Schrittmotor schnell genug?

[Tristn2]

Das Thema hat zwr nicht mit Roboter zu tun, aber mit einem Schrittmotor.

In einem Projekt für die FH muss ich eine Metallplatte von einem Sensor entfernen und wieder ran bringen.
Ich möchte an der Achse des Schrittmotors diese Metallplatte befestigen (ca. 100g). Ich benötige für diese Aufgabe nur einen Drehwinkel von ca. 40°.
Das Problem hierbei ist, dass die Achse mit der Platte, bei einem bestimmten Zeitpunkt, sofort stoppt und ihre Drehrichtung ändern muss.
Die Achse muss an einem bestimmten Winkel sofort stoppen und darf nicht weiterlaufen.
Der Motor mit der Platte sollte 40° in 0,5s schaffen, aus dem Stillstand und dann genau so schnell wieder zurück laufen.

Er sollte verschiedenste Positionen anlaufen können und dann sofort wieder umkehren.

Ist dies mit einem Schrittmotor möglich oder gibt es eine andere Motorart die dies ermöglicht?

Würde mich über eine Rückantwort freuen.

[ranke]

Ein Schrittmotor würde gehen. Wenn man einen anderen Motortyp verwenden will, braucht man (soweit ich die Aufgabe verstehe) zusätzlich noch eine Positionsmessung (Winkelstellung) der angetriebenen Achse.

Eine Spezifikation der maximal zu erreichenden Winkelgeschwindigkeit ist vorhanden (40° in 0,5s = 0,222 Hz oder 13,33 1/min).

Die Spezifikation der erwünschten Winkelbeschleunigung ("sofort") ist etwas dürr.

Man sollte unbedingt auch die Möglichkeit eines Getriebes zwischen Antrieb und Metallplatte erwägen.

[Tristn2]

Danke für die schnelle Antwort.

Ok, das mit der Drehzahl verstehe ich. Aber, wie gesagt, ist dies auch möglich aus dem Stillstand?

Also der Motor sollt max. 0,02 für die Umkehr der Richtung brauchen.

Würde ein Getriebe die Drehrichtungsumkehr nicht noch verlängern?

[Mr.T]

zwischenfrage:ich meine mir wäre aufgefallen, das manche Schrittmotoren einen schlupf, von etwa 1-2% aufweisen. ist diese beobachtung richtig?

könnte von bedeutung für deine aufgabe sein tristin

mfg

soeren

[Manf]

zwischenfrage:ich meine mir wäre aufgefallen, das manche Schrittmotoren einen schlupf, von etwa 1-2% aufweisen. ist diese beobachtung richtig?

Könntest Du das ein wenig genauer beschreiben, in einer selbst gebauten Schaltung?
Manfred

[sprotte24]

Eine Spezifikation der maximal zu erreichenden Winkelgeschwindigkeit ist vorhanden (40° in 0,5s = 0,222 Hz oder 13,33 1/min).

Die Spezifikation der erwünschten Winkelbeschleunigung ("sofort") ist etwas dürr.

Man sollte unbedingt auch die Möglichkeit eines Getriebes zwischen Antrieb und Metallplatte erwägen.

M. E. ist es wichtig, das Trägheitsmoment des zu drehenden Körpers zu kennen. Das Drehmoment der Motorache (ggf. mit Getriebe) muß dann eine ausreichende Winkelbeschleutingung zulassen.

Ich könnte mir vorstellen, daß ein zwischengeschaltetes elastisches Torsionselement die Drehmomentspitze entschärfen könnte.

Gruß
Sprotte24

[ranke]

Analog zur Kraft, die man bei einer linearen Bewegung braucht, um eine Masse zu beschleunigen, braucht man bei einer Rotation ein Drehmoment, um einem Trägheitsmoment eine Winkelbeschleunigung zu vermitteln. Wie sprotte24 richtig bemerkt, ist es also gut, das Trägheitsmoment aller rotierenden Teile zu kennen.
Aus dem Datenblatt eines Motors kann man das Trägheitsmoment seines Läufers und das maximale Drehmoment entnehmen. Damit kann man schon einmal die maximale Winkelbeschleunigung unbelasteten Rotors abschätzen. Das ist zum Vergleich verschiedener Motoren vielleicht sinnvoll.

Also der Motor sollt max. 0,02 für die Umkehr der Richtung brauchen.

Da haben wir bereits eine Zahl, zusammen mit einer Einheit hätten wir dann eine verwertbare Angabe.

