Forum: Mechanik, Gehäuse, Werkzeug Schrittmotor: Drehmoment


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von Walter T. (nicolas)


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Guten Morgen zusammen,

bislang habe ich Schrittmotorantriebe immer nur für Motoren ausgelegt, 
bei denen der Hersteller eine Drehzahl-Drehmomentkurve ins Datenblatt 
gemalt hat.

Im Katalog von z.B. Osmtec (Datenblatt pro Motor scheint es nicht zu 
geben)
http://www.osmtec.com/downloads/stepper_motor/stepper_motor.pdf
sind aber nur Angaben zu Haltemoment, Phasenstrom, Spuleninduktivität 
und -Widerstand, aber keine Angaben zu Gegen-EMK etc. enthalten.

Alle Dokumente/Webseiten mit dem Namen "Schrittmotorantriebe auslegen", 
die ich bislang gefunden habe, liefern alle so hilfreiche Informationen 
wie "es gibt grob drei Varianten, heute alles Hybridmotoren, 
Voll-/Halb-/Mikroschritt, Uni-/Bipolar etc", aber die hilfreichen 
Informationen fehlen:


Konkret interessiert mich bei der Auslegung eines Schrittmotorantriebs 
doch, welches Kippmoment der Motor noch bei z.B. einer Drehzahl 1000 
U/min bei einer Versorgungsspannung von 42 V bei Nennstrom im 
Vollschrittbetrieb hat, damit ich unter der Berücksichtigung von 
Abschlägen für Mikroschritt und Sicherheit meinen Motor und meine 
Untersetzung aussuchen kann.

Kann man das irgendwie aus den Angaben im Katalog berechnen/abschätzen? 
Gibt es irgendwo eine vernünftige Quelle für die Auslegung?

Viele Grüße
W.T.

von Horst S. (Gast)


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Walter T. schrieb:
> Gibt es irgendwo eine vernünftige Quelle für die Auslegung?

Frag' doch den/die Hersteller.

von Walter T. (nicolas)


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Horst S. schrieb:
> Frag' doch den/die Hersteller.

Diese Antwort hätte ich erst an der dritten Stelle erwartet. Vorher 
gehören:

"Google kaputt?" und "Du hast das Problem nicht ausreichend genau 
beschrieben!"

von Michael B. (laberkopp)


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Walter T. schrieb:
> Im Katalog von z.B. Osmtec (Datenblatt pro Motor scheint es nicht zu
> geben)

Dann kauft man halt einen anderen Motor.

Nicht immer ist das billigste auch das am einfachsten verwendbare.

Hast du dir Daten nicht, musst du auf gut Glück arbeiten (in 
Datenblätter von ähnlichen Motoren anderer Hersteller gucken und hoffen 
daß es passt) oder probieren (ggf. 3 Motorgrössen kaufen um zu sehen 
welcher es schafft).

Die Methode, durch die Induktivität und die Spannung den Stromanstieg 
auszurechnen, und je kleiner die Fläche ist je weniger Drehmoment hat 
man, kann helfen sich ein Bild von der Sache zu machen, aber präzise 
wird das nicht weil man die Geometrie des Magnetfeldes im Motor nicht 
kennt.
1
+     ....-------
2
      :  /      :\  
3
      : /       : \                               
4
      :/        :  \                              
5
0 -----         ... ------
Gepunktete Linie ist bei langsamem Lauf, durchgezogene bei schnellem 
Lauf, normiert auf einen Takt. Die Fläche zwischen beiden vorne ist 
Drehmomentverlust weil der Motor noch nicht zieht, die Fläche zwischen 
beiden hinten ist Drehmomentverlust weil er durch das nicht abschaltende 
Magnetfeld gebremt wird.

von georg (Gast)


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Walter T. schrieb:
> Horst S. schrieb:
>> Frag' doch den/die Hersteller.
>
> Diese Antwort hätte ich erst an der dritten Stelle erwartet

Natürlich fragt man alle möglichen Leute, nur nicht den Hersteller. Das 
macht man doch immer so, wenn man technische Daten braucht.

Georg

von Walter T. (nicolas)


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Michael B. schrieb:
> Die Methode, durch die Induktivität und die Spannung den Stromanstieg
> auszurechnen, und je kleiner die Fläche ist je weniger Drehmoment hat
> man [...]

Den Teil verstehe ich nicht. Woher soll ich denn wissen, wie stark der 
Stromanstieg bei höherer Drehzahl flacher wird?

