Schrittmotoren haben sich im Bereich der Positionier- und genauen Drehzahlsteuerung fest etabliert. Die charakteristischen Eigenschaften der Schrittmotoren sind im direkten Zusammenhang elektrischer Signale und der Drehbewegung des Schrittmotors zu sehen.

Der Schrittmotor überträgt elektrische Energie in präzise mechanische Bewegungen, wobei jeder elektrische Impuls seinen spezifischen Rotationswinkel zurücklegt. Durch digitale Impulse können somit genaue Winkelwerte ohne externe Rückkoppelung (z.B. Drehgeber) mit einer einfachen Schaltung vorgegeben werden.

Schrittmotoren befinden sich bereits seit 1950 im Einsatz. Sie haben durch neue Werkstoffe und Verfahren, vor allem durch Digitaltechnik und Software, eine sehr große Verbreitung und Anwendung gefunden. Neue Ansteuerungsarten mit digitalen und sehr schnellen Signalprozessoren machen Schrittmotoren weit effizienter und geräuschärmer und eröffnen ihnen somit immer breitere Anwendungsfelder.

Beispiel Positionierung: Mit 100 Impulsen rotiert der 1,8° Schrittmotor exakt 180°

Der Schrittmotor eignet sich nicht nur ideal für Positionsanwendungen sondern auch für hochpräzise Drehzahlanwendungen, da die Rotationsgeschwindigkeit proportional zur Impulsfrequenz und nahezu unabhängig von externen Laständerungen ist.

Beispiel Drehzahlregelung: 1000 Impulse/Sekunde (1000 Hz) ergeben bei einen 1,8° Schrittmotor exakt 300 U/min (1000/(360°/1,8°)*60 s= 300 U/min).

Um den passenden Schrittmotor für Ihre Anwendung zu finden, benötigen Sie zwei wichtige Kenngrößen: Zum einen ist dies das Drehmoment , das der Motor realisieren soll und zum anderen ist das die Drehzahl, bei welcher dieses Drehmoment erreicht werden soll. Anhand der Motorkennlinie, die für jeden Motor auf der Webseite hinterlegt ist, können Sie den geeigneten Motor auswählen.
Unser Motorassistent hilft Ihnen bei der Suche nach dem richtigen Motor.

Die Motoren von Nanotec sind in Baugrößen von 6mm bis 110mm (Md 0,05 Ncm bis 2500 Ncm) bei gleichem Durchmesser in unterschiedlichen Längen X, S, M, L und D erhältlich. Dadurch lassen sich viele Anwendungen unterstützen, die auch bei eingeschränktem Bauvolumen noch die erforderlichen Antriebslösungen bieten. Durch den Getriebeanbau lässt sich bei gleicher Baugröße zusätzlich eine Miniaturisierung bei höherem Ausgangsdrehmoment erreichen. Der Motorassistent unterstützt ebenfalls die Suche für Motoren mit angeflanschtem Getriebe bei eingeschränkter Baugröße.

Schrittmotoren sind Synchronmotoren. Der Schrittmotor setzt sich aus einem magnetischen Rotor und mehreren räumlich versetzten Statorspulen zusammen. Zur Erzeugung eines Magnetfeldes werden die Spulen von einem Strom durchflossen. Durch die Umkehrung der Stromrichtung ändert sich die Polarität des elektrischen Magnetfeldes. Geschieht dies in einer definierten Reihenfolge, so ergibt sich ein rotierendes Statorfeld, dem der gezahnte Permanentmagnet des Rotors folgt. Die elektrischen Impulse bestimmen somit die Geschwindigkeit des umlaufenden Magnetfeldes und der Rotor wandelt diese Impulse in eine mechanische Drehbewegung mit einem definierten Schrittwinkel um.

Auf beiden Motorseiten ist der Rotor des Motors kugelgelagert. Er besitzt keine Kommutatoren oder Schleifringe, somit ist die Lebenserwartung eines Motors abhängig von der Last, die auf die Kugellager wirkt. Unsere Motore habenn, wenn Sie mit den Nennlasten (siehe Datenblatt) betrieben werden, eine L10h Lebensdauer von ca. 20.000 Betriebsstunden.

Schrittmotoren bieten folgende Vorteile:

• Schrittgenaues Positionieren ohne ext. Weggeber (open loop)
• Digitale Steuerimpulse für Geschwindigkeit und Position
• Geschwindigkeit ist proportional zur Eingangsfrequenz
• Schrittfehler (<5%) sind nicht kommulativ (entspricht bezogen auf 1,8° bzw. 0,9° = +/- 0,09 bzw. 0,045°)
• Hohes Drehmoment bereits bei kleineren Drehzahlen (Getriebe kann gegenüber BLDC Motoren oftmals entfallen)
• Einfache und preiswerte Ansteuerelektronik
• Die hohe Steifigkeit ermöglicht es dem Rotor ohne Bremse in seiner Halte-Position zu verharren. Ferner gibt es bei Schrittmotoren kein Pendeln (hunting) um die Motorachse während der Motor in seiner Nulllage verharrt, was bei Servomotoren oft zu Problemen führt.
• Exzellentes Beschleunigungsvermögen
• Höchste Leistungsdichte bei kleinen bis mittleren Geschwindigkeiten
• Kann blockieren, ohne dass die Wicklungen beschädigt werden
• Hohe Lebenserwartung (bürstenlos, die Lebensdauer hängt daher nur von den Lagern ab)

Unipolare Ansteuerungen sind für 5, 6 und 8 Leiter Motoren geeignet und werden für einfache und preisgünstige Anwendungen eingesetzt. Im einfachsten Fall liegt die Mittelanzapfung der beiden Phasen an der positiven Versorgungsspannung an, und mit nur vier Schaltern oder Transistoren (oder auch z.B. vier Ausgänge von der SPS) werden die jeweiligen Wicklungshälften entsprechend dem Schaltschema abwechselnd zur Masse geschaltet. Verwendet man Schrittmotoren mit relativ hohem Wicklungswiderstand, so wird der Phasenstrom einfach über die Formel I = U / R , oder bei hohen Frequenzen grob über I = U / 2 * π * f * L begrenzt. Unipolare Ansteuerungen erreichen etwa nur 70% Drehmoment im Vergleich zur bipolaren Ansteuerung.

Bipolare Ansteuerungen sind für 4, 6 und 8 Leiter Motoren geeignet und werden für leistungsfähige und hoch dynamische Anwendungen eingesetzt. Die zwei Phasen werden jeweils über zwei H-Brücken - vier Transistoren werden diagonal abwechselnd entsprechend dem Schaltschema - von der positiven Versorgungsspannung über die diagonalen Transistoren (bei Konstantstrom über einen Messwiderstand) zur Masse geschaltet. Die bipolare Ansteuerung hat ein um ca. 30% höheres Drehmoment (hier ist immer das ganze Kupfer im Einsatz) als die unipolare Ansteuerung. Aufgrund der hohen Schaltungsintegration sowie des höheren Drehmoments werden seit längerer Zeit bevorzugt hoch integrierte, leistungsfähige, Konstantstrom gesteuerte Mikroschritt-Endstufen eingesetzt, wie die Modelle IMT 901, IMT 902 und SMC.. von Nanotec.

1. eine Wicklungshälfte: Hier werden die Wicklungen des Motors nur halb ausgenutzt, daher ist das zu erreichende Haltemoment auch geringer als in den anderen Schaltungen. Vorteile bietet diese Schaltung nur im hohen Drehzahlbereich bei den 6-Litzen Motoren, was in den jeweiligen Motorkennlinien genau zu erkennen ist.

2. parallel: In dieser Schaltung wird die höchste Motorleistung erzielt. Durch die geringe Induktivität hält der Motor auch bei höheren Drehzahlen das Moment noch konstant, allerdings ist auch ein hoher Phasenstrom erforderlich.

3. seriell: Diese Schaltung ist für den unteren Drehzahlbereich geeignet, bei welchem mit geringem Strom ein hohes Drehmoment erreicht wird. Aufgrund der hohen Induktivität (doppelter Wicklungswiderstand, quadratische Erhöhung der Wicklungsinduktivität) fällt das Drehmoment aber bei höheren Drehzahlen schnell ab.

