schrittmotor

I/O

Application Note DK9221-0210-0014 Motion Control

Keywords Schrittmotor Feldbus Encoder Microstepping Phasenstrom Fahrweg-Steuerung Drehzahlinterface KL2531 KL2541

SchrittmotorDieses Application Example liefert in Teil A allgemeine Informationen zum Schrittmotor, (Aufbau, Einsatzgebiete, Ansteuerung etc.) und beschreibt in Teil B den Funktionsumfang der Schrittmotorklemmen KL2531 und KL2541 von Beckhoff mit Anwendungsbeispielen fr eine einfache Fahrwegsteuerung an einer SPS und fr ein Drehzahlinterface mittels einer NC.

A

Allgemeines zu Schrittmotoren

SchrittmotorensindSonderbauformenderSynchronmaschine,beidenenderRotoralsPermanentmagnetausgefhrtist, whrendderStatorauseinemSpulenpaketbesteht.ImUnterschiedzumSynchronmotorverfgtderSchrittmotorbereine groeZahlvonPolpaaren.ZumBetriebdesMotorswirdeineAnsteuereinheitbentigt,welchedieeinzelnenWicklungen desMotorsnacheinerbestimmtenImpulsfolgebestromt.EinSchrittmotorneigtzumechanischerSchwingung,undoberhalb seinerLastgrenzeverlierteranDynamikundunterUmstndenaucheinzelneSchritte,beistarkerBelastungkommtessogar zumStillstandderWelle.DaheristeinesicherePositionierungnurinnerhalbderLeistungsgrenzengewhrleistet.Wenn derMotorjedochinnerhalbseinerLastgrenzenbetriebenwird,kanndurchdieAneinanderreihungvonEinzelschrittenein PositioniervorgangohneRckfhrungderRotorlageausgefhrtwerden.DieseBetriebsart(offeneSteuerkette)unddie LangelebigkeitdesSchrittmotorsermglichendenEinsatzalsPositionierantriebinpreissensitivenApplikationsfeldern.

1.

Grundlagen zur Funktion eines Schrittmotors

EinSchrittmotorbesteht,wiebeidenmeistenElektromotorenblich,auseinemStator(derfeststehendenuerenWicklung) undeinemRotor(rotierendeWellemitMagneten).DieDrehungderMotorwelle(Rotor)kommtdadurchzustande,dass daselektromagnetischeFelddesStatorssprungweisegeschaltetwirdunddieWellesichumdenSchrittwinkeladreht.Bei einfachsterAnsteuerungschaltetmandenSchrittmotorvonPolzuPolbzw.vonSchrittzuSchritt.EinevolleDrehungder MotorwellesetztsichsomitauseinerdefiniertenAnzahlvonEinzelschrittenzusammen.EineStromzufuhrderMotorwicklungen

AnwendungshinweisesieheDisclaimeraufderletztenSeite

Beckhoff New Automation Technology

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bewirktimMotoreinMagnetfeldvonNordnachSd(beinegativerPolungderStromzufuhrundentsprechendemWickelsinn vonSdnachNord).DerbeweglicheStatormitseinenPermanentmagnetenrichtetsichentsprechendderRichtungdesueren MagnetfeldesvomStatoraus. Grundtypen von Schrittmotoren DievielfltigenBautypenlassensichimAllgemeinenaufdreiGrundtypenzurckfhren: 1Reluktanz-Schrittmotoren(VR) (variablereluctance(stepping)motor) (permanentmagnetmotor,claw-poledPMmotor,Tin-Can-Motor) (hybridsteppingmotor) 1) VR 2) PM 3) HY2W1 S

2PermanenterregterSchrittmotor/Klauenpolschrittmotor(PM) 3Hybridschrittmotor(HY)

A D C B DStator Wicklung Rotor

B C

W

W1 W2 N S W1 W2

W 2

N S N W1 S S

W1 N

W1

2

W

A

Abb. 1 Grundtypen von Schrittmotoren: Reluktanz-Schrittmotor,Permanenterregter Schrittmotor und Hybrid-Schrittmotor

