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Mar 10, 2023

Strategien zur Vermeidung von Schrittmotorresonanzproblemen

Wenn eine Anwendung einen zuverlässigen, kostengünstigen Motor mit einfacher Bedienung erfordert, sind Schrittmotoren kaum zu schlagen. Allerdings kann das gleiche unkomplizierte Design und die gleiche Antriebsmethode, die Schrittmotoren so beliebt machen, unter bestimmten Bedingungen zu Resonanzproblemen führen.

Wenn eine Anwendung einen zuverlässigen, kostengünstigen Motor mit einfacher Bedienung erfordert, sind Schrittmotoren kaum zu schlagen. Sie können Schritt für Schritt angetrieben werden, ohne dass ein Encoder oder Hall-Sensor für die Rückmeldung der Rotorposition erforderlich ist. Allerdings kann das gleiche unkomplizierte Design und die gleiche Antriebsmethode, die Schrittmotoren so beliebt machen, unter bestimmten Bedingungen zu Resonanzproblemen führen. In diesem Artikel werden verschiedene Möglichkeiten beschrieben, Resonanzprobleme zu vermeiden und eine störungsfreie Bewegung sicherzustellen.

Schrittmotorphasen werden nacheinander von einem externen elektronischen Treiber kommutiert, der anschließend den Rotor – der oft einen Permanentmagneten trägt – von einer stabilen Position zur nächsten bewegt. Ein geeigneter Motor liefert ein ausreichendes Drehmoment, um den Rotor und die Last nach jeder Kommutierung zum nächsten Schritt zu bewegen. Reicht das Drehmoment nicht aus oder ist die Drehzahl zu hoch, kann die Synchronisierung zwischen Antrieb und tatsächlicher Rotorlage verloren gehen.

Bei jedem Schritt versucht der Rotor, seine Pole mit den Statorpolen auszurichten. Solange eine Phase kontinuierlich bestromt ist – ohne dass auf die nächste Phase umgeschaltet wird – bleibt der Rotor stabil in seiner Position.

Vermeiden Sie Eigenfrequenzen Resonanz tritt typischerweise auf, wenn die Kommutierungsfrequenz nahe an der Eigenschwingungsfrequenz des mechanischen Systems liegt. Dementsprechend besteht die einfachste Möglichkeit, das Auftreten von Resonanzen zu verhindern, darin, die Kommutierungsfrequenz von der Eigenfrequenz des Systems fernzuhalten. Das Arbeiten mit einer anderen Kommutierungsfrequenz kann weitere Änderungen in der Anwendung erfordern, um die gleiche Geschwindigkeit beizubehalten. Solche Änderungen sind jedoch nicht immer möglich.Eigenfrequenz verschieben Anstatt die Kommutierungsfrequenz zu ändern, können Sie die Eigenfrequenz je nach Ihren Einschränkungen oder Herausforderungen nach oben oder unten verschieben, um zu verhindern, dass die Kommutierungsfrequenz mit dieser übereinstimmt. Dies kann erreicht werden, indem man an den beiden Faktoren arbeitet, die die Eigenfrequenz beeinflussen: dem Haltemoment und der Gesamtträgheit im System.

Verhindern Sie Resonanzen mit Mikroschritten Je höher die in das mechanische System eingebrachte Energie ist, desto höher ist die Gefahr, ein Resonanzphänomen auszulösen. Um dies zu verhindern, kann Mikroschritt eine gute Alternative zum Antrieb eines Schrittmotors mit Vollschritten sein. Jeder Mikroschritt hat einen kleineren Schrittwinkel und erfordert weniger Energie, um von einer stabilen Position zur nächsten zu gelangen. Da die Zielpositionsüberschreitung mit der Größe der Schwingung geringer ist, ist Mikroschritt häufig eine wirksame Methode zur Vermeidung von Resonanzen. Darüber hinaus bieten Mikrostufen im Allgemeinen weniger Lärm, weniger Vibrationen und einen reibungsloseren Betrieb.Dämpfung durch Reibung Durch Reibung entsteht ein Bremsmoment, das der momentanen Drehrichtung entgegengesetzt ist. Dieses Drehmoment ist unabhängig von der Motordrehzahl konstant. Dies trägt zwar dazu bei, die Schwingungen zu dämpfen und Resonanzen vorzubeugen, bedenken Sie jedoch, dass die Reibung bei jeder Drehzahl auch zur Belastung des Motors beiträgt. Daher ist es wichtig sicherzustellen, dass der Motor beim Hinzufügen von Reibung ausreichend Leistung erbringt, um Resonanzen vorzubeugen. Viskose Reibung sorgt ebenfalls für ein Bremsmoment, dessen Größe jedoch von der Motordrehzahl abhängt. Je höher die Geschwindigkeit, desto stärker ist die viskose Dämpfung. Aus diesem Grund sorgt die viskose Dämpfung zu Beginn für eine starke Bremsung, wenn Geschwindigkeit und Schwingungsamplitude größer sind, und nur für eine sehr leichte Bremsung, wenn die Schwingung kleiner ist – im Gegensatz zur Trockenreibung, die auch bei sehr niedriger Geschwindigkeit für die gleiche Bremswirkung sorgt. Daher ist viskose Reibung wünschenswert, um Schwingungen innerhalb kürzester Zeit und ohne übermäßige Belastung des Motors zu dämpfen. Verschiedene Phänomene können viskose Reibung in ein System bringen:

Während Schrittmotoren eine einfache und kostengünstige Positionierung ermöglichen, kann ihr schrittweiser, sequenzieller Betrieb unter bestimmten Bedingungen zu Resonanzproblemen führen. Manchmal kann die Resonanz gelöst werden, indem auf eine einzige Ursache reagiert wird. Abhängig von der Motortechnologie und -konstruktion können jedoch neben der Eigenschwingungsfrequenz noch weitere Frequenzbereiche wie z. B. Mittelfrequenzresonanzen Resonanzen auslösen. Motorenanbieter können Ihnen dabei helfen, die Frequenzbereiche zu bestimmen, die wahrscheinlich Resonanzen auslösen, und Lösungen anbieten, um das Auftreten dieser Probleme zu verhindern. Weitere Informationen zu Portescap-Schrittmotoren finden Sie auf unserer Produktseite.

Daniel Muller ist Anwendungsingenieur bei Portescap.

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Eigenfrequenz vermeiden Eigenfrequenz verschieben Haltemoment: Trägheit. Verhindern Sie Resonanz durch Mikroschritt. Dämpfung durch Reibungswirbelströme. Gegen-EMF. Elektronische Dämpfung. Ein externer mechanischer Dämpfer.
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