Die im Datenblatt angegebenen Werte beziehen sich immer auf eine Wicklungshälfte. In der folgenden Tabelle ist die Umrechnungsvorschrift der einzelnen Parameter auf die serielle und parallele Schaltung dargestellt. Diese Funktion kann auch online auf der Übersichtsseite der einzelnen Schrittmotorserien (unter Typ Ansteuerung) ausgeführt werden.

Das Haltemoment wird beim jeweiligen Nennstrom erreicht. Weicht der Strom ab, so kann aus der Proportionalität zwischen Phasenstrom und Haltemoment der Wert entsprechend berechnet werden. Der halber Strom führt somit (bei gleicher Schaltung) zum halben Haltemoment.

Achtung: Dieser Zusammenhang gilt nur für das Haltemoment sowie für den unteren Drehzahlbereich (wo das Drehmoment noch nicht abfällt), nicht aber für die gesamte Motorkennlinie. Bei hohen Drehzahlen kann der eingestellte Strom seinen Maximalwert nicht mehr erreichen, da die Schaltvorgänge an der Wicklung dann zu schnell sind. Diese (reale) Stromreduzierung führt zum Abfall der Motorkennlinie bei steigender Drehzahl.(Da einmal durch die zunehmende Frequenz sich ein kleinerer Strom (I = U / 2 * π * f * L ) einstellt und vor allem durch die Gegen EMK die proportional zur Drehzahl ansteigt. Sobald die Gegen EMK mit zunehmender Drehzahl bis zum Wert der Versorgungsspannung ansteigt, wird der Strom zu Null und es kann dadurch kein Drehmoment mehr erzeugt werden.)

Es ist außerdem möglich, den Motor kurzzeitig mit höherem Strom zu betreiben. Hier muss allerdings darauf geachtet werden, dass die Gehäusetemperatur 80 °C (je nach Einschaltdauer bis 100 °C) nicht überschreitet. Die Sättigung erfolgt dabei je nach Motor beim 1-,2- bis 5-fachen Wert des Nennstromes, danach erhöht sich das Drehmoment nicht mehr und es wird nur noch zusätzliche Wärme produziert sodass der Motor schnell überhitzt und die Wicklungen schließlich durchbrennen.

Wird der 6 Leiter oder 8 Leiter Schrittmotor mit nur einer Wicklungshälfte bipolar betrieben, so kommt es zu einer galvanischen Verbindung zur 2. Wicklung. Durch diese galvanische Verbindung zur 2. Wicklung entsteht durch die kapazitive Kopplung eine Reihenschaltung von R (Wicklungswiderstand), L (Wicklungsinduktivität) und C (kapazitive Kopplung) und somit ein elektrischer Schwingkreis = Reihenschwingkreis. Dies kann zu Oberwellen auf der Stromkurve, und daraus resultierend akustisch zu Pfeifgeräuschen führen. Ferner ist selbst das Laufverhalten etwas unruhiger und daher diese Beschaltung für den Serieneinsatz nicht zu empfehlen. Wenn das Drehmoment des Motors bei der gewünschten Geschwindigkeit mit einer Wicklungshälfte getestet wurde, sollte für die Serie dann eine entsprechend gewickelte 4-Litzen Ausführung eingesetzt werden.

Im bipolaren Betrieb besteht die Möglichkeit, die beiden Wicklungshälften der Phasen A und B in Serie oder parallel zu schalten.

Die Serienschaltung (Wicklungswiderstand und Gegen-EMK verdoppeln sich, die Wicklungsinduktivität vervierfacht sich, da beide Spulen über den Statorkern magnetisch gekoppelt sind = (2*EMK-2RW-4L)) wird angewendet, wenn keine großen Motor-Drehzahlen (ca. bis 1000 U/min) erforderlich sind und der Leistungstreiber oder das Netzteil nur einen gewissen Strom steuern bzw. liefern kann. Der Phasen Nennstrom muss bei der Serienschaltung auf den Wert = Strom/Wicklung * 0,7 reduziert werden.

Die Parallelschaltung (der Wicklungswiderstand halbiert sich und die Gegen-EMK bleibt konstant. Die Wicklungsinduktivität bleibt durch die magnetische Kopplung ebenfalls konstant = (EMK-1/2RW-L)) ermöglicht die höchsten Drehzahlen. Der Phasen Nennstrom muss auf den Wert = Strom/Wicklung * 1,4 erhöht werden. Unter Berücksichtigung der möglichen Drehzahlen bietet die Parallelschaltung die höchste erreichbare Ausgangsleistung.

Vollschrittbetrieb

Im Vollschrittbetrieb hat der Schrittmotor das höchste Drehmoment. Allerdings hat ein Schrittmotor im Vollschrittbetrieb auch die am stärksten ausgeprägten Resonanzstellen - die sich wiederum negativ auf das Drehmoment auswirken. Sollte jedoch die Betriebsdrehzahl in der Nähe einer solchen Resonanzfrequenz liegen, kann es vorteilhafter sein zum Mikroschrittbetrieb zu wechseln, da in dieser Frequenz ohnehin nicht das volle Drehmoment des Motors genutzt wird.

Halbschrittbetrieb

Wie in der Animation über die Funktionsweise eines Schrittmotors im Halbschritt ersichtlich ist, sind abwechselnd zwei Wicklungen (Phasen),1 Wicklung (Phasen), 2 Wicklungen (Phasen) bestromt. Aus der vektoriellen Summe oder geometrischen Addition der beiden Phasenströme I (Motor = √ Ia₂ + Ib₂), ergibt sich das Halbschrittdrehmoment von 70.7% gegenüber dem Vollschrittbetrieb. Die neuen Mikroschritt-Treiber SMCIxx haben eine automatisch eingebaute Stromkompensation. Während der Halbschritt-phase wird bei der gerade aktiven Phase der Strom um den Faktor 1,4 erhöht (was thermisch erlaubt ist, da die andere Phase gerade ausgeschaltet ist). Durch diese Stromerhöhung können wir im Halbschrittbetrieb annähernd 95% Drehmoment des Vollschrittbetriebs erreichen.

Viertelschrittbetrieb und kleiner

Ähnlich wie im Halbschrittbetrieb ist der vektorielle Phasenstrom im Viertelschritt noch etwas kleiner und das resultierende Drehmoment liegt näherungsweise bei 55%, bei 1/8 Schritt bei 45% gegenüber dem Vollschrittbetrieb.
Bei den Nanotec Schrittmotorsteuerungen der Serie SMCI sowie bei allen neuen Plug & Drive Schrittmotoren sind sowohl beim Halbschrittbetrieb als auch bei den kleineren Mikroschrittbetrieben automatische Stromerhöhungen integriert. Dadurch wird annähernd (ca 95%) das gleiche Drehmoment wie beim Vollschrittbetrieb erreicht.
Alle Drehmomentkennlinien wurden im 1/4 Schrittmode aufgenommen mit Stromkompensierung.
Ein weiterer Vorteil: Im Mikroschritt wird allgemein weniger Energie benötigt, der Grund dafür liegt auch in der kleineren Restwelligkeit, die mit besserem Rundlauf Resonanzen weitestgehend vermeidet.

Die Drehmoment-Kennlinie des Schrittmotors zeigt das dynamische Drehmoment gegenüber der Drehzahl bzw. Schrittfrequenz. Die dynamische Charakteristik der Schrittmotoren hängt u.a. auch von den Faktoren wie der Art des Leistungstreibers und der Höhe der Versorgungsspannung ab.