Reluktanz-Schrittmotor (Abb. 1 links) DerRotorbestehtauseinemweichmagnetischenMaterial,dessenZahnteilunggegenberderPolteilungdesStatorsungleich ist.BeiErregungeinesStrangsnimmtderRotordieStellungein,inwelcherdermagnetischeWiderstand(Reluktanz)frden erregtenmagnetischenKreisamgeringstenist.WirdderRotorausgelenkt,entstehteinDrehmoment,dasdenRotorwiederin dieursprnglicheLagezurckfhrt.ZumDrehrichtungswechselbentigtderStatormindestenszweiStrangwicklungen.Auf GrundderunterschiedlichenZahnteilungaufPolundRotoristdieDrehfeldrichtungentgegengesetztzurRotordrehrichtung.Im stromlosenZustandbesitztderMotorkeinSelbsthaltemoment.



N

W 2

2

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Permanenterregter Schrittmotor/Klauenpolschrittmotor (Abb. 1 Mitte) EinpermanenterregterSchrittmotorbestehtauseinemStatormiteinzelnansteuerbarenWicklungenundeinemRotorals Permanentmagnet.DerRotorkannjedochauchalszylinderfrmigerFerritstabausgefhrtsein,derentlangseinesUmfangs mehrpoligmagnetisiertist.DerpermanentmagnetischeRotorstelltsichimmerpolaritsrichtigzurStnderwicklungaus. PermanenterregteSchrittmotorenbesitzeneinSelbsthaltemoment,mitdemmaneinennichterregtenMotorstatischbelasten kann,ohneeinekontinuierlicheDrehunghervorzurufen. Hybridschrittmotor (Abb. 1 rechts) KombinationausVR(kleineSchrittwinkel)undPM(hohesDrehmoment,Selbsthaltemoment).DerRotorbestehtauseinem inaxialerRichtungangeordnetenPermanentmagneten,derzwischenzweiweichmagnetischenZahnscheibenliegt.Diese ZahnscheibensindgegeneinanderumeinehalbeZahnteilungversetzt.DurchdieAnordnungderPermanentmagnetenimRotor bildeteineZahnscheibedenNordpolunddieanderedenSdpoldesRotors.JenachstromdurchflossenemStrangdesStators richtensichdieRotorzhnenachdenStatorzhnenaus.

1.1

Besonderheiten

Resonanzen DerunruhigeLaufinbestimmtenDrehzahlbereichen,meistinKombinationohneangekoppelterLastzeigtan,dassder SchrittmotorinseinerResonanz-Frequenzbetriebenwird.UnterUmstndenkannderMotordabeisogarstehenbleiben. MankannzwischenResonanzenimunterenFrequenzbereichbisca.250HzundResonanzenimmittlerenbisoberen Frequenzbereichunterscheiden:Frdiemittel-bishochfrequentenResonanzensindimWesentlichendieelektrischen KenngrenwieInduktivittderMotorwicklungundKapazittenindenZuleitungenverantwortlich.Siewirkensichwegender hohenFrequenznichtmassivaufdasDrehmomentausundsinddurcheinehoheTaktungderRegelungrelativeinfachinden Griffzubekommen.DieResonanzenimunterenFrequenzbereichwerdenimWesentlichendurchdiemechanischenKenngren desMotorsbeeinflusst.NebendemunruhigenLaufbewirkensieauerdemeinenrechterheblichenDrehmomentverlust, welcherdieAnwendungnichtnurstrt,sondernsiedurchdenmglichenSchrittverlustauchbehindert.