Ich habe den Mechanismus, daß Schrittmotoren bei höherer Drehzahl Moment 
verlieren, mal als "Gegen-Elektromotorische-Kraft" gelernt, d.h. die 
Wicklungen sind aufgrund der Läuferdrehzahl schon mit einer inneren 
Gegenspannung vorgespannt, so daß effektiv von der externen 
Wicklungspannung weniger übrig bleibt, um für Strom zu sorgen. Deswegen 
haben große Motoren die Gegen-EMK in V*min/U oft im Datenblatt stehen.

Bei den kleinen Motörchen fehlt diese Angabe. Aber irgendwie scheinen 
andere Menschen ja ihre Antriebe mit diesen Teilen trotzdem ausgelegt zu 
bekommen. Auch in Einzelstückzahlen, bei denen der Hersteller sich nicht 
darum schert, potenzielle Kunden mit Informationen zu versorgen.

von L. H. (holzkopf)


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Walter T. schrieb:
> Bei den kleinen Motörchen fehlt diese Angabe. Aber irgendwie scheinen
> andere Menschen ja ihre Antriebe mit diesen Teilen trotzdem ausgelegt zu
> bekommen. Auch in Einzelstückzahlen, bei denen der Hersteller sich nicht
> darum schert, potenzielle Kunden mit Informationen zu versorgen.

Vielleicht kann es Dir ja nützlich sein:
Zu Zeiten als Schritt-Motörchen (SM)(aller Art) noch nicht so verbreitet 
waren, wie das heute der Fall ist, dachte ich schon mal darüber nach, 
wie man bei SM, von denen man nicht recht viel mehr als ihre 
Betriebs-Spannung kennt, ihr Drehmoment messen könne.

Ein prinzipielles Problem ist das an sich ja nicht. :)
Aber es erfordert einigen "Aufwand", um eine "Pendelwaage" zu bauen.
Die in etwa der einfachst möglichen Pendelmaschine entspricht.
https://de.wikipedia.org/wiki/Pendelmaschine

Aus dem Link:
"Bei sehr einfachen Prüfständen kamen auch Konstruktionen ähnlich der 
Balkenwaage mit Waagschale und Gewichten zum Einsatz. Die Waage misst 
somit eine Kraft, die sich bei bekannter Länge des Hebelarms in das 
wirksame Drehmoment umrechnen lässt."

Bei Einsatz einer Waage, auf die (vertikaler) Druck über ein 
Hebelgestänge ausgeübt wird, reduziert sich das Ganze im Prinzip auf die 
horizontale Anordnung SM-Achse/Hebel-Drehpunkt/Druckpunkt auf die Waage.

Der SM ist dabei mit einer "Brems-Scheibe" ausgestattet.
Und der Übertragungs-Hebel zur Waage hat eine Gabel (seitens der 
Bremsscheibe), die es erlaubt, unterschiedliche Federn einbauen zu 
können, die ihrerseits Bremsklötze (beidseits) auf die Bremsscheibe 
drücken.

Der Übertragungs-Hebel liegt auf der Waagschale mit einem Kugellager 
auf, wodurch die Distanz bzw. Hebellänge zu seinem Drehpunkt definiert 
ist und bleibt.

- In der Wahl der Hebel-Längen ist man völlig frei, weil die 
"Gleichgewichts-Bedingung" bei Hebeln bekannt bzw. beliebig 
"umrechenbar" ist.
- Wenn man mit Brems-Federn arbeitet, kann man die jeweiligen 
Feder-Konstanten (= Anpreß-Druck auf die Bremsbeläge) auch mit 
simpelsten Mitteln messen ("Federwaage").
- Man muß dann nur noch den Reibungs-Koeffizient der Bremsbeläge kennen.
Empfehlenswert ist es dabei, kreisförmige Bremsbeläge einzusetzen, weil 
das die Sache (Berechnung) etwas vereinfacht:
Man kann dann den Mittelpunkt als Druckpunkt annehmen (= Hebellänge 
zwischen Bremsscheibe und Hebel-Drehpunkt).

Gebaut habe ich das für SM nicht.
Weil sich - wie so oft im Leben - manches einfach "überholt" bzw. 
Wichtigeres zu tun ist. ;)

Allerdings habe ich zusammen mit einem Spezl einen Leistungs-Prüfstand 
für Verbrennungs-Motoren gebaut.
Der nach genau dem gleichen Prinzip auch einwandfrei funktioniert.
Nur mit der Abwandlung, daß an der Hebel-Gabel eine hydraulische 
Bremszange angeordnet ist, deren Anpreßdruck wir per Manometer messen 
können.
Ist etwas bequemer, aber im Prinzip so wurscht wie sonstwas. ;)

Grüße

von Walter T. (nicolas)


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Hallo Holzkopf,

eine Drehmomentwaage wollte ich mir bei Gelegenheit bauen, um die 
Motörchen, die sich im Laufe der Zeit angesammelt haben, zu testen. 
Diese hat nur einen großen Nachteil: Sie funktioniert nicht bei Motoren, 
die noch im Katalog sind.