Bei der Auslegung und Dimensionierung der Schrittmotoren müssen neben den Reib- und Trägheitsmomenten auch die Widerstandsmomente und vor allem das Beschleunigungsmoment berücksichtigt werden.

a) Reibung (Haft und Rollreibung) Es handelt sich um ein Moment, das der Drehung des Motors entgegenwirkt. Dieses Moment kann am besten mit dem Gewichts-System oder dem Haft- und Rollreibungs-System schematisiert werden.

b) Lastträgheit (auch Rotorträgheit) Diese tritt bei Positiv - oder Negativbeschleunigung auf. Bei kurzen Beschleunigungen und Verzögerungen müssen die entsprechenden Beschleunigungsmomente bzw. Verzögerungsmomente unbedingt berücksichtigt werden. Sie müssen unterhalb der Drehmomentkurve liegen.

c) Widerstandsmoment entsteht, wenn den a) und b) Momenten noch eine dritte Kraft oder ein drittes Moment entgegenwirkt. Sie tritt als Trockenreibung bei der normalen Bearbeitung (Metallbearbeitung wie Fräßen, Bohren, Hebel usw.) auf oder als Flüssigkeits- bzw. Luftreibung und wirkt dann zusätzlich proportional zur Drehzahl.

d) Einfache Drehmomentermittlung Neben der rechnerischen Ermittlung ist vor allem die Kraft- und Momentermittlung mittels Federwaage und Drehmomentmessuhr vom Vorteil, da sie den schlecht zu ermittelnden Reibungsfaktor berücksichtigt.

e) Leistungsermittlung Wenn Sie bereits einen Motor besitzen und nur dessen Leistungsdaten haben (Bsp.: 50 W), dann können Sie über die Formel Md = P / (n * ˜0,1); (n= Drehzahl in U/min, Md= Drehmoment in Nm)das erforderliche Drehmoment berechnen. Alternativ gilt: Md= P * z / 6.28 * f; (P = Leistung in W, z = Schritte/ Umdrehung, f = Frequenz in Hz)

Neben den ohmschen Verlusten nehmen vor allem die Ummagnetisierungs-Verluste bei steigenden Drehzahlen zu. Diese werden auch Eisenverluste genannt und steigen quadratisch mit der Frequenz an.

Werden die Motoren bei hohen Versorgungsspannungen betrieben, so kann relativ lange der Nennstrom in der Wicklung konstant gehalten werden. Somit bleibt die Drehmomentkennlinie ebenfalls ziemlich lange konstant und fällt erst weit später ab.

Bei mittleren Versorgungsspannungen (48-70 V) nimmt der Nennstrom früher ab, sodass sich die ohmschen Verluste durch die frühere Stromreduzierung und die quadratischen Eisenverluste ab einer gewissen Drehzahl kompensieren können. Dadurch werden die Motoren nicht übermäßig überhitzt, benötigen keinen zusätzlichen Kühlkörper und werden hinsichtlich der Lebenserwartung geschont.

Die Standard Nanotec Motoren der Serie ST haben die Isolationsklasse B = 130 °C. Diese Temperatur darf in den Wicklungen und in den Kugellagern nicht überschritten werden. (Bei der Serie SP bezieht sich die Temperatur auf die Isolationsklasse E = 120°C und auf Gleitlager).

Bei Verdacht auf eine zu hohe Temperatur ist zu empfehlen, die Oberfläche der Schrittmotoren mit einem geeigneten Temperatursensor zu messen, evtl. an verschiedenen Punkten, um je nach Abkühlfläche den ungünstigen Ort zu lokalisieren. Die Oberfläche des Schrittmotors sollte keinesfalls > 100°C sein, da sonst irreversible Schäden auftreten. Wie diese Temperatur erreicht wird, z.B. hohe Umgebungstemperatur und mittlerer Strom oder hoher Strom mit geringer Einschaltdauer, ist unerheblich.

Der Temperaturanstieg im Nennstrombetrieb beträgt bei Schrittmotoren 80 °C, das heißt, bei einer Umgebungstemperatur von 50°C wird die max. zulässige Motortemperatur von 130°C in der Wicklung/im Lager und im Dauerbetrieb erreicht.

Mit Hilfe einer zusätzlichen größeren Flanschfläche, nach Möglichkeit aus Aluminium (hat gegenüber Stahl eine um 4fach bessere Abkühlfähigkeit) erreicht man eine bessere Luft-Konvektion (oder sogar erzwungene Luftzirkulation mittels Lüfter) und somit eine bessere Motorkühlung. Dies ermöglicht eine höhere Leistungsausbeute der vorhandenen Motorgröße

Je geringer die Temperatur des Motors, desto höher ist die Lebenserwartung der Lager.

Jeder Schrittmotor stellt mit seinem Rotorträgheitsmoment und den magnetischen Haltekräften ein gedämpft schwingendes System mit geringer Eigendämpfung dar. Dadurch können Schwingungen angeregt werden, welche die eigentlichen Schrittbewegungen überlagern und es kann zu einem Drehmomentabfall, Schrittverlust oder sogar Drehrichtungswechsel kommen.

Man kann sich also Schrittmotoren ähnlich wie Synchronmotoren oder wie ein Feder-Schwingsystem vorstellen, in dem der Rotor dem Erregerfeld in engen Grenzen folgt. Je höher das Erregerfeld, desto höher die Steifigkeit und desto ausgeprägter sind die Schwingneigung und Eigenresonanzfrequenz.

In den Eigenresonanzen verliert der Rotor das Statordrehfeld bzw. die Synchronität und es stellt sich ein stärkerer Drehmomentverlust ein, sodass der Motor nach kurzer Zeit ausrastet, in der Regel auch nicht mehr einrasten kann und stehen bleibt. Wird nun ein Motor in der Nähe der Eigenresonanzfrequenz betrieben, so kann sich der Rotor „aufschaukeln“ bzw. aufschwingen und der Motor fällt außer Tritt. Resonanzen gehen einher mit einem starken Laufgeräusch.

Schrittmotoren sollten deshalb im Idealfall mit angeflanschter Last betrieben werden. Diese Grundlast, die einer Dämpfung entspricht, reicht oft schon aus, um sowohl einen resonanzärmeren Lauf als auch ein sicheren Frequenz-Hochlauf zu ermöglichen. In äußerst seltenen Fällen kann der Motor seine Synchronität in der nächsten Drehfeldphase wieder erlangen. Aaufgrund einer kurzen Überlast bzw. Überschwingen in pos. oder negativer Drehrichtung fällt der Rotor in die nächste stabile Drehfeldposition.

Da die Resonanz bei Schrittmotoren konstruktionsbedingt ist, lässt sie sich durch Anwendung spezieller Verfahren nur reduzieren oder teilweise eliminieren.

Mikroschrittbetrieb

Je kleiner der Mikroschritt, desto kleiner die Resonanzprobleme. Durch die kleineren Schrittwinkel reduziert sich auch der Überschwingwinkel und das System hat weniger ausgeprägte Resonanzstellen. Aus Erfahrung bringt der 1/8 Mikroschritt bereits einen relativ resonanzarmen Lauf mit sich, während sich über 1/32 Mikroschritt hinaus kaum noch eine Verbesserung ergibt. Sofern keine Stromkompensierung bei dem Mikroschritt-Treiber vorgesehen oder integriert ist, kommt es zu einer Drehmomentreduzierung des Motors, was sich bei manchen Applikationen als Nachteil erweisen kann.

Reduzierung des Phasenstroms

Je höher die Drehmomentreserve, desto höher die Resonanzanregung. Im Leerlauf ist deshalb die Resonanzanregung am stärksten und bringt daher beim Testen die größten Resonanzprobleme. Tests sollten aus diesem Grunde nach Möglichkeit in der Anwendung durchgeführt werden, da hier in der Regel Reibmomente vorhanden sind und somit das Gesamtsystem gedämpft wird. Die Phasenstromreduzierung verringert neben der Schwingneigung die Steifigkeit und muss, sofern keine Stromkompensierung im Treiber integriert ist, in der Positioniergenauigkeit berücksichtigt werden.

Veränderung der Schrittfrequenz

Die Grundresonanz der Schrittmotoren im Leerlauf ist bei ca. 70-100 Hz Vollschritt und tritt bei den Vielfachen bzw. Harmonischen der Grundresonanz mehr oder minder stark in Erscheinung. Wenn es der Prozess erlaubt, lässt sich die festgestellte Resonanzfrequenz am Einfachsten umgehen, indem Sie eine etwas höhere oder niedrigere Frequenz wählen, notfalls durch eine Zwischenschaltung eines Getriebes oder durch Veränderung des Untersetzungsverhältnisses. Geringe Abweichungen von den kritischen Schrittfrequenzen zeigen bereits gute Ergebnisse.

Erhöhung der Reibung

Generell wirkt die Reibung dämpfend auf das System und die Überschwingwinkel werden kleiner. Allerdings wird dadurch das Reservemoment verkleinert und der Wirkungsgrad verschlechtert.

Anbringen eines Dämpfers

Die von Nanotec angebotenen Dämpfer reduzieren den Überschwingwinkel und absorbieren die Schwingungsenergie. Die Resonanzfrequenzen werden dadurch stark reduziert, da auch die Geschwindigkeitsdifferenz zwischen dem schwingenden Rotor und der externen Masse reduziert wird. Auch die hohen Laufgeräusche reduzieren sich durch die Anbringung eines Dämpfers stark.