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Schrittfolge

Schrittfolge

Luferlage

Luferlage

Schrittfolge

Schrittfolge

Motor kann nicht mehr folgen

Luferlage

Luferlage

Abb. 2 Luferlage in Abhngigkeit zur Schrittfolge

DerSchrittmotorstelltimGrundeeinschwingungsfhigesSystemdar,vergleichbarmiteinemMasse-Federsystem,bestehend ausdemsichbewegendenRotormitTrgheitsmomentundeinemmagnetischenFeld,daseineRckstellkraftaufdenRotor erzeugt.BeimAuslenkenundLoslassendesRotorswirdeinegedmpfteSchwingungerzeugt.JederStromimpulsbewirkt einenEinschwingvorgangderLuferlage(Abb.2obenlinks).MitzunehmenderFrequenzwirdderEinschwingvorgang bereitsvomFolgeimplusberlagertundderDrehzahlverlaufglttetsich(Abb.2obenrechtsunduntenlinks).Entsprichtdie AnsteuerfrequenzderResonanzfrequenz,wirddieSchwingungverstrkt,sodassderRotorimungnstigstenFalldenSchritten nichtmehrfolgtundzwischenzweiRastungenhinundherschwingt(Abb.2untenrechts). Wrmeentwicklung SchrittmotorennehmenauchimStillstandihrenNennstromauf,densiedannabernichtinBewegungumsetzenknnen.Daher erwrmtsichderMotorzwangslufigundkannjenachAuslegungdesMotors100CwrmerwerdenalsdieUmgebung.Eine TemperaturberwachungwirdvonvielenHerstellernempfohlen.



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1.2

Vorteile von Schrittmotoren gegenber anderen Motoren

ImGegensatzzuanderenMotorenhatderSchrittmotorauchbeiniedrigerDrehzahleinhohesHaltemoment;dasauch imStillstandanliegt.EinweitererVorteilliegtindereinfachenAnsteuerungvonSchrittmotoren:Durchdasabwechselnde BestromendereinzelnenSpulenwirdderMotorimmerumeinenSchrittbewegt.DurchdiefesteAnzahlvonSchrittenpro UmdrehungkannimmereindirekterRckschlussaufdieaktuellePositiongezogenwerden,wenndieSchrittegezhltwerden undderMotorinnerhalbseinerLeistungsgrenzenbetriebenwird.DaheristfreinfachePositionieraufgabeninnerhalb derLeistungsgrenzenkeinEncoderntig.SchrittmotorensindsomitalskostengnstigeGesamtlsungenfreinfache Positionieraufgabenbestensgeeignet.

1.1 PM:

Einsatzgebiete der verschiedenen Schrittmotortypen

technologischrelativeinfacheLsungfrAntriebekleinerLeistungmitgeringenbismittlerenAnforderungenandieDynamik| EinsatzinAutomobiltechnikundGebudeautomatisierungfrKlimaundHeizungsanlagen 2 VR: UntergeordneteBedeutung|lsstsichgnstigfertigen|erreichtnurgeringenWirkungsgrad|keinHaltemoment|neigtstrker zumechanischenSchwingungenalspolarisierteSchrittmotoren HY: EnergetischgnstigsterMotormithchstenLeistungsparametern|ber100cNmDrehmomentkeineVerbesserungdesMasseLeistungsverhltnisses|KleineLeistungsklassendominiereninperipherenDatenverarbeitungsgerten(Drucker/Scanneretc.)| GroeLeistungsklassentypischfrhochwertigePositionieraufgaben(Robotik)Handelstypische Ausfhrungen sind Schrittmotoren mit folgenden Parametern: Reluktanz-Schrittmotor Schrittwinkel in 1,8...30 1,0...50 Klauenpolschrittmotor 6...45 0,5...60 Hybridschrittmotor 0,36...15 3...1000

Selbsthaltemoment MH in cNm

2.

Grundlagen der Ansteuerung

Daesnichtausreicht,einekonstanteVersorgungsspannungandenSchrittmotoranzulegen;umeineRotationderWellezu erzeugen,mssendieeinzelnenSpulenabwechselndbestromtwerden.DazuistinjedemFalleineAnsteuerelektronikntig, indermandieParameterGeschwindigkeitundRichtungvorgebenkann.WeiterhinmussdieAnsteuerelektronikdiedrei unterschiedlichenSchrittmusteruntersttzen,mitdenenmandieRastpositionderWellebeeinflusst.



