Wenn ein Schrittmotor in bestimmten Situationen nicht ordnungsgemäß arbeitet, liegt zumeist ein sogenannter Schrittverlust vor: Der Motor springt unkontrolliert oder bleibt einfach stehen. Die Ursache hierfür ist entweder im Motor oder in der Steuerelektronik zu suchen, doch wo genau der Defekt sitzt, lässt sich oft nicht so einfach bestimmen, da der leicht abrufbare Motorstrom hier nicht weiterhilft und nur die wenigsten Schrittmotoren mit Geräten ausgestattet sind, die Rückmeldung zum Betriebsverhalten geben.
Um Sie bei der Wahl des passenden Produkts aus dem FAULHABER-Sortiment sowie bei der Planung und Konfiguration Ihrer Anwendungen zu unterstützen, stellen wir Ihnen hier die häufigsten Ursachen von Schrittverlust bei Schrittmotoren vor.
Im Folgenden erfahren Sie:
2. Warum Schrittmotoren im Start-Stopp-Betrieb bisweilen nicht ordnungsgemäß starten.
4. Wie sich Fehler in der Kommutation auf den Betrieb eines Schrittmotors auswirken.
Da ein- und dasselbe Problem durchaus unterschiedliche Ursachen haben kann, zeigen wir Ihnen auch, welche Tests Sie einsetzen können, um im konkreten Anwendungsfall vom Fehlerbild auf den Auslöser für den Schrittverlust Ihres Schrittmotors zu schließen.
Schrittverluste bei Schrittmotoren können aus mehreren Gründen entstehen: Entweder liegt ein Schaden am Motor vor oder es besteht eine gravierende Diskrepanz zwischen den Motorparametern und den Anforderungen der Anwendung. Um Schrittverluste bei Schrittmotoren auszuschließen, gilt es daher, zunächst zu überprüfen, ob das gewählte Modell auch die im konkreten Anwendungsfall erforderliche Leistung erbringen kann. Für ein optimales Ergebnis empfehlen wir Ihnen, extreme Leistungsspitzen von vornherein einzukalkulieren.
Darüber hinaus ist es wichtig, bei der Auswahl eines Schrittmotors auch dessen charakteristische Eigenschaften zu bedenken. Im Gegensatz zu einem DC-Motor gibt es bei einem Schrittmotor z. B. keinen Arbeitspunkt-Abgleich und auch der Phasenstrom passt sich bei Laständerungen nicht an, sondern bleibt konstant.
Solange die von der Anwendung geforderten Drehmomente für die jeweiligen Drehzahlen den Motorspezifikationen entsprechen, sind allerdings auch dann keine Probleme zu erwarten, wenn Sie ein bestehendes System von einem DC-Motor auf einen Schrittmotor umrüsten. Fordert die Anwendung höhere Werte, kommt es bei Schrittmotoren jedoch nicht zu Schrittverlusten: In diesem Fall bleibt der Motor einfach stehen (mehr dazu in Abschnitt 3).
Beim sogenannten Start-Stopp-Betrieb (auch: Ein/Aus-Betrieb) ist der Schrittmotor fest mit der Last verbunden und wird mit konstanter Drehzahl betrieben. Das bedeutet, dass der Motor innerhalb des ersten Schritts sowohl die Trägheit als auch die Reibung der Last überwinden muss, um auf die vorgegebene Frequenz zu beschleunigen. Schrittverluste beim Schrittmotor erkennen Sie in dieser Betriebsart typischerweise daran, dass sich der Motor gar nicht bewegt, weil sich dieser allererste Schritt als unüberwindbare Hürde erweist.
Abbildung 1 stellt den typischen Verlauf der Start-Stopp-Frequenz eines Schrittmotors ohne Schrittverluste dar.
Läuft ein Schrittmotor im Start-Stopp-Betrieb nicht an, lässt sich das zumeist auf eines der folgenden vier Probleme zurückführen:
1. Die Last ist zu hoch. In diesem Fall lässt sich der Schrittverlust beim Schrittmotor nicht durch Anpassung der Betriebsparameter verhindern: Kann der Motor die Last im Start-Stopp-Betrieb nicht bewegen, muss ein anderes, leistungsstärkeres Modell her.
2. Die Frequenz ist zu hoch. Durch eine Reduktion der Frequenz lässt sich dieses Problem zumeist lösen. Wichtig ist dabei allerdings, dass der Motor auch bei niedrigen Frequenzen die im jeweiligen Anwendungsfall erforderliche Leistung erbringt: Ist bei reduzierter Frequenz die Last zu hoch, steht der Schrittmotor weiterhin still.