Würde ein Getriebe die Drehrichtungsumkehr nicht noch verlängern?

Nicht unbedingt. Die meisten Motoren haben - im Verhältnis zur hier gestellten Aufgabe - ein höheres Drehzahlpotential, bei eher geringen Drehmoment. Ein Getriebe kann da anpassen, besonders wenn das Trägheitsmoment des Rotors klein gegenüber dem Trägheitsmoment der Metallplatte ist.

Ich könnte mir vorstellen, daß ein zwischengeschaltetes elastisches Torsionselement die Drehmomentspitze entschärfen könnte.

Das wäre im Sinne der Aufgabenstellung eher schädlich, da die "Entschärfung" der Drehmomentspitze auf Kosten einer zusätzlichen Bewegung in die unerwünschte Richtung geht. Hier sollen hohe Beschleunigungen auftreten, das geht nur mit hohen Drehmomenten, die Frage ist, wie die aufgebracht werden können.

Vielleicht noch ein Gedankengang zur elektrischen Seite des Motors. Der besteht aus Spulen, also Induktivitäten, bei denen die Richtung des elektrischen Stroms bei Drehrichtungsumkehr umgekehrt werden muß. Obwohl in den meisten Fällen die mechanische Trägheit der zeitbestimmende Faktor für die Beschleunigung ist, sollte man im Hinterkopf behalten, daß man den Strom in Induktivitäten nicht beliebig schnell ändern kann. Es könnte also nützlich sein, einen Motor mit niedrigen Spuleninduktivitäten zu wählen. Das sind meistens die Motoren, die für eine relativ niedrige Nennspannung, bei relativ hohen Strömen ausgelegt sind.

[Tristn2]

Analog zur Kraft, die man bei einer linearen Bewegung braucht, um eine Masse zu beschleunigen, braucht man bei einer Rotation ein Drehmoment, um einem Trägheitsmoment eine Winkelbeschleunigung zu vermitteln. Wie sprotte24 richtig bemerkt, ist es also gut, das Trägheitsmoment aller rotierenden Teile zu kennen.
Aus dem Datenblatt eines Motors kann man das Trägheitsmoment seines Läufers und das maximale Drehmoment entnehmen. Damit kann man schon einmal die maximale Winkelbeschleunigung unbelasteten Rotors abschätzen. Das ist zum Vergleich verschiedener Motoren vielleicht sinnvoll.

Also der Motor sollt max. 0,02 für die Umkehr der Richtung brauchen.

Da haben wir bereits eine Zahl, zusammen mit einer Einheit hätten wir dann eine verwertbare Angabe.

Würde ein Getriebe die Drehrichtungsumkehr nicht noch verlängern?

Nicht unbedingt. Die meisten Motoren haben - im Verhältnis zur hier gestellten Aufgabe - ein höheres Drehzahlpotential, bei eher geringen Drehmoment. Ein Getriebe kann da anpassen, besonders wenn das Trägheitsmoment des Rotors klein gegenüber dem Trägheitsmoment der Metallplatte ist.

Ich könnte mir vorstellen, daß ein zwischengeschaltetes elastisches Torsionselement die Drehmomentspitze entschärfen könnte.

Das wäre im Sinne der Aufgabenstellung eher schädlich, da die "Entschärfung" der Drehmomentspitze auf Kosten einer zusätzlichen Bewegung in die unerwünschte Richtung geht. Hier sollen hohe Beschleunigungen auftreten, das geht nur mit hohen Drehmomenten, die Frage ist, wie die aufgebracht werden können.

Vielleicht noch ein Gedankengang zur elektrischen Seite des Motors. Der besteht aus Spulen, also Induktivitäten, bei denen die Richtung des elektrischen Stroms bei Drehrichtungsumkehr umgekehrt werden muß. Obwohl in den meisten Fällen die mechanische Trägheit der zeitbestimmende Faktor für die Beschleunigung ist, sollte man im Hinterkopf behalten, daß man den Strom in Induktivitäten nicht beliebig schnell ändern kann. Es könnte also nützlich sein, einen Motor mit niedrigen Spuleninduktivitäten zu wählen. Das sind meistens die Motoren, die für eine relativ niedrige Nennspannung, bei relativ hohen Strömen ausgelegt sind.

Danke für die schnellen Anworten.

Die Winkelbeschleunigung ist, wenn man aus dem Stillstand 40° in 0,4s schaffen will, folgende:

v=winkel/zeit=40°/0