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2.1

Vollschritt und Halbschritt

Vollschritt EswerdenimmerzweibenachbarteWicklungengeschaltet,damitsichderRotormittigzwischendenPolachsenausrichtet. ManerreichtdadurcheingroesDrehmoment. Halbschritt EswirdzwischenzweiVollschrittpositionennureineWicklunggeschaltet,sowirdderSchrittwinkelaufKosteneineskleineren, ungleichfrmigenDrehmomenteshalbiert.

Schrittfolge Richtung Ansteuerung 1 Ansteuerung 2 Ansteuerung 3 Ansteuerung 4 Ansteuerung 1 Ansteuerung 2 Ansteuerung 3 Ansteuerung 4

l1 l2

l1 l2Zwischenschritte bei Halbschrittbetrieb

Vollschrittbetrieb

Halbschrittbetrieb

Abb. 4 Unterschiede der Ansteuerarten fr Schrittmotoren (links Vollschritt, rechts Halbschritt)

2.2

Mikroschritt

SowohlbeimVollschritt-alsauchbeimHalbschrittbetriebwerdenkompletteWicklungennacheinembestimmtenImpulsmuster geschaltet,derMotorschaltetschlagartigumeinenfestenWinkelweiter.BeiMicrosteppingwirddurchdieAnsteuerelektronik einePWMinsehrfeinerAuflsungerzeugt,sodassdieWicklungenmiteinemkonstantenStromflussinSinCos-Formversorgt werden.DasDrehmomentdesMotorsistbeidieserBetriebsartausschlielichvonderStromstrkeabhngig.



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B

Schrittmotorklemmen KL21 und KL241 von Beckhoff

DieSchrittmotorklemmenKL2531undKL2541integriereneinekompakteMotion-Control-LsungfrSchrittmotorenbis200W inkleinsterBauform,mitdenenuni-undbipolareSchrittmotorendirektangesteuertwerdenknnen.Eswirdkeinezustzliche Endstufebentigt,dadieKlemmendieEndstufenfrzweiMotorspulenenthalten.DurchdievolleIntegrationindenFeldbus werdendieKlemmenberdasFeldbus-KonfigurationstoolmitwenigenParameternandieAnwendungundandenMotor angepasst.

.

Grundlagen zum Aufbau/zur Funktion der Klemmen

BeideKlemmengebenjezweigeregelteStrmemitSinCos-Verlaufaus.DieStromregelungwirdmit25kHzgetaktetund ermglichteinenglattenundresonanzfreienStromverlauf.Hochdynamische,induktionsarmeMotorenlaufendadurchgenauso problemloswieSchrittmotorenmiteinerkleinenRotormasse.DieAuflsungdesStromeserfolgtin64SchrittenproPeriode (64-fachesMicrostepping).SieunterscheidensichdurchihreLeistungsklassen. KL21 untererLeistungsbereich geringeBauform:in12mmBreitePWMfrzweiMotorspulenundzweidigitaleEingnge(24VDC) biszu24VDCVersorgungsspannung Spitzenstrom1,5AproPhase direkterAnschlussunterschiedlicherSchrittmotoren geringerAufwandzurAnpassunganMotorundAnwendung KL241 nchsteLeistungsklasse(kleineServoantriebe) 24mmBreite Drehmomentbiszu5Nm(jenachMotor) biszu50VDCVersorgungsspannung Spitzenstrom5AproPhase integrierteInkremental-Encoder-Schnittstelle(24VDC) hohemechanischeLeistungbisinden200-Watt-Bereich direkterAnschlussunterschiedlicherSchrittmotoren geringerAufwandzurAnpassunganMotorundAnwendung Zubeachtenist,dassfrtypischeAnwendungendieNennleistungderMotorspannungsversorgungsodimensioniertwerden kann,dassderaufgenommeneLaststrom50%desStromseinerSchrittmotorphasebetrgt.DadurchkanneineKL2541,die einenSchrittmotormitmax.5ASpulenstromineinertypischenAnwendungbetreibt,inderRegelmiteinemNetzteil48V/2,5A betriebenwerden.



