Schrittmotoren: Mit diesen Lösungen lassen sich unliebsame Resonanzen beseitigen

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Daniel Muller, Anwendungstechniker beim Antriebsspezialisten Portescap, erläutert Maßnahmen zur Vermeidung von Resonanzen bei Schrittmotoren.

• Ingenieure greifen zunehmend auf Schrittmotoren zurück, um eine einfache und kostengünstige Positionierungslösung zu finden.

• Aufgrund der Konstruktion dieser Motoren und der Art ihres Antriebs besteht jedoch unter bestimmten Betriebsbedingungen die Gefahr von Resonanzen.

• Dies kann sich in Form von Vibrationen äußern, die die Synchronisation zwischen dem Kommando und der tatsächlichen Rotorposition beeinträchtigen, was sich letztlich auf die Genauigkeit auswirkt.

• Daniel Muller, Anwendungstechniker beim Antriebsspezialisten Portescap, erörtert die Bedeutung von Präventivmaßnahmen zur Vermeidung von Resonanzen, die zu diesen Problemen führen können.

Schrittmotoren sind eine beliebte Option für eine Vielzahl von Positionierungsanwendungen, da sie einfach schrittweise angetrieben werden können, ohne dass ein Encoder oder ein zusätzliches Gerät für die Positionsrückmeldung erforderlich ist. Die Kommutierung durch einen externen elektronischen Treiber bewegt den Rotor von einer stabilen Position zur nächsten. Solange eine Phase erregt ist, ohne auf die nächste Phase umzuschalten, hält der Rotor eine stabile Position bei.

Betrachtet man jedoch den Funktionsmechanismus genauer, ist klar, dass es zu Problemen kommen kann. Bewegt sich der Rotor etwas über die Zielposition hinaus, entwickelt der Motor ein negatives Drehmoment, um den Rotor in die Zielposition zurückzuziehen. Hat der Rotor hingegen die Zielposition noch nicht erreicht, zieht ein positives Drehmoment den Rotor in diese Position. Unter diesen Bedingungen kann es leicht zu Schwingungen kommen.

Probleme durch Resonanzen bei Schrittmotoren sollte man nicht unterschätzen

In der Praxis bedeutet das: Wenn die Rotordrehzahl und/oder die Trägheit der Last zu einer Überschreitung der Zielposition führt, beginnt der Rotor um die Zielposition zu oszillieren, und zwar mit einer Eigenfrequenz, die sich aus dem Haltemoment, der Anzahl der Pole und dem Gesamtträgheitsmoment ergibt. Das Ausmaß der Schwingung verringert sich mit der Zeit durch die systemeigene Dämpfung. Aber wenn die Schwingung nicht beendet ist, bevor der nächste Schritt zu erfolgen hat, besteht die Gefahr einer Resonanz. Dabei reagiert das mechanische System mit Schwingungen größerer Amplitude.

Die Probleme, die Resonanzen mit sich bringen, sollte man nicht unterschätzen. Sie können zu einem Verlust von Schritten, zu möglichen Änderungen der Drehrichtung und zu einer allgemein unregelmäßigen Bewegung führen.

Maßnahmen zur Vermeidung von Resonanzen bei Schrittmotoren

Resonanzen treten typischerweise auf, wenn die Kommutierungsfrequenz in der Nähe der Eigenschwingungsfrequenz des mechanischen Systems liegt. Es ist nicht immer möglich, die Kommutierungsfrequenz von der Resonanzfrequenz zu trennen und sie somit zu vermeiden. Stattdessen könnte die Eigenfrequenz des Systems entweder nach oben oder nach unten verschoben werden. Dies ist möglich, indem man an zwei Parametern arbeitet, die sich hierauf auswirken: dem Haltemoment und der Gesamtträgheit des Systems.

Das Haltemoment hängt vom Nennstrom des Motors ab. Die Verwendung eines höheren Stroms zur Erhöhung des Haltemoments hat den unerwünschten Effekt, dass die Joule-Verluste zunehmen. Damit geht eine erhöhte Spulentemperatur einher. Es lässt sich jedoch ein niedrigerer Strom verwenden, um die Eigenfrequenz nach unten zu verschieben, wenn das niedrigere Drehmoment weiterhin den Anforderungen der Anwendung entspricht.

Das Trägheitsmoment des mechanischen Systems ist die Summe aus der Rotorträgheit des Motors und der Trägheit der Last. Der Konstrukteur könnte einen Motor mit anderen Spezifikationen wählen, um die Rotorträgheit zu ändern. Außerdem kann die Trägheit der Last angepasst werden, um die Eigenfrequenz nach oben oder unten zu verschieben, wenn dies keinen Einfluss auf die Leistung des Motors bei der Anwendung hat.

