfügt über Drehmoment-Drehzahl-Kurven für die empfohlenen Motoren dieses Antriebs. Wenn Ihre Anforderungen an Drehmoment und Drehzahl von mehreren Schrittmotoren erfüllt werden können, wählen Sie einen Antrieb entsprechend den Anforderungen Ihres Bewegungssystems – Schritt/Richtung, eigenständig programmierbar, Analoge Eingänge, Mikroschritt – und wählen Sie dann einen der empfohlenen Motoren für diesen Antrieb. Die Liste der empfohlenen Motoren basiert auf umfangreichen Tests des Herstellers, um eine optimale Leistung der Kombination aus Schrittmotor und Antrieb sicherzustellen.
Wählen Sie den richtigen Schrittmotor für Ihre Anwendung
Schritt und Richtung
Diese Schrittmotorantriebe akzeptieren Schrittimpulse und Richtungs-/Freigabesignale von einer Steuerung, z. B. einer SPS oder einem PC. Jeder Schrittimpuls bewirkt, dass sich der Motor um einen bestimmten Winkel dreht, wobei die Frequenz der Impulse die Drehzahl bestimmt. Das Richtungssignal bestimmt die Drehrichtung (CW oder CCW), während das Freigabesignal den Motor ein- oder ausschaltet.
Oszillator
Schrittmotoren mit integriertem digitalen Oszillator akzeptieren einen analogen Eingang oder Joystick zur Geschwindigkeitssteuerung. Diese Systeme werden in der Regel in Anwendungen eingesetzt, die eine kontinuierliche Bewegung statt einer Positionssteuerung erfordern, wie z. B. Mischer, Mixer und Spender.
Standalone-programmierbar
Alle diese Schrittmotoren können für den Standalone-Betrieb programmiert werden. Das Bewegungssteuerungsprogramm wird mit einer einfachen Drag-and-Drop-Softwareoberfläche (kostenlos im Lieferumfang enthalten) erstellt und dann beim Einschalten heruntergeladen und ausgeführt. Das Bewegungssteuerungsprogramm wartet in der Regel auf eine Eingabe, z. B. das Schließen eines Schalters oder das Drücken einer Taste, bevor es die programmierte Bewegung ausführt.
Hochleistungs-Schrittmotoren
Diese Schrittmotorantriebe bieten fortschrittliche Funktionen wie Selbstdiagnose, Fehlerschutz, Auto-Tuning, Drehmomentwelligkeit-Glättung, Befehlssignal-Glättung und Antiresonanz-Algorithmen. Einige Antriebe sind eigenständig programmierbar, während andere Schritt-/Richtungs- und Analoge Eingänge bieten. Hochleistungsantriebe bieten die bestmögliche Leistung für Ihr Bewegungssteuerungssystem.
Mineralisolierte Kabel | Verwendung und Vorteile Was sind die Vorteile von mineralisolierten Kabeln?