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.1

BlockschaltbildTreiberschaltung Endstufe Motoranschlsse

Interface K-Bus

Opto-Koppler

Controller

durch K-Bus durch K-Bus

KL2541 KL2531

24 V DC 24 V DC

50 V DC

Spannungsversorgungen der einzelnen Segmente

.2

Beschaltung von Schrittmotoren

BeiVR-SchrittmotorenistfrdieRichtungsnderungdesDrehmomenteskeinenderungderPolarittdesStroms notwendig.BeiSchrittmotorenmitPermanentmagnetenistdieDurchflutungmitbeidenPolarittenerforderlich,daherkann mansieunipolaroderbipolaransteuern.BeimBipolarbetrieberreichtmaneinenhherenWirkungsgrad,jedochistder SchaltungsaufwandbeimUnipolarbetriebgeringer.unipolar bipolar

M

M

Abb. Betriebsarten bei Schrittmotoren: unipolar und bipolar

Unipolar: JedeStatorspuleistmiteinerMittelanzapfungversehen,diefestmitderVersorgungsspannungverbundenist.DerStrom durchflietdieStrangwicklungnurineinerRichtung,dajederStrangmitzweiDrhtenparallelgewickeltist.DieStromrichtung derStatorspulehngtdavonab,welchesSpulenendeanMassegelegtwird.BeidieserBeschaltungergebensichEinsparungen beiderAnsteuerelektronik(sieheAbb.6links). Bipolar: BeimBipolarbetriebwirdjedeStrangwicklungdesMotorsbereineVollbrckegespeistundkannalsoinbeidenRichtungen Stromfhren.DaherwirdimmerdiegesamtSpuleumgepoltundnichtnureineHlfte.SinddieStrngedesSchrittmotorsmit zweiparallelenDrhtengewickelt,somssendiebeidenZweigeeinerSpuleparallelgeschaltetwerden(sieheAbb.6rechts).



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Hinweis: WeitereInformationenzumAnschlussderMotorenandieKlemmen:sieheDokumentation->MontageundVerdrahtung-> Anschlussbeispiele.DownloadlinkamEndedesDokuments

.

Ergnzende Produkte

ErgnzendkanndiePuffer-Kondensator-KlemmeKL9750mitbesondersRippelstrom-festen500-F-Kondensatorenzur Schrittmotor-Klemmeeingesetztwerden:SiestabilisiertdieSpannungsversorgung,nimmtzurckgespeisteEnergieaufund bietetberspannungsschutzvonhochdynamischenAntrieben.bersteigtdierckgespeisteEnergiedasFassungsvermgender Kondensatoren,verhinderteinexternerBallastwiderstandeineberspannung.

4.

Anwendungsbeispiele

DieKlemmenenthaltennureinDateninterface,welchesjenachBetriebsartdasRegisterDataOUTentwederzurPositions- oderzurDrehzahlvorgabenutzt.DiefolgendenAnwendungsbeispieleumreienkurzdenFunktionsumfangderBetriebsarten Fahrwegsteuerung(Positionsvorgabe)undDrehzahlinterface(Geschwindigkeitsvorgabe).