Viele Grüße
W.T.

von Michael B. (laberkopp)


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Walter T. schrieb:
> Den Teil verstehe ich nicht. Woher soll ich denn wissen, wie stark der
> Stromanstieg bei höherer Drehzahl flacher wird?

Kann man durch die Induktivität berechnen und die angelegte Spannung.

Walter T. schrieb:
> Bei den kleinen Motörchen fehlt diese Angabe.

Nein, nur bei billigen Motoren.

von Walter T. (nicolas)


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Hallo zusammen,

da die Pendelmaschine sowieso schon so lange auf meiner 
könntest-Du-mal-machen-wenn-es-gerade-paßt-Liste steht, habe ich mich 
heute mal daran begeben.

Beitrag "Re: Zeigt her eure Kunstwerke (2017)"

Viele Grüße
W.T.

von L. H. (holzkopf)


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Hallo nicolas,

den "Kunstwerk-Link" überflog ich nur.
Will aber vielleicht mit ein paar Gedanken zum Gelingen Deines Vorhabens 
beitragen. :)

Die Kraftmessung kann man natürlich auch mit einer "Federwaage" machen.
Allerdings ist es dann wohl am besten, wenn man die vertikal und von 
ihren Aufnahmen her verschiebbar aufhängt.
Damit meine ich, sowohl den vertikalen Anhänge-Punkt verschiebbar, als 
auch die gesamte horizontale Anordnung Bremsscheibe/Federkraft-Messung 
ebenfalls verschiebbar zu machen.

Weil sich dadurch zweierlei erreichen läßt:
1) Eine mit Federkraft ausgestattete Bremszange hat ja eine konstante 
Bremswirkung.
(Die Bremszange-Stange wird linear (vertikal) in einer Laufbüchse 
geführt)
Oberhalb der Stange ist die Federwaage mit der Stange verbunden.
Sind die Bremsbeläge (bezogen auf die Bremsscheibe mittig zu ihrer 
Achse) horizontal angeordnet, wirken keine Seitenkräfte mehr auf sie.
Was sich durch die Verschiebbarkeit des Aufhängepunktes der Federwaage 
erreichen läßt.

2) Wenn die gesamte Anordnung auch noch horizontal verschiebbar ist, 
kannst Du bei konstanter Bremskraft der Bremszange dennoch 
unterschiedliche Gegenmomente erreichen, weil Du den "Gegenhebel" auf 
der Bremsscheibe x-beliebig nach außen verlagern kannst.

Zur gesamten Anordnung kann ich Dir nur raten:
a) Separate Lagerung der Bremsscheibe
b) Koppelung zwischen SM und Bremsscheiben-Achse NUR über Kardan-Welle 
oder vergleichbare Koppel-Elemente, die axialen Versatz wirklich 
kompensieren können
c) wodurch Du bzgl. Aufnahmen von SM, die Du testen willst, 
Freiheitsgrade "gewinnen" kannst ;)

Bedenk bitte beim Bau, daß man so etwas i.d.R. nur einmal baut und es 
sich deshalb schon "lohnt", es möglichst "flexibel" zu bauen.
Und auch so, daß Meßfehler weitestgehend ausgeschlossen werden können. 
:)

Bei der Flexibilität liegt der "Hund" meistens ganz wo anders "begraben" 
als man das anfänglich vermutet. :D

Wünsche Dir viel Erfolg beim Bau.

Grüße

: Bearbeitet durch User
von Thorsten O. (Firma: mechapro GmbH) (ostermann) Benutzerseite


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Hallo Walter,

> Michael B. schrieb:
>> Die Methode, durch die Induktivität und die Spannung den Stromanstieg
>> auszurechnen, und je kleiner die Fläche ist je weniger Drehmoment hat
>> man [...]
>
> Den Teil verstehe ich nicht. Woher soll ich denn wissen, wie stark der
> Stromanstieg bei höherer Drehzahl flacher wird?

Früher, als Drehzahl-Drehmoment-Kennlinien noch mit logarithmischer 
Drehzahl-Skala üblich waren, konnte man einen deutlichen Knick in der 
Kennlinie erkennen, ab dem die Kennlinie steiler abfiel [1].

Das ist der Punkt, an dem (analog zu Michael B's Skizze) der 
trapezförmige Stromverlauf die Form eines Dreiecks annimmt. Wenn die 
Wicklung dann noch schneller umgepolt wird, wird die Fläche unter dem 
Dreieck zunehmend kleiner. Diese Fläche entspricht dem Mittelwert des 
Wicklungsstroms und ist damit direkt proportional zum Strom.