Eine weitere Maßnahme zur Vermeidung von Resonanzen besteht darin, den Motor im Mikroschrittbetrieb zu betreiben, anstatt ihn mit vollen Schritten zu fahren. Der kleinere Schrittwinkel erfordert weniger Energie, um von einer stabilen Position zur nächsten zu gelangen. Somit sind das resultierende Überschwingen und das Ausmaß der Schwingungen geringer. Außerdem ist der Mikroschrittbetrieb im Allgemeinen geräuschärmer, vibrationsärmer und erfolgt reibungsloser.

Vermeidung von Resonanzen durch Dämpfung

Wie bereits erwähnt, wird die dem Motorsystem innewohnende Dämpfung bei vielen Anwendungen das Ausmaß der Schwingungen stetig verringern und das Auftreten von Resonanzen verhindern. Können wir also dort, wo Resonanz ein Problem darstellt, die Dämpfung erhöhen, um das Problem zu beseitigen? Die Antwort ist ja, und es gibt eine Reihe von Mechanismen, um dies zu tun.

Die mechanische Reibung sorgt für ein konstantes und von der Geschwindigkeit unabhängiges Bremsmoment. Die Erhöhung der Lastreibung oder der Motorlagerreibung stellt bei einigen Anwendungen eine Möglichkeit dar, die Dämpfung zu erhöhen. Da sie jedoch bei allen Drehzahlen auf den Motor wirkt, gilt es, sicherzustellen, dass die Leistung des Motors erhalten bleibt.

Eine bessere Option ist im Allgemeinen das Hinzufügen von viskoser Reibung, die ebenfalls ein Bremsmoment erzeugt, dessen Größe jedoch von der Motordrehzahl abhängt (und bei höheren Drehzahlen höher ist). Daher erfolgt eine stärkere Bremsleistung, wenn die Schwingungsamplitude groß ist, und eine nur sehr leichte, wenn die Schwingung kleiner ist.

Es gibt eine Reihe verschiedener Phänomene, die viskose Reibung in einem System verursachen können. Wirbelströme, die im Eisen des Stators erzeugt werden, wirken wie ein Bremsmoment. Aber die Höhe dieser Eisenverluste variiert zwischen den verschiedenen Motortechnologien. Scheibenmagnetmotoren haben in der Regel nur begrenzte Eisenverluste; dadurch können sie hohe Drehzahlen erreichen, aber dies bedeutet, dass man sich zur Vermeidung von Resonanzen nicht allein auf die Wirbelströme verlassen sollte.

Die in der Spule induzierte Gegen-EMK (Spannung) liefert einen Strom, der auch ein Bremsmoment erzeugt, das die Schwingung dämpft und auch als viskose Reibung betrachtet werden kann. Die Wirksamkeit hängt vom Motorantrieb ab. Chopper-Treiber ermöglichen diese Art der Dämpfung in der Regel nicht, da der Strom trotz Gegen-EMK-Schwankungen konstant gehalten wird.

Weitere Dämpfungslösungen

Der Konstrukteur könnte auch andere elektronische Dämpfungslösungen in Erwägung ziehen, die den Motor in einer bestimmten Weise ansteuern, ohne die mechanischen Parameter des Systems zu verändern. Es besteht auch die Möglichkeit, einen externen mechanischen Dämpfer hinzuzufügen, der einen Teil der Schwingungsenergie absorbiert, um Resonanzen zu vermeiden.

Bei jeder Anwendung von Schrittmotoren, bei der Resonanz ein Problem darstellt, lässt sich dies oft auf eine Reihe von Bedingungen zurückführen. Manchmal ist die Erfüllung nur einer dieser Bedingungen zur Beseitigung von Resonanzen ausreichend. Bei jeder Anwendung lohnt es sich immer, einen sachkundigen Händler zu Rate zu ziehen. Dieser kann feststellen, welche Frequenzbereiche wahrscheinlich ein Resonanzproblem verursachen, und die möglichen Lösungen zur Beseitigung dieses Problems prüfen.

Weitere Informationen: https://www.portescap.com/en/

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Bild: Schrittmotoren sind eine beliebte Option für eine Vielzahl von Positionierungsanwendungen, da sie einfach schrittweise angetrieben werden können, ohne dass ein Encoder oder ein zusätzliches Gerät für die Positionsrückmeldung erforderlich ist. Bildquelle: Portescap