4.1

Fahrwegsteuerung (an einfacher SPS)

FrPositionierungen,dievoneinerSPSbernommenwerden,istdieFahrwegsteuerungdieoptimaleLsung.Indieser BetriebsartwirdderKlemmeein16-Bit-PositionswertundverschiedeneParameter,wieGeschwindigkeitundBeschleunigung, vorgegeben.DieKlemmefhrtnachderFreigabeselbstttigaufdieZielposition. MitderBetriebsartFahrwegsteuerungsindeinfachePositionierungenauseinerherkmmlichenSPS(ohneNC)zurealisieren. DazuknnenentsprechendeVerfahr-/PositionierbefehleberdieSteuerungdirektindieRegisterdesklemmeninternen Speichersgeschriebenwerden.DieSchrittmotorklemmebietetdieMglichkeiteinereinfachenReferenzierung(Homing).Dazu werdenimModusReferenzierungdiedigitalenEingngealsNockenrckfhrungverwendet. DiefolgendenFahrbefehlesindimModusFahrweg-Steuerungmglich: -manuell -Fahrauftrageinfach -Fahrauftragmehrfach -Auto-Start-Funktion -Auto-Stopp-Funktion -Schnell-Stopp-Funktion -Referenzierung/Homing(berdiedigitalenEingnge) -Selbstjustierung



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4.2

Drehzahlinterface (Betrieb an einer NC)

FrPositionierungen,dievonderNCbernommenwerden,istdieBetriebsartGeschwindigkeitdirektdieoptimaleLsung. HierbeiwirddieSchrittmotorklemmeineinemgeschlossenenRegelkreisbetrieben,whrenddieNCalsGeschwindigkeitsSollwert-Generatorarbeitet.DieKlemmefolgtdiesenSollwertenundgibtdenaktuellenPositionswertalsFeedbackzurckan dieNC.DieverwendetenRampenundReglerparameter(P,I)werdeninderNCkonfiguriert. InderBetriebsartGeschwindigkeitdirektsindsmtlicheFunktionenundFahrbefehlederStandard-TwinCAT-LibraryMotion Controlmglich.AlsAuszugdieamhufigstenverwendetenBefehle(ohneAnspruchaufVollstndigkeit): Moveabsolute Moverelative ReadPosition ReferenzierenaufNockeoderauf0-Spur(C-Signal)desEncoders MCReset

Schrittmotorklemme,24VDC,1,5Awww.beckhoff.de/KL21 Schrittmotorklemme,50VDC,5A,mitInkremental-Encoderwww.beckhoff.de/KL241 Puffer-Kondensator-Klemmewww.beckhoff.de/KL90 DokumentationderSchrittmotorklemmen http://download.beckhoff.com/download/Document/BusTermi/BusTermi/KL21_KL241de.chm

DiesesDokumententhltexemplarischeAnwendungenunsererProduktefrbestimmteEinsatzbereiche.DiehierdargestelltenAnwendungshinweiseberuhenaufdentypischen EigenschaftenunsererProdukteundhabenausschlielichBeispielcharakter.DiemitdiesemDokumentvermitteltenHinweisebeziehensichausdrcklichnichtaufspezifische Anwendungsflle,daherliegtesinderVerantwortungdesKundenzuprfenundzuentscheiden,obdasProduktfrdenEinsatzineinembestimmtenAnwendungsbereichgeeignet ist.WirbernehmenkeineGewhrleistung,dassderindiesemDokumententhalteneQuellcodevollstndigundrichtigist.WirbehaltenunsjederzeiteinenderungderInhaltedieses DokumentsvorundbernehmenkeineHaftungfrIrrtmerundfehlendenAngaben.EinedetaillierteBeschreibungunsererProdukteenthaltenunsereDatenbltterundDokumentationen,diedarinenthaltenenproduktspezifischenWarnhinweisesindunbedingtzubeachten.DieaktuelleVersionderDatenbltterundDokumentationenfindenSieaufunserer Homepage(www.beckhoff.de). BeckhoffAutomationGmbH,Februar2010 DieWeitergabesowieVervielfltigungdiesesDokuments,VerwertungundMitteilungseinesInhaltssindverboten,soweitnichtausdrcklichgestattet. ZuwiderhandlungenverpflichtenzuSchadenersatz.AlleRechtefrdenFallderPatent-,Gebrauchsmuster-oderGeschmacksmustereintragungvorbehalten.


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