3. Der Motor bewegt sich. Pendelt der Motor im Start-Stopp-Betrieb von links nach rechts, kann das die Phasen und damit die Stromversorgung unterbrechen – was sich wiederum durch Schrittverlust des Schrittmotors oder vollständigen Stillstand bemerkbar macht. Lässt sich dieser Fehler nicht durch eine Reparatur beheben, muss auch hier der Motor ausgetauscht werden.
4. Der Phasenstrom ist zu niedrig.Ist der Phasenstrom zu niedrig, kann der Motor nicht das Drehmoment erreichen, das er bräuchte, um Trägheit und Reibung der Last zu überwinden. Auch dieses Problem manifestiert sich bei Schrittmotoren als Schrittverlust – was bei Start-Stopp-Betrieb Stillstand bedeutet. Erhöhen Sie den Phasenstrom zumindest für die ersten Schritte, kann das jedoch genügen, um den Motor in Gang zu setzen.
Bei dieser Betriebsart kann der Motor mit einer im Controller vorgegebenen Beschleunigungsrate auf seine Maximalfrequenz beschleunigen. Abbildung 3 zeigt den typischen Verlauf einer Beschleunigungssequenz mit trapezförmigem Geschwindigkeitsprofil (Rampenprofil).
Kommt ein Schrittmotor mit trapezförmigem Geschwindigkeitsprofil nicht in Gang, liegt dem zumeist eine der vier Ursachen zugrunde, die auch den Stillstand eines Schrittmotors im Start-Stopp-Betrieb bedingen kann. Das ist der Beschleunigung im ersten Schritt geschuldet: In beiden Betriebsarten muss der Motor hier ein ausreichendes Drehmoment erreichen, um die Reibung und Trägheit der Last zu überwinden. Schafft er das nicht, manifestiert sich der daraus resultierende Schrittverlust bei Schrittmotoren als Stillstand, da gleich der allererste Schritt ausfällt.
Einen kompakten Überblick über die vier häufigsten Ursachen dieser besonderen Form des Schrittverlusts bei Schrittmotoren – und selbstverständlich auch die passenden Lösungsansätze – finden Sie in Abschnitt 2 unseres Tutorials.
Ein zweites typisches Fehlerbild, an dem Sie Schrittverluste bei Schrittmotoren erkennen können, besteht darin, dass der Motor die Beschleunigungsrampe nicht abschließt. Erreicht ein Schrittmotor nicht die Maximalfrequenz, lohnt es sich, zu überprüfen, ob einer der folgenden vier Fehler vorliegt:
1. Der Motor erreicht nur seine Resonanzfrequenz. In diesem Fall können Sie den Schrittverlust beim Schrittmotor verhindern, indem Sie z.B. zu Beginn des Betriebs stärker beschleunigen, in den Halbschritt- oder Mikroschrittbetrieb wechseln oder eine mechanische Dämpfung einsetzen.
2. Versorgungsspannung und/oder Versorgungsstrom sind nicht optimal eingestellt. Ob das der Fall sein könnte, zeigt oft bereits der Abgleich zwischen den aktuellen Betriebsparametern und dem Datenblatt des verwendeten Motors. Um zu erkennen, ob die Stromversorgung die Ursache des Schrittverlustes ist, können Sie u. a. Spannung oder Strom vorübergehend erhöhen.
3. Die Maximaldrehzahl ist zu hoch. Verläuft die Beschleunigungsrampe zu steil, kann es sein, dass sich im Geschwindigkeitsverlauf ein Plateau abzeichnet, das zwar unter der gewünschten Maximaldrehzahl liegt, dabei aber dem Leistungsmaximum des Motors entspricht. Durch Reduktion oder Abflachen der Beschleunigungsrampe lässt sich diese Diskrepanz allerdings oftmals ausgleichen.
4. Die Elektronik gibt keine optimale Beschleunigungsrampe vor. Verwenden Sie einen elektrischen Controller, kann es sein, dass die digital gesteuerte Beschleunigung nicht optimal auf den Schrittmotor abgestimmt ist. In diesem Fall kann es sich lohnen, auf einen anderen Controller zurückzugreifen, der eine präzisere Steuerung des Beschleunigungsprozesses ermöglicht.
Beobachten Sie, dass Ihr Schrittmotor zwar ordnungsgemäß bis zur Maximaldrehzahl beschleunigt, dann aber stehen bleibt, lohnt es sich, über eine der folgenden vier Maßnahmen zur Präzisierung des Geschwindigkeitsprofils bzw. zur Steigerung der Motorstabilität nachzudenken:
Führt eine dieser Maßnahmen allein noch nicht zum Erfolg, können Sie auch Kombinationen einsetzen – etwa eine geringere Beschleunigungsrate und mechanische Dämpfung –, um den Schrittverlust des Schrittmotors zu unterbinden.