Rampensteilheit verändern

Bei einer relativ langsamen Motorbeschleunigung können Sie in der Hochlaufzeit evtl. wieder in Resonanzstellen gelangen, die das System unstabil machen. Eine steile Rampe hat dagegen weniger Stützstellen, durch die hohe Beschleunigung wird die Drehmomentreserve verringert und das System wirkt eher dämpfend.

Reduzierung der Schwingneigung

Neben der Reduzierung der Schwingneigung mittels Mikroschritt nimmt die Schwingungsgefahr mit abnehmender Versorgungsspannung aufgrund der kleineren Stromanstiegsgeschwindigkeit ab.

Wenn ein Schrittmotor richtig dimensioniert ist, bietet er ein absolut zuverlässiges Antriebselement. Werden Schrittmotoren allerdings überlastet, so geht die Zuordnung zur Sollposition bleibend verloren. Dieses Verhalten wird mit "Schrittversatz" bezeichnet und gilt als Nachteil des Schrittmotors, da aufgrund der offenen Steuerkette die Fehlposition nicht erkannt wird.

Ein zusätzliches Messsystem mit einem Drehgeber/Encoder vergleicht die gemessene Istposition mit der geforderten Sollposition. Etwaige Abweichungen werden erkannt und durch einen nachfolgenden Regelvorgang korrigiert.

Nanotec bietet äußerst kostengünstige und hochauflösende Encoder für eine Drehzahlüberwachung an. Die inkrementalen 2- und 3-Kanal-Encoder sind eine preiswerte Lösung mit dauerhafter Funktions- und hoher Messsicherheit. Die verfügbaren Geber haben eine kleine Bauform, geringe Massen, eine hohe Auflösung, eignen sich für einen großen Temperaturbereich und sind resistent gegen Schwingungsbeschleunigungen. Für einen einfachen nachträglichen Anbau besitzen alle Motoren mit einem zweiten Wellenende bereits entsprechende Montagebohrungen am rückseitigen Deckel.

Bei den Plug & Drive Motoren ist eine Drehzahlüberwachung mit automatischer Korrektur bereits integriert.

Die Schrittmotorsteuerungen der Serie SMCI verfügen über einen Encodereingang und können ein 5V TTL Signal auswerten.

Wird ein direktes Messsystem an der Maschine installiert, so werden im Rahmen der Messgenauigkeit Fehler und Nichtlinearitäten der Mechanik ebenfalls ausgeglichen.

Das Verfahren wird auch als Sinuskommutierung über Encoder mit feldorientierter Regelung bezeichnet. Über Signale des Encoders wird die Rotorlage erfasst und es werden in den Motorwicklungen sinusförmige Phasenströme erzeugt. Durch die Vektorregelung des Magnetfelds ist gewährleistet, dass das Statormagnetfeld immer senkrecht zum Rotormagnetfeld steht und die Feldstärke genau dem gewünschten Drehmoment entspricht. Der in den Wicklungen so gesteuerte Strom sorgt für eine gleichmäßige Motorkraft und führt so zu einem besonders ruhig laufenden Motor, der sich genau regeln lässt.
Die Steuerungen der Serie SMCI sowie die Plug & Drive Motoren besitzen bereits eine integrierte ClosedLoop Funktion und können bei einem Schrittverlust diese am Ende der Positionsfahrt automatisch ausgleichen.
Für den ClosedLoop Betrieb muss den SMCI Steuerungen ein 3-Kanal Encoder bzw. Drehgeber mit min. 500 Imp./Umdr. montiert werden, während dieser bei den Plug & Drive Motoren bereits integriert werden kann.
Unsere Steuerungen integrieren auch einen dynamischen Closed Loop und können nicht nur während der Fahrt Schrittwinkelfehler kompensieren sondern Lastwinkelfehler innerhalb eines Vollschrittes korrigieren und nachführen.
Die Schrittmotoren erreichen somit eine ähnlich dynamisches Verhalten (bis etwa 2000 U/min) wie die hoch dynamischen Servomotoren.

Neben der hohen Dynamik erreichen sie auch höhere Drehzahlen und haben keine Resonanzstellen im kleinen Drehzahlbereich. Sie sind wesentlich geräuschärmer (noiseless) und effizienter, da sie mit weniger Strom gleiche Leistung erbringen und dabei wesentlich kühler bleiben und schließlich Energiesourcen reduziert.

Wenn Sie weitere Fragen zu unserem ClosedLoop System haben, sprechen Sie uns an: Kontakt.

Nein, denn beim Öffnen des Schrittmotors berühren sich Rotor mit Stator und die Magnetisierung verringert sich. Das bedeutet, das Drehmoment des Motors nimmt deutlich ab. Dies betrifft vor allem Magnete mit kleinerer Koerzitivfeldstärke wie Alnico Magnete, die leicht aus ihrem optimalen Arbeitspunkt in ihrer nichtlinearen Magnetisierungskurve verschoben werden und dadurch eine schwächere Magnetisierungskennlinie durchlaufen. Während die eher hochwertigen N-Magnete ohne passende Werkzeuge und schon bei leicht unsachgemäßer Handhabung sehr leicht splittern oder einen leichten Sprung bekommen und daher dauerhaft einen magnetischen Schaden erleiden können.

Die Motorleitung sollte nicht verlängert oder länger als 25 m sein und muss einen Mindestquerschnitt entsprechend der Strombelastungstabelle haben. Längere Anschlussleitungen können das Haltemoment bzw. das Drehmoment vor allem auch bei höheren Geschwindigkeiten oder Drehzahlen negativ beeinflussen. Durch die größere Stromanstiegszeitkonstante τ = L / RM * RL sinkt die Stromzeitfläche und proportional dazu das Drehmoment.
Das Kabel sollte abgeschirmt und nach Möglichkeit paarig verdrillt sein. Der Schirm wird an der PE-Klemme der Schrittmotoransteuerung angeschlossen. Es ist auf eine gute Verbindung der Motorleitung zu achten.
Nanotec bietet ein umfangreiches Sortiment an kundenspezifischen Kabel-Konfektionierungen an.

Entstörmaßnahmen sollten möglichst direkt an der Störquelle durchgeführt werden, um eine unkontrollierte Ausbreitung der elektromagnetischen Störungen durch galvanische, induktive und kapazitive Kopplung (auch Kopplung zwischen parallel verlaufende Leitungen) zu verhindern. Es gibt eine Reihe von Maßnahmen, um die Störaussendung zu minimieren.

Eine Möglichkeit sind unterschiedliche Schirmausführungen:

Leitungsschirme mit nicht-magnetischen Folien oder Geflechten:

• die Höhe oder Stärke des Geflechts ist proportional zu dem wirksamen Folienquerschnitt

Einseitige Abschirmung:

• hier muss auf ausreichende Stromtragfähigkeit geachtet werden – Schirm dort erden, wo die Elektronik am empfindlichsten ist

Beidseitig Abschirmung:

• wird eingesetzt, wo magnetische Wechselfelder Störungen ausstrahlen

Eine im Schirm induzierte Spannung führt zu einem Strom, der wiederum ein eigenes, der ursprünglichen Ursache entgegengerichtetes Magnetfeld aufbaut. Die verbleibende induzierte Wirkung auf die Leitungen wird im Schirm reduziert.

Eine beidseitige Erdung des Schirmes birgt auch Nachteile. Sie lässt zwangsläufig zu, dass bei Potentialdifferenzen zwischen Anfang und Ende der Leitung Teilströme über den Schirm fließen. Die Erdschleifen reduzieren somit die eigentliche Schirmwirkung. Ferner können Einkoppelungen aus dem Energieverteilernetz oder Blitzversorgungnetze zu Überlastungen des Schirms führen.

Bei höher frequenten magnetischen Einkoppelungen kann eine Seite direkt, die andere über einen Kondensator geerdet werden. Netzfrequente Ströme werden gesperrt und höhere Frequenzen werden kompensiert. Typischerweise werden verlustarme Keramik-Kondensatoren von 10 – 100 nF verwendet.

Eine Änderung der Drehrichtung erfolgt durch Tauschen zweier Motor-Anschlussleitungen z. B. Phase A zu A' und A' zu A. Generell ändert sich die Drehrichtung durch ein High- oder Low-Signal über die Richtungseingänge der Nanotec Steuerungen.