Die Lage dieses Punktes der Kennlinie kann man in der Tat aus 
Induktivität, Wicklungs-Widerstand und der verwendeten 
Versorgungsspannung berechnen. Bei älteren Motor-Brücken (z.B. L298) 
muss man ggf. noch den Spannungsabfall in der H-Brücke berücksichtigen.

> Ich habe den Mechanismus, daß Schrittmotoren bei höherer Drehzahl Moment
> verlieren, mal als "Gegen-Elektromotorische-Kraft" gelernt, d.h. die
> Wicklungen sind aufgrund der Läuferdrehzahl schon mit einer inneren
> Gegenspannung vorgespannt, so daß effektiv von der externen
> Wicklungspannung weniger übrig bleibt, um für Strom zu sorgen. Deswegen
> haben große Motoren die Gegen-EMK in V*min/U oft im Datenblatt stehen.

Gegen-EMK kenne ich als Begriff eigentlich nur von DC-Motoren und 
"normalen" Synchron-Maschinen. Bei Schrittmotoren habe ich eine solche 
Angabe bisher nur in den Datenblättern von RTA gesehen [2], wobei mir 
die Angaben z.T. nicht wirklich plausibel erschienen. Man kann die EMK 
aber auch beim Schrittmotor messen, wenn man den Motor extern antreibt 
(z.B. mit einem Akkuschrauber).

Mit freundlichen Grüßen
Thorsten Ostermann

[1] http://www.mechapro.de/pdf/pk268-e.pdf
[2] 
http://www.rta-deutschland.de/de/product/2652-schrittmotoren-103-h7126-0740

: Bearbeitet durch User
von Purzel H. (hacky)


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Eine einfache Messmoeglichkeit ist auch das Einspannen des Motors in 
einen Akkuschrauber. Dann kann man mit dem Oszilloskop zuschauen und 
sieht auch gleich die EMK. einen Widerstand dran und mam sieht wie er 
unter Belastung laeuft.
Alles rein qualitativ.

von Walter T. (nicolas)


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Hallo zusammen,

L. H. schrieb:
> Bedenk bitte beim Bau, daß man so etwas i.d.R. nur einmal baut und es
> sich deshalb schon "lohnt", es möglichst "flexibel" zu bauen.

Da sind meine Erfahrungen komplett gegenteiliger Natur: Alles, was ich 
bislang für die Ewigkeit gebaut habe, hat kein Jahrzehnt unverändert 
überstanden, während vieles, was "mal eben so" gebaut wurde, sich als 
Dauerlösung etabliert hat. Kurz: Ich bin lausig im /requirements 
engineering/ bezüglich meiner Hobbys. Also baue ich so gut wie nötig. In 
meinem Fall war das die Anforderung, NEMA-17-Motoren bis 0,1...1,0 Nm 
grob vermessen zu können.

Thorsten O. schrieb:
> Das ist der Punkt, an dem (analog zu Michael B's Skizze) der
> trapezförmige Stromverlauf die Form eines Dreiecks annimmt. Wenn die
> Wicklung dann noch schneller umgepolt wird, wird die Fläche unter dem
> Dreieck zunehmend kleiner. Diese Fläche entspricht dem Mittelwert des
> Wicklungsstroms und ist damit direkt proportional zum Strom.
>
> Die Lage dieses Punktes der Kennlinie kann man in der Tat aus
> Induktivität, Wicklungs-Widerstand und der verwendeten
> Versorgungsspannung berechnen.

Danke für die Klarstellung. Mir war vorher unklar, welcher Takt 
überhaupt gemeint ist, und wie die Kennlinie damit zusammenhängt. Hast 
Du dazu noch eine Quelle? Die Herleitung ist nicht weiter schwierig - 
aber ich nehme gerade an, daß in einer Quelle, wo soetwas beschrieben 
wird, auch andere brauchbare Sachen stehen.

Thorsten O. schrieb:
> . Bei Schrittmotoren habe ich eine solche
> Angabe bisher nur in den Datenblättern von RTA gesehen

Genau. Sanyo Denki. Wie z.B. mein Allzeit-Freund Sanyo Denki StepSyn 103 
- H7823, den Du auch im Shop hast. War mein erster bewußt 
dimensionierter Schrittmotorantrieb. Und wie das so ist: An seinem 
ersten mißt man alle.

Viele Grüße
W.T.

: Bearbeitet durch User
von Thorsten O. (Firma: mechapro GmbH) (ostermann) Benutzerseite


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Ich habe gerade keinen Zugriff auf meine Bibliothek, aber hier ist eine 
Übersicht über die relevanten Bücher zum Thema:
http://www.schrittmotor-blog.de/literatur-zu-schrittmotoren/

Mit freundlichen Grüßen
Thorsten Ostermann

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