Dieses Fehlerbild tritt gewöhnlich bei Motoren auf, die an ihrer Leistungsgrenze betrieben werden. Beschleunigen sie nur ein wenig zu stark, überschreiten sie die vorgesehene Drehzahl. Dadurch werden Vibrationen ausgelöst, die bei Schrittmotoren zu Schrittverlust und infolgedessen zum Stillstand führen können.
Konstruktionsbedingt kann ein Schrittmotor keinen einzelnen Schritt verlieren, sondern immer ein Vielfaches von vier Schritten, also z. B. acht, zwölf oder sechzehn Schritte. Bei hohen Drehzahlen führen Schrittverluste bei Schrittmotoren zum Verlust der Synchronität – und das hat zur Folge, dass der Motor stehenbleibt.
Beträgt die Anzahl verlorener Schritte jedoch kein Vielfaches von vier Schritten, ist das ein klares Anzeichen dafür, dass mit dem Motor selbst alles in Ordnung ist: Dieser Schrittfehler entsteht an anderer Stelle. Zumeist liegt das Problem in der Kommutierungsfolge, die dem Schrittmotor von der Elektronik vorgegeben wird.
Ist der Schrittverlust eines Schrittmotors auf die externe Kommutierung zurückzuführen, ist der richtige Zählerstand der ausschlaggebende Faktor für die exakte Wiederaufnahme des Betriebs. Speichern Sie vor Abschalten der Stromversorgung das für den Normalbetrieb erforderliche 4-Bit Wort, damit Sie es anschließend für die Zählerinitialisierung aus dem Speicher laden können. Wenn Sie die Stromversorgung wiederherstellen, laden Sie einfach diese Position, bevor Sie die Kommutierung fortsetzen.
Neben Diskrepanzen zwischen den Motorparametern und den Anforderungen der Anwendung können auch externe Ereignisse Schrittverluste bei Schrittmotoren auslösen. Die daraus resultierenden Fehlerbilder sind jedoch zumeist leicht zu identifizieren: Sie zeichnen sich dadurch aus, dass der Schrittverlust nicht bei jeder Nutzung des Motors einsetzt oder der Antrieb einige Zeit störungsfrei läuft, bevor die ersten Probleme auftreten.
Dieses Fehlerbild ist auf Lastrückkopplung zurückzuführen, denn manchmal wird der vom Motor angetriebene Mechanismus – oder, um es etwas präziser zu formulieren: die Last – durch Bewegung „aufgezogen“. Wird die Stromversorgung abgeschaltet, wird diese Energie an den Motor zurückgegeben.
Dreht sich die Welle dabei um einen Winkel, der mehr als einem Schritt entspricht, kann das bei einem Schrittmotor einen Schrittverlust auslösen, der im Grunde dem in Abschnitt 2 dieses Tutorials beschriebenen Fehlerbildes entspricht: Wird der Motor das nächste Mal eingeschaltet, kann er kein ausreichendes Drehmoment entwickeln, um den ersten Schritt auszuführen. Infolgedessen läuft der Motor läuft entweder gar nicht oder erst nach vier Vollschritten an.
Nein. Diese spezifische Art des Schrittverlusts bei Schrittmotoren tritt nur bei Anwendungen auf, für die der Motorstrom nach der Bewegung deutlich reduziert oder abgeschaltet wird. Um dem Schrittverlust vorzubeugen oder ihn zu beheben, können Sie die Kommutierung so programmieren, dass Wert und Polarität der Motorströme vor dem Abschalten gespeichert und beim Wiedereinschalten abgerufen werden – oder Sie erhalten bei Motorstillstand einfach einen reduzierten Standby-Strom aufrecht.
Manche Schrittmotoren laufen lange Zeit störungsfrei, bevor die ersten Schrittverluste auftreten. In solchen Fällen ist es sehr wahrscheinlich, dass sich die Last verändert hat. Das kann einerseits auf Verschleiß der Motorlager hindeuten, andererseits aber auch auf ein externes Ereignis, wie z.B. ein Verrutschen oder eine Veränderung der zu bewegenden Last, zurückzuführen sein.
Um die Ursache für den Schrittverlust zu ermitteln, prüfen Sie zunächst, ob ein externes Ereignis vorliegt: Hat sich der vom Motor angetriebene Mechanismus verändert? Ist das nicht der Fall, lohnt sich eine eingehende Untersuchung der Lager und Schmiermittel.
Benötigen Sie weitere Informationen dazu, welcher Schrittmotor der beste für Ihre Anwendung ist? Oder haben Sie ein konkretes Problem mit Schrittverlusten beim Betrieb Ihres Antriebssystems?
Gerne helfen Ihnen die Experten von FAULHABER hierbei weiter. Wir unterstützen Sie dabei, eine passgenaue Lösung für alle Anwendungen zu entwickeln, bei denen es besondere Anforderungen zu berücksichtigen gilt.
