Einfluss der Geschwindigkeit auf das Drehmoment des Schrittmotors

Der Einfluss der Geschwindigkeit auf das Drehmoment des Schrittmotors

Schrittmotoren werden im Allgemeinen für Anwendungen ausgewählt, bei denen eine präzise Positionierung, ein Haltemoment und ein dynamisches Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen erforderlich sind. Sie werden auch eingesetzt, um relativ hohe Drehmomente bei hohen Drehzahlen zu liefern, obwohl dies aufgrund der Funktionsweise des Schrittmotors eher unüblich ist. Die Motorleistung wird anhand der Drehzahl und des dynamischen Drehmoments gemessen, das bei bestimmten Antriebsbedingungen (Eingangsspannung/Strom) erzeugt wird. Das von Schrittmotoren erzeugte Drehmoment ist bis zur Sättigungsgrenze proportional zum Strom, der den Spulen zugeführt wird; mit anderen Worten: Je höher der Strom in der Spule, desto höher das Drehmoment. Die Induktivität (L) und der Widerstand (R) der Wicklung begrenzen jedoch den Strom in der Spule und damit die Erzeugung des Drehmoments.

Verstehen der elektrischen Zeitkonstante

Schrittmotoren haben zwei Phasenwicklungen, die auf separaten Statoren montiert sind. Ein elektrischer Schaltkreis für eine Phase des Motors kann durch eine einfache Schaltung wie in Abbildung 1 dargestellt werden (klicken Sie auf den Link, um die Abbildung auf unserer Website zu sehen).

Bei Schrittmotoren wird der Strom in Schritten/Impulsen geliefert. Im Idealfall ist der Stromschrittimpuls eine Rechteckwelle, d. h. mit einer Anstiegs- und Abfallzeit von Null. Wie in Abbildung 2 dargestellt, zeigt der Strom jedoch aufgrund der Spuleninduktivität und des Widerstands eine exponentielle zeitabhängige Reaktion. Anhand der Stromgleichung und Abbildung 2 wird deutlich, dass der Strom einige Zeit braucht, um in der Spule seinen Höchstwert zu erreichen.

Die Zeitkonstante (τ) der LR-Schaltung wird als L/R angegeben. Die elektrische Zeitkonstante ist definiert als die Zeit, die der Strom in der Wicklung benötigt, um 63 % seines Nennwerts zu erreichen. Wenn beispielsweise der Nennstrom des Schrittmotors 2 A pro Phase beträgt und der Strom in der Wicklung nach einer Zeitkonstante 1,264 A beträgt, dann ist auch das entsprechende Ausgangsdrehmoment des Motors proportional geringer als das Nenndrehmoment beim Nennstrom.

Warum liefern Schrittmotoren bei höheren Drehzahlen weniger Drehmoment?

Um das vom Motor abgegebene Nenndrehmoment zu erreichen, muss der Strom in der Spule seinen Nennwert erreichen. Wenn der Motor mit niedrigeren Drehzahlen betrieben wird, hat der Strom in der Spule ausreichend Zeit, seinen Nennwert zu erreichen. Das bedeutet, dass ein Schrittmotor bei niedrigen Drehzahlen das Nenndrehmoment liefern kann. Bei höheren Drehzahlen spielt jedoch die Zeitkonstante eine entscheidende Rolle. Wenn ein Schrittmotor mit höheren Drehzahlen läuft, ist die Anzahl der Impulse, die dem Motor in einem bestimmten Zeitrahmen zugeführt werden, sehr hoch, was bedeutet, dass dem Strom weniger Zeit zur Verfügung steht, um seinen Nennwert zu erreichen. Der Nennwert des Stroms kann in einer Phasenwicklung nicht erreicht werden, bevor der Strom in die nächste Phase fließt. Da der Strom seinen Nennwert nicht erreichen kann, kann ein Schrittmotor nicht das Nenndrehmoment erzeugen und die Leistung nimmt bei hohen Drehzahlen ab.

Wir können dieses Phänomen verstehen, wenn wir uns den Motor 42M048D1B von Portescap ansehen.

Die Zeitkonstante für den ausgewählten Motor beträgt 0,807 ms, d. h. der Strom erreicht 63 % seines Nennwerts in 0,807 ms. Die Zeit, die der Strom benötigt, um seinen Nennwert zu erreichen, entspricht 5τ. In diesem Beispiel beträgt diese Zeit 4 ms, was 250 PPS entspricht. Wenn der Strom in den Wicklungen seinen Nennwert erreicht, können wir das Nenndrehmoment des Motors erhalten.

Wir können diese Einschränkung überwinden und den Schrittmotor dennoch verwenden, um das erforderliche Drehmoment bei hohen Drehzahlen zu erreichen, indem wir eine von zwei Methoden anwenden:

Verwendung eines Chopper-Treibers. Ein Chopper-Treiber nutzt die Technik des schnellen Ein- und Ausschaltens der Ausgangsspannung des Motors (Chopping), um den Strom in den Motorwicklungen zu steuern. Der Chopper-Treiber legt bei jedem Schritt eine sehr hohe Spannung an den Schrittmotor an, was einen schnellen Anstieg des Stroms bewirkt. Da der Chopper-Treiber den Strom in den Motorwicklungen auch bei hoher Geschwindigkeit konstant hält, können wir das erforderliche Drehmoment von Schrittmotoren bei hohen Geschwindigkeiten erreichen.

Eine niedrigere elektrische Zeitkonstante beibehalten. Wenn die Anwendung ein hohes Drehmoment von Schrittmotoren bei hohen Geschwindigkeiten erfordert, muss die Wicklung so angepasst werden, dass das L/R so niedrig wie möglich ist. Die Entwicklungsingenieure von Portescap können das Motordesign für diese Anwendungen anpassen, um das erforderliche Drehmoment bei der gewünschten Geschwindigkeit zu erreichen.

Möchten Sie weitere Informationen über den Einsatz von Schrittmotoren in Anwendungen mit hoher Geschwindigkeit und hohem Drehmoment? Wenden Sie sich hier an Portescap - wir helfen Ihnen gerne weiter!