Schrittmotoren sind digital gesteuerte und geregelte Antriebe. Der Wandel von der Analog- zur Digitaltechnik, die aktuellen Softwarelösungen sowie der günstige Preis bei gleichzeitig höchster Lebensdauer und geringem Steuerungsaufwand sind Gründe für ihre hohe Akzeptanz und ihre weite Verbreitung.

a) PC+SPS fähig (direkt über PC, SPS und Mikroprozessor steuerbar).

Durch die Nutzung des PCs bereits in der untersten dezentralen Maschinenebene haben die Plug & Drive Motoren die höchsten Produktivitätszuwächse. Nanotec war weltweit der erste Anbieter, der die Forderung eines kompakten effizienten und wirtschaftlichen Antriebssystems mit einem industrietauglichen Plug & Drive Motor erfüllte. Der Entwicklungs-, Verdrahtungs- und Montageaufwand einer kompl. Antriebseinheit wurde nicht nur drastisch reduziert, die EMV-Verträglichkeit und Maschinenverfügbarkeit verbessert, auch die Inbetriebnahme sowie der Service wurden erheblich vereinfacht. Wir entwickeln kontinuierlich weitere Optionen für kundenspezifische Anforderungen. Daraus entwickeln sich ständig neue und enge Partnerschaften zum Vorteil eines besseren und günstigeren Endprodukts.

b) Drehzahl-Stabilität

“Kein Drehzahleinbruch bei Lastschwankung” - diese Forderung erfüllt der Schrittmotor ohne Mehraufwand wie kein anderer Motor. Gerade bei präzisen Drehzahl-, Gleichlauf- oder Verhältnisregelungen (z. B. bei Präzisions- Dosierpumpen) kann der Schrittmotor durch die digitale Verarbeitung höhere und feinere Auflösungen erreichen. Die bessere Regel-, Prozess- und Oberflächengüte ist dabei nicht nur ein theoretischer Vorteil.

c) Direkt-Antrieb

Schrittmotoren haben im unteren Drehzahlbereich das höchste Drehmoment und ermöglichen mit den Nanotec Mikroschritt-Treibern noch akzeptable Rundlauf-Eigenschaften bis ca. 2 U/min. Andere Motoren benötigen hierzu oft ein Getriebe, um die geforderten Drehzahl- und Kraftanforderungen zu erfüllen. Direkt-Antriebe reduzieren die Systemkosten und erhöhen gleichzeitig die Betriebssicherheit und Lebenserwartung. Bei reduziertem Platzbedarf sowie bei hohen externe Trägheitsmomenten sind natürlich Getriebe zur Leistungs- und Kraftanpassung unerlässlich.

d) Vermeidung von Maschinenschäden und Verletzungen

Der manchmal erwähnte Nachteil des "außer Tritt Fallens" bei einer Motorblockierung ist in einigen Fällen sogar ein Vorteil, wenn es um die stetig steigenden Sicherheitsanforderungen geht. Rutsch- und Überlastkupplungen werden bei vorgeschriebenen Sicherheitsbestimmungen in Verbindung mit Schrittmotoren normalerweise nicht benötigt.

e) Positioniergenaugkeit

Infolge des kleinen Schrittwinkels haben Schrittmotoren neben dem geringsten Nachlauf auch das kleinste Einschwingverhalten. Bereits ohne externe Weg- oder Winkelgeber erfüllen Schrittmotoren hervorragende Drehzahl- und Posititionieraufgaben. Die Genauigkeit bzw. Auflösung lässt sich mit den Nanotec Leistungsendstufen durch die Mikroschrittumschaltung ohne Mehraufwand sogar noch erhöhen. Alle Nanotec Schrittmotoren sind mit preisgünstigen Encodern für Schrittverlust- und Blockiererkennung sowie für Closed-Loop Anwendungen erhältlich.

f) Hohe Steifigkeit ohne Bremse

Schrittmotoren haben das höchste Haltemoment während des Stillstands und bieten somit auch eine hohe Systemsteifigkeit. Durch diese Fähigkeit kann eine externe Bremse entfallen, es sei denn für die Z-Achse ist eine Sicherheitsbremse erforderlich. Auch beim normalen Halten kann der Schrittmotor von Vorteil sein. Wenn ein Servomotor stillstehen soll, muss die Regelung auf vollen Touren arbeiten. Der geregelte Antrieb pendelt mit einem winzigen Hin und Her um die eingestellte Null- Lage. Bei den meisten Anwendungen fällt das nicht ins Gewicht. Beim Positionieren eines Spiegels aber, der für eine messtechnische Aufgabe z.B. einen Laserstrahl umlenkt, kann dieses Pendeln schnell stören. Dagegen würde der Schrittmotor hier einfach seine Position anfahren und stillhalten.

g) Hohe Dynamik

Aufgrund der hohen Polzahl, der kleinen Rotormasse sowie des kleinen Luftspalts erreichen Schrittmotoren vor allem in Verbindung mit der neuen dynamischen Closed Loop Steuerung SMCI .. sowie den Plug & Dive Motoren PD6.. bis zu einer Drehzahl von ca. 2000 U/min eine höhere Dynamik und Winkelbeschleunigung als Servomotoren. Dies wirkt sich vor allem dort vorteilhaft aus, wo kleine Distanzen und Bewegungen positioniert oder ultraschnell reserviert werden müssen und dabei gleichzeitig eine äußerst kleine Einschwingzeit bzw. ein kleines Einschwingverhalten aufweisen, wie es bei der Halbleitertechnik, Optik oder auch bei Textilmaschinen und Prüfmaschinen erforderlich ist.

h) Leichte Ansteuerbarkeit

Antriebslösungen mittels Schrittmotoren können sehr einfach und preisgünstig realisiert werden, da sie im offenen Regelkreis, also ohne externen Drehgeber arbeiten. Neben dem Motor ist die Leistungselektronik (Treiber) und ein passendes Netzteil erforderlich. Die Drehzahl oder Position kann ein externer Taktgeber (SPS, PC oder einfacher RC Oszillator) übernehmen. Mit einer kleinen Zusatzplatine könnte der Takt sogar über einen Analogeingang (0-10V, 0-5V oder +/-10V) oder über ein Potentiometer vorgeben werden und wäre damit ähnlich wie ein BLDC Motor steuerbar.

Oft kommen Anfragen, wo nur ein gut gelagerter Drehteller (z. B. 5 kg, Durchmesser 30 cm) gedreht werden muss und nur die Maße, das Gewicht sowie die geforderte Dynamik bekannt sind.

Zuerst muss das Trägheitsmoment der Masse berechnet werden, für einen Vollzylinder (Formel J = m * r²), der um die Symmetrieachse rotiert gilt: (J [kg*m^2], m [kg], r [m]) = 0,056 kgm^2 = 562.500 gcm^2

Das Trägheitsmoment kann dann theoretisch mit ([rad/s^2]) berechnet werden. Z. B. der Teller soll in 1 s genau um 360° positionieren. Die Durchschnittsdrehzahl ist dann 1 U/s, es wird zuerst in 0,5 s auf f = 2 U/s beschleunigt und dann in 0,5 s wieder auf 0 abgebremst (Dreieckprofil). Für die Winkelbeschleunigung gilt dann: 25 rad/s^2 => M = 1,4 Nm.

Aber Vorsicht:

Das Problem hier ist die Beschleunigung. Da der SM nicht bei 0 anfängt, sondern mit einer Startdrehzahl (die oft recht hoch gewählt werden muss, um Resonanzen zu vermeiden), ist die wahre Beschleunigung deutlich höher als die hier berechnete. Da dies aber schwer zu berechnen/messen ist (man müsste das Encodersignal auswerten) geschieht die Motorauswahl bei bekanntem externen Trägheitsmoment mit folgender Faustformel.

Es muss also ein Motor gewählt werden, dessen Rotor mindestens 1/20-tel des externen Trägheitsmoments besitzt, hier 28125 gcm^2 (Jred = Jex / i2). In diesem Fall muss ein Getriebe verwendet werden, welches das externe Trägheitsmoment quadratisch mit der Untersetzung reduziert: Ein Getriebe mit 10:1 ergibt somit einen Reduktionsfaktor von 100 auf hier 281 gcm^2 (Jm vom ST59.. beträgt ..). Damit passt die Kombination ST5818M2008 + GPLE40-2S-12.

