expertttyl verlag Elektrische Schrittmotoren und -antriebe Funktionsprinzip - Betriebseigenschaften - Meßtechnik Univ.-Prof. Dr.

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1 Elektrische Schrittmotoren und -antriebe Funktionsprinzip - Betriebseigenschaften - Meßtechnik Univ.-Prof. Dr. Erich Rummich Dipl.-Ing. (FH) Hermann Ebert Dr.-Ing. Ralf Gfrörer Dipl.-Ing. Friedrich Traeger 2. Auflage Mit 225 Bildern und 46 Literaturstellen Kontakt & Studium Band 365 Herausgeber: Prof. Dr.-Ing. Wilfried J. Bartz Technische Akademie Esslingen Weiterbildungszentrum DI Elmar Wippler expert verlag expertttyl verlag

2 Inhaltsverzeichnis Herausgeber-Vorwort Autoren-Vorwort 1 Grundlagen der Schrittantriebe 1 Erich Rummich 1.1 Einführung Grundtypen von Schrittmotoren Reluktanzschrittmotoren Permanentmagnetisch erregte Schrittmotoren Hybridschrittmotoren Erzeugung des Schrittfeldes Gegenüberstellung Drehfeld - Schrittfeld Ständerwicklungen für Schrittmotoren Vollschrittbetrieb Halbschrittbetrieb Mikroschrittbetrieb Bestromungstabellen Unipolare und bipolare Anspeisung der Ständerwicklung Statischer Drehmomentenverlauf Haltemoment der PM-Motoren Haltemoment bei VR-Motoren Einzelschritt-Betrieb Berechnung des magnetischen Kreises Energetische Betrachtungen, Ermittlung des statischen Drehmomentes 30 1!8 Kennlinien bei variabler Schrittfrequenz im Stationärbetrieb Schrittmotorantrieb 37 2 Reluktanzmotoren und Sonderbauarten 42 Erich Rummich 2.1 Reluktanzmotoren Einständerbauweise Mehrständerausführung 44

3 2.1.3 Schrittwinkel und Ausführbarkeitsbedingungen Einständer-VR-Motoren mit Einzelzähnen im Ständer Einständer-VR-Motoren mit hoher Schrittauflösung Optimale Zahn-und Nutform Betriebsarten von Reluktanzmotoren Scheibenmagnet-Schrittmotoren Einsträngige PM-Schrittmotoren Linearschrittantriebe Elektromagnetische Linearschrittantriebe Piezoelektrische Schrittmotoren 64 3 Permanentmagnetisch erregte Schrittmotoren 68 Friedrich Traeger 3.1 Einleitung Aufbau der Schrittmotoren mit Wechselpolläufer Klauenpolschrittmotor Konstruktive Details Magnetqualität Drehmoment und Schrittwinkelbereich Schrittmotor mit Polwicklung Funktionsweise Vollschritt-Halbschritt-Minischrittbetrieb Steuerschaltungen des Schrittmotors Haltemoment Positioniergenauigkeit Betriebskennlinien Messung der Betriebskennlinien Klauenpolschrittmotor mit Lagegeber Anwendungsgebiete 98 4 Hybrid-Schrittmotoren 100 Ralf Gfrörer 4.1 Einleitung Aufbau und Funktion des Hybrid-Schrittmotors Grundfunktion - Erhöhung der Schrittzahl Klauenpolprinzip Aufbau des Rotors Stator des Hybrid-Schrittmotors Einfluß der Strangzahl Magnetisches Modell Eigenschaften von 2-Phasen- und 5-Phasen-Schrittmotoren 109

4 4.3.1 Anzahl der Schrittpositionen Haltemoment Zeigerdarstellung Vergleich der Haltemomente Rastmoment Schrittmotor als schwingungsfähiges System Parametererregte Pendelungen Selbsterregte Pendelungen Kennlinien und Kenngrößen Darstellung der Betriebskennlinien Lastwinkel/Schleppfehler Verhältnis von Geschwindigkeit zu Auflösung 135 Liste der verwendeten Formelzeichen und Symbole Leistungselektronik und Signalverarbeitung 138 Ralf Gfrörer 5.1 Einleitung Betrieb von Schrittmotoren Elektrisches Ersatzschaltbild Aufbau des Stromes Betriebsarten von Schrittmotoren Ansteuerschaltungen Grundschaltungen von Fünfphasen-Schrittmotoren Mikroschrittbetrieb Komponenten des Schrittmotorantriebs Leistungsansteuerung Schaltungsbeispiele Pulserzeugung Schrittmotor im geschlossenen Lageregelkreis Motivation Erfassung der Rotorlage Drehüberwachung" Stellgrößen zur Beeinflussung des Drehmoments Schrittmotor im geregelten Betrieb 174 Liste der verwendeten Formelzeichen und Symbole Untersuchung der Bewegungsvorgänge von Schrittantrieben in der Phasenebene 180 Erich Rummich 6.1 Nichtlineare Bewegungsgleichung Bewegungsvorgänge in der Phasenebene 182

5 6.3 Phasenporträt des nichtlinearen Schwingers Einzelschritt-Fortschaltung Bewegungsvorgänge bei Schrittsequenzen Stabilitätsgrenze bei Schrittsequenzen Resonanzzonen im Stationärbetrieb Auslegung von Schrittmotorantrieben 205 Ralf Gfrörer 7.1 Einleitung Grundsätzliche Vorgehensweise bei der Motorauswahl Abschätzung des Antriebs Umrechnung der Lastdaten Ermittlung der Start/Stop-Frequenz Wahl der Fahrgeschwindigkeit bei linearer Rampe Getriebe Optimierung des Antriebs Rampen für hohe Fahrgeschwindigkeit Optimierung der Schrittfolge für kurze Wege Einf luß von Strom, Spannung und Wicklung auf das Betriebsverhalten Einfluß der Schaltungsart Erwärmung von Schrittmotoren Praktische Hinweise Temperaturmessung bei der Inbetriebnahme Ankupplung von Schrittmotoren Lebensdauer Messung und Optimierung von Schrittantrieben 239 Hermann Ebert 8.1 Einleitung Statische Momente am Schrittmotor Selbsthaltemoment M s Haltemoment M H Statischer Lastwinkel ß Dynamische Momente am Schrittmotor 252 Betriebsgrenzmoment M Bm 8.4 Einzelschrittverhalten (Single step response) Schrittwinkeltoleranzen 257

6 8.6 Dynamischer Lastwinkel 8.7 Optimierung von Schrittprogrammen Literaturverzeichnis Sachregister Autorenverzeichnis