Durch das Getriebe ist natürlich auch die max. Drehzahl begrenzt, was berücksichtigt werden muss, in diesem Fall aber kein Problem darstellt.

Gerade bei höheren Drehzahlen (je nach Motorwicklung ab ca. 300-500 U/min) wirkt sich eine zu niedrige Motorspannung nachteilig auf die Feldschwächung aus, was dazu führt, dass das Drehmoment proportional zur fehlenden Spannung zurückgeht. Aus dieser Sicht sind getaktete Netzgeräte wie die NTS-.. von Vorteil, da sie die Spannung bis zum Nennstrom konstant halten und Spannungseinbrüche schnell kompensieren.

In einem geschlossenen mechanischen System bleibt aus Gründen des Energieerhaltungsgesetztes die Summe von potentieller und kinetischer Energie immer gleich und lässt sich nicht aus den Gesetzmäßigkeiten der Physik herleiten.
Es wurde durch physikalische Befunde immer wieder bestätigt, wie wir es hier auch z.B. mit dem Motor ST5918M3008 glaubhaft wieder geben können.
Das Externe Drehmoment bleibt jeweils bei 24V und 48V mit 0,65 Nm gleich und zwar bei einer Drehzahl 1000 U/min. Die Leistungsabgabe beträgt P2 = Md * n * 3,14/30 = 0,65 Nm * 1000 * 3,14/30 = 68W, egal ob eine Versorgungsspannung 24V oder 48V die Leistungstreiber und den Motor versorgt. Während der Strom bei 48V = P = U / I = I = P / U = 68W / 48V = 1,4 A beträgt steigt der Strom bei 24V = 68W / 24V auf 2,8A an.
Die Verlustleistung (Unetz * Inetz = Pbewegung + Pv) vom Motor, Treiber und Netzgerät wurde dabei nicht berücksichtigt, da sie ohnehin grob nur bei max. 10% liegt und somit die generelle Aussage nicht verändert.

Diese Angabe bezieht sich nur auf den Konstantspannungsbetrieb, der eigentlich heutzutage aufgrund der günstigen und wesentlich effizienteren Konstantstrom Treiber wie IMT901 oder SMC(I) kaum noch eingesetzt wird.
Beim Anlegen dieser Typenschild Spannung stellt sich nach einer endlichen Zeit (i = U / R (1 – e^(-τ(L/R)) der Nennstrom (I= U/R) -und damit auch das Drehmoment- ein.
Um den Effekt des langsamen Stromanstiegs zu reduzieren, werden heute die Motoren über modernen Konstantstrom gesteuerte Ansteuerungen mit weit höheren Spannungen betrieben, um höhere Drehmomente auch bei höheren Drehzahlen zu erreichen.

Die Angabe des Nennstromes ist dagegen eine sehr wichtige Kenngröße, da das Drehmoment zum Strom ist und somit eine feste Größe zum Drehmoment darstellt. Der Strom gibt außerdem die max. Verlustleistung des Motors (P = I² * R) an und sollte bei einer Einschaltdauer von 100% nicht überschritten werden.

Die max. mögliche Start/Stopp Frequenz hängt einmal von der Reibbelastung bzw. dem Reibmoment, aber vor allem von den externen trägen Massen ab und ist bei Leerlauf des Motors in der Drehmomentkennlinie mit fs angegeben.
Legt man eine Gerade zwischen fs und max. Drehmoment, so kann man ganz grob im ersten Ansatz die mögliche Start/Stopp Drehzahl am Schnittpunkt von Drehmoment und Geraden finden, wobei das Beschleunigungsmoment Ma = J * a zum Reibmoment addiert werden muss.
Die Aufnahme der wirklichen Start/Stopp Kennlinie kann nur durch aufwendige Messergebnisse mit unterschiedlichen externen trägen Massen aufgenommen werden, die dann als Kennlinienschar in die Drehmomentkennlinie als Parameter eintragen werden. Da auf der anderen Seite die exakten Schwungmomente am Projektbeginn oft noch nicht vorliegen, können wir in unserem Labor mit unterschiedlichen trägen Massen die möglichen Startfrequenzen experimentell ermitteln.

Das max. Beschleunigungsverhalten des Motors wird in erster Line von der Drehmomentreserve im gewünschten Arbeitspunkt, aber auch von den externen trägen Massen sowie dem Rotor-Schwungmoment des Motors bestimmt.
Die kürzeste Hochlauframpe ist die exponentielle Beschleunigung mit einer anfänglich sehr hohen und dann asymptotisch auf seinen max. Wert einlaufende Rampe.
Die am meisten verwendete Rampe ist jedoch die lineare Rampe, da sie relativ einfach zu programmieren oder über einen OPV einstellbar ist. Die Dynamik bei der linearen Rampe ist jedoch nicht wesentlich länger als bei der e-Funktion und spielt bei größeren Verfahrwegen eher eine untergeordnete Rolle. Wenn jedoch kürzestmögliche Stellwege und Stellzeiten gefordert sind und der Maschinentakt für die Produktivität der Maschine wesentlich ist, sollten Beschleunigungsänderungen während der Rampe durchgeführt und programmiert werden. Dabei sollten die höchsten Frequenzsprünge beim Anlauf und die kleinsten an der max. möglichen Frequenz liegen.
Zwischen Hochlauf- und Bremsrampe sollten ca. 5-10 Schritte mit konstanter Frequenz gefahren werden. Sonst tritt die die doppelte Drehzahländerung auf, was den Motor dynamisch überfordert und wobei Schritte verloren gehen.

Neben der linearen, exponentiellen Rampe unterstützt Nanotec auch die S-Rampe, die vor allem durch ruckfreies Beschleunigen und sanftes Verzögern einen schonender Transport sichergestellt und typische Lastpendelungen vermeidet. Die Vorteile der S-Rampes sind ihre weiche und optimale Bewegungsführung. Für verschiedenste Verfahrensprozesse wie die Regelung der konstanten Zugspannung beim Aufwickeln und Abwickeln ist die S-Rampe besonders geeignet, sie verursacht weniger Verschleiß an unterschiedlichen Maschinenteilen, wie Getriebe, Kurvenscheiben.

Die Schrittzahl pro Umdrehung eines Schrittmotors setzt sich aus der Anzahl der Polpaare und der Phasen- bzw. Statorwicklungen zusammen. z = p * m. Der Rotor der 2 Phasen Hybrid Schrittmotoren besteht aus 50 weichmagnetischen Zähnen, die jeweils durch den dazwischen liegenden Magneten einen Nord- und Südpol bilden, während die 2 Phasen auf die vier Wicklungen A + A/ sowie B + B/ der jeweils um 90° versetzten Polschuhe gewickelt werden.
Sehen Sie hierzu auch die Animation.
Ein weiteres Merkmal ist der Schrittwinkel für einen Vollschritt des Schrittmotors. a = 360° / z oder a = 360° / p * m . Für die Schrittmotor-Baureihen STxx18.. beträgt die Schrittanzahl/Umdrehung, also z = p * m = 50*4 = 200 Schritte während der Schrittwinkel für die Baureihe STxx09 = a = 360° / p * m = 360° / 100 * 4 = 0,9°/Schritt ist.

Es gibt drei spezifische Ausführungen von Schrittmotoren:

I. Reluktanz-Motoren

II. Permanentmagnet-Motoren

III. Hybrid-Motoren

Nanotec bietet neben den Permanentmagnet-Motoren im Low-cost Bereich vorwiegend Hybrid-Motoren an. Diese kombinieren die Vorteile von Reluktanz und Permanentmagnet-Motoren. Sie haben eine hohe Schrittauflösung, eine hohe Wiederholgenauigkeit sowie ein ausgezeichnetes Halte- und Nenndrehmoment bis zu hohen Drehzahlen.

Bei kleineren Frequenzen oder Drehzahlen ist das Resonanzverhalten noch sehr stark ausgeprägt, während die EMK proportional zur Drehzahl ansteigt und folglich der Strom immer kleiner wird (I = (UV – UEMK) / R) und dadurch das Drehmoment stark abfällt.
Die fehlende Drehmomentreserve führt in beiden Fällen dazu, dass eine kurze Lasterhöhung oder kleine Drehmomentspitze den Motor Schritte verlieren oder außer Tritt fallen lässt bzw. dieser möglicherweise zum Stehen kommt. Abhilfe kann eine höhere Versorgungsspannung schaffen, oder auf der anderen Seite ein Motor, der bei gleichem Drehmoment einen kleineren Wicklungswiderstand bzw. kleinere Induktivität aufweist.

Was Sie gegen Resonazen machen können erfahren Sie hier

Das Drehmoment ist direkt proportional zum Strom (P = I² / R) oder erzeugten Magnetfluss, sofern die Magnetisierung im linearen Bereich der Magnetisierungskennlinie liegt, also noch nicht in die Sättigung übergeht. Das bedeutet: Wird der Strom verdoppelt, vervierfacht sich die Leistung. (Beispiel ST4118L1206-1W = 0,6A² * 3,1 = 1,11W, bei Nennstrom = 1,2A² * 3,1 = 4,44W ) Da die Spannung den Strom durch die Wicklung „treiben“ muss (P = U / R), um einen Stromfluss zu erzeugen und die elektrische Leistung auch P = U * I bzw. P = U * (U / R) = U² / R ist, wächst die Leistung bzw. das Drehmoment (P = Md * n = P / n(konstant) = Md) ebenfalls proportional zur Spannung. Das bedeutet: Wird die Spannung verdoppelt, vervierfacht sich die Leistung. (Beispiel ST4118L1206-1W = 1,855V² / 3,1 = 1,11W, bei Nennspannung = 3,71V² / 3,1 = 4,44W).

Dies trifft bei einer Konstantspannungs-Ansteuerung zu, solange der Strom mit der Spannung ansteigen kann und nicht durch die Impedanz (Wurzel aus R² + X²) reduziert wird. Hier ist bei Spannungen, die größer sind als die Motorspannung, aber immer ein Vorwiderstand zur Strombegrenzung vorzuschalten. Bei der Konstantstrom-Ansteuerung kann der Strom bis zu seinem Drehmomenten-Knickpunkt konstant gehalten werden. In diesem Bereich haben wir nur eine proportionale Zunahme der Leistung, während das Drehmoment konstant bleibt. Erst weit oberhalb vom Drehmomentknick fällt (Nennstrom fällt aufgrund der steigenden Gegen-EMK, der größer werdenden Impedanz proportional zur Drehzahl asymptotisch ab) das Drehmoment spez. bei 24V stark ab. Erst hier setzt dann die proportionale Zunahme der Leistung bzw. des Drehmoments von der Spannung ein. (Beispiel ST5918M3008–P = bei ca. 500 U/min beträgt das Drehmoment bei 24V und auch bei 48V jeweils ca. 0,9Nm. Während bei 1000 U/min und 24V die Leistung bei = 0,65Nm * 1000 U/min * 3,14/30 bei = 68W liegt, beträgt die Leistung bei 48V und 2000 U/min = 0,65Nm * 2000 U/min * 3,14/30 bei = 136W.) Man kann also mit proportional höherer Spannung die Leistung entsprechend steigern. Das Problem ist nur, dass die Wirbelstromverluste und damit auch die Verlustleistung quadratisch mit der Drehzahl zunehmen und aufgrund der Temperaturzunahme der Spannungserhöhung Grenzen gesetzt sind.

Bei dspDrive handelt es sich um eine softwarebasierte Stromregelung. In der neuesten Generation der Nanotec-Hardware wird der Strom im Motor nicht mehr durch einen integrierten Baustein, sondern direkt durch einen digitalen Signalprozessor geregelt.
Gegenüber handelsüblichen ICs, die sowohl die Strommessung in der Wicklung als auch die Vorgabe des Sollstroms nur mit 6 oder 8 Bit auflösen, kann mit dem neuen dspDrive die gesamte Regelung mit einer Auflösung von 12 Bit durchgeführt werden. Die Parameter des PI-Stromreglers können sowohl an den Motor als auch drehzahlabhängig vom Benutzer angepasst werden.
Dies hat folgende Vorteile in der Anwendung:
Sehr ruhiger, resonanzarmer Lauf mit sinusförmigem Stromverlauf in den Wicklungen. Durch die hohe Auflösung der Regelung kommt es nicht mehr zu Stufen und Rauschen, was den Motor zu Resonanzen anregt.
Sehr gute Schrittwinkelgenauigkeit und Gleichlauf auch im Open-Loop-Betrieb.
Durch die direkte Ansteuerung der Halbbrücken mit dem digitalen Signalprozessor können nun neben 2-Phasen- auch 3-Phasen-Schrittmotoren und BLDC-Motoren angesteuert werden.

Anstatt wie bei herkömmlichen Schrittmotorsteuerungen den Motor nur anzusteuern oder die Position über den Encoder nachzuregeln, wird bei der Sinuskommutierung das Statormagnetfeld wie bei einem Servomotor über den Drehgeber geregelt. Der Schrittmotor verhält sich in dieser Betriebsart nicht anders als ein hochpoliger Servomotor, d.h. die klassischen Schrittmotorgeräusche und Resonanzen verschwinden, der Motor kann bis zu seinem maximalen Drehmoment keine Schritte mehr verlieren. Durch die Regelung wird auch die Stromhöhe immer an das aktuell benötigte Drehmoment angepasst, so dass Stromverbrauch und Wärmeentwicklung gegenüber einer klassischen Schrittmotorsteuerung erheblich reduziert werden, wenn das maximale Drehmoment nicht dauerhaft benötigt wird. Insbesondere bei Drehzahlen bis 1500 U/min bzw. Drehmomenten bis 10 Nm ist der sinuskommutierte Schrittmotor eine kostengünstige Alternative zu herkömmlichen Servosystemen, da im Gegensatz zu diesen oft ein Direktantrieb ohne Getriebe möglich ist.

Diese Funktion wird standardmäßig von den Steuerungen SMCI 32, SMCI 47 sowie in den PD-I Motoren der Plug&Drive-Serie unterstützt. Werden andere Steuerungen eingesetzt, so ist dies nur möglich, wenn eine übergeordnete SPS die Auswertung des 5 V TTL Pegels des Encoders übernimmt und entsprechend den Takt des Clock-Eingangs nachregelt.

Da das Haltemoment höher ist als das Drehmoment kann man bereits mit niedrigerem Strom ein gleich großes Haltemoment erreichen.

Im Stillstand ist bei manchen Anwendungen zudem oft nur ein Bruchteil des Drehmoments erforderlich, sodass ein vermindertes Haltemoment völlig ausreichend ist. Da die Verlustleistung quadratisch zum Strom ist, reduziert sich diese bei einer Stromabsenkung von 25% bereits auf ca. 50%.
Beispiel am Motor ST4118M1404: Verlustleistung Pv = I2 * R = 1.42 * 1.2 = 2.35 W, bei einer Stromabsenkung von 25% Pv = I2 * R = 1.052 * 1.2= 1.32 W = 56%

Diese Reduzierung bringt nicht nur Vorteile im Energiehaushalt, sondern verringert auch die mittlere Temperatur des Treibers sowie des Motors. Durch die Temperaturverringerung kann letztlich eine noch höhere Lebenserwartung der Komponenten erzielt werden.

Alle Nanotec-Treiber haben eine automatische bzw einstellbare Stromabsenkung integriert und reduzieren somit erheblich die Verlustleistung bei Motorstillstand.

Die Positionierung dient dazu, den Schrittmotor zu einer gewünschten Zielposition zu drehen. Dies geschieht entweder, indem der Schrittmotor mit der Start/Stopp-Frequenz gestartet, und wenn er in der Zielposition angekommen ist, gestoppt wird, oder bei höheren Stellgeschwindigkeiten ebenfalls mit der Start/Stopp-Frequenz-gestartet und dann über eine Frequenzrampe zur max. Frequenz beschleunigt wird. Befindet sich der Schrittmotor kurz vor dem Ziel, wird er über eine Frequenzrampe bis zur Start/Stopp-Frequenz abgebremst und an der gewünschten Position gestoppt.

Beim Abbremsen oder Stoppen wirkt ein Schrittmotor wie ein Generator und gibt Energie an das Netzteil ab, sodass die Netzteilspannung ansteigt. Aufgrund der maximal zulässigen Spannung der verwendeten Transistoren und Bauelemente im Leistungstreiber kann die Bremsenergie bzw. der Spannungsanstieg die Bauteile im Leistungstreiber beschädigen. Ein groß dimensionierter Kondensator mit entsprechender Spannungsfestigkeit kann dagegen diese Bremsenergie für eine gewisse Zeit aufnehmen und so die Spannung begrenzen.

Neben dem Ladekondensator wird zum Teil auch eine aktive Ballastschaltung verwendet, die die überschüssige Energie in Wärme umsetzt und somit ebenso den Spannungsanstieg begrenzt. In den PDx-I Motoren ist der Kondensator bereits integriert.

Die aktive Ballastschaltung ist gegen schnelle Spannungsspikes wesentlich wirksamer als die Ladekondensatoren, da sie ebenso schnell reagiert und vor allem unabhängig von der gerade verfügbaren Speicherfähigkeit der Kondensatoren arbeitet. Ladekondensatoren sind aber auf alle Fälle notwendig, da sie nahezu verlustfrei die Energie auf- und abgeben können, während die aktive Ballastschaltung einen ergänzenden schnellen Überspannungsschutz darstellt.

Soll der Rotor auch im Stillstand seine Position beibehalten, so muss der Schrittmotor angesteuert/ bestromt bleiben. Nanotec Steuerungen verfügen über einen Enable-Eingang, womit der Treiber deaktiviert und der Motor stromlos wird. Der Motor rastet dann in die nächste stabile Stator-Rotor-Position ein, das heißt er kann maximal zwei Vollschritte vor- oder zurückspringen. Beim Wiedereinschalten wird das gleiche Schrittmuster aktiviert und der Rotor wird über die Transistoren wieder in die gleiche Phasenlage gezogen. Bei ganz abgeschalteter Spannung kann der Motor beim Wiedereinschalten seine endgültige Position verlieren, da er sowohl zwei Vollschritte vorwärts oder rückwärts einrasten kann.

Da das Drehmoment und die aufgenommene Leistung des Schrittmotors im Stillstand ein Maximum erreichen, ist bei längeren Stillstandzeiten eine Stromabsenkung empfehlenswert.

Hybrid-Schrittmotoren verfügen über ein relativ hohes Rastmoment/Selbsthaltemoment, sodass der Motor auch im Stillstand eine Bremswirkung hat, wenn das Lastmoment nicht größer als das Selbsthaltemoment ist.

Zur Schrittmotorauswahl werden die maximale Drehzahl und das maximale Drehmoment benötigt, idealerweise auch die Kennlinie, die aber nur selten verfügbar ist.

Bei Schrittmotoren wird die mechanische Leistung in W normalerweise nicht angegeben, in vielen Fällen ist es aber für eine erste Abschätzung, welche Baureihe in Frage kommt, durchaus sinnvoll.

Beispielrechnung:

Drehmoment 10 Nm bei 200 rpm
P = Md (Nm) * n (U/min) * π / 30
oder etwas gröber und sehr einfach P = Md * n * 0,1 (P [W], M [Nm], f [U/s] = 209 W (M [Nm], n [rpm])= 10 * 200 * 0,1 = 200 W (hier kommt also nur ein Motor der ST8918-Baureihe in Frage)

Mit der Näherungsformel kann man die Leistung praktisch direkt aus der Kennlinie ablesen, ohne einen großen Fehler zu machen.

Die Leistung des Schrittmotors steigt bis zur Knickdrehzahl an und bleibt dann bei höheren Drehzahlen relativ konstant, da das Moment in etwa linear mit steigender Drehzahl fällt.

Dies hängt stark von der jeweiligen Drehzahl und vor allem auch dem geforderten Drehzahlbereich ab. Ist nur eine niedrige/hohe Drehzahl notwendig, so passt die Regel höchstmöglicher/kleinstmöglicher Mikroschritt, da bei kleinen Drehzahlen weitgehend die Resonanzen und Geräusche reduziert werden. Hier sollte jedoch im Treiber eine Stromkompensation integriert sein, um ein annähernd gleiches Drehmoment zu erreichen, während bei hohen Drehzahlen oft Halbschritt oder sogar Vollschritt ausreicht, um einmal den Strom noch in die Wicklung zu bekommen und um den externen Taktgeber nicht übermäßig auszulasten.
Bei einer Anwendung für einen größeren Drehzahlbereich ist es oft sinnvoll, wenn der Treiber wie bei den SMCI-Steuerungen eine adaptive Frequenzumschaltung ermöglicht, um für alle vorkommenden Drehzahlen ein optimales und geräuscharmes Laufverhalten zu erreichen. Sollte nur ein einfacher Treiber zur Verfügung stehen, so ist oft der Halbschritt ein guter Kompromiss, da sich die Resonanzen gegenüber dem Vollschritt bereits um ein Vielfaches reduzieren.

Die Verlockungen sind oft unwiderstehlich, einen Schrittmotor-Treiber zu kaufen, der eine möglichst hohe Mikroschritteinstellung ermöglicht, um dadurch eine hohe Auflösung und somit auch eine hohe Genauigkeit zu erreichen. Die Ernüchterung folgt, wenn man z.B. einen Treiber mit einer Auflösung von 1/128 (entspricht rechn. bei einem 1,8° Schrittmotor = 0,0140625° / Schritt = 25600 Schritte/U) bestellt und dann im Test hinsichtlich Genauigkeit einen starken Rückschlag erleidet.
Maßgeblich ist die Drehmomentreserve im Mikroschritt zum aktuellen Lastwinkel oder zur aktuellen Position (je kleiner die Drehmomentreserve desto größer die Abweichung im Mikroschritt). Ohne Mikroschritt-Stromkompensation reduziert sich das Haltemoment bzw. die Drehmomentreserve gegenüber dem Vollschritt 1/1=100%, dem Halbschritt ½=70,7% und dem Viertelschritt ¼=38%, 1/8=19,5%, 1/16=10%, 1/32=5%, 1/64=2,5%, 1/128=1,25%.

Das heißt, bei einem Mikroschritt von 1/64 bzw. 1/128 ändert sich der Strom nur um 2,5% bzw. 1,25% vom Nennstrom. Diese kleine Stromänderung bewirkt ohne Stromkompensation kaum eine Winkelveränderung an der Motorwelle, da schon die Polfühligkeit (statisches Haltemoment) größer ist als die vom Differenzstrom herbeigeführte Magnetflussänderung bzw. dem Kraftfeld im Statorfeld.
Beim Drehrichtungswechsel bzw. Reservieren wird der Fehler noch größer, da hier zunächst viele Mikroschritte benötigt werden, bevor die Motorwelle sich überhaupt zurückzudrehen beginnt, um anschließend einen großen Sprung zu machen, wenn die Mikroschritte sich auf ca. 1/8- oder ¼-Schritt-Werte bewegen.

Ohne Stromkompensation ist also der Mikroschrittbetrieb noch einigermaßen mit guter Genauigkeit bis zum ½- und evtl. ¼-Schrittbetrieb reproduzierbar, darüber hinaus dient er eigentlich nur zur Reduzierung der Resonanzen und Laufgeräusche sowie für ein besseres Laufverhalten bei kleinen Drehzahlen. Wobei über den 1/16 und 1/32 Schrittmode auch hier keine signifikanten Vorteile mehr erkennbar sind.

Als erstes sollte man bei einem günstigen Anbieter von Mikroschritt-Treibern mit einem hohen Auflösungsvermögen hinterfragen, ob diese Steuerung eine integrierte Stromkompensierung beinhaltet. So lassen sich Geld- und vor allem Zeitaufwand vermeiden.
Neben der Stromkompensation bilden die Schrittmotoren selbst keine wahre Sinuskurve über 360° ab. Die verzerrten Sinuskurven der Motoren, die weder eine wahre oder echte Sinusform haben, noch exakt um 90° zueinander Phasen verschoben sind, beeinträchtigen ebenso die Genauigkeit des Schrittwinkels; dies vor allem in den Mikroschritten. Nanotec hat die Stromkurven seiner neuen Treiber den etwas verzerrten Sinuskurven seiner Motoren angepasst. Dadurch können reduzierte Schrittwinkelfehler von < 3% erreicht werden. Bei den Plug & Drive Motoren können sogar die Schrittwinkelfehler nochmals verbessert werden. Auch die im Mikroschritt, da die Stromkurve der Sinuskurve des Motors angepasst wird, da sie ja eine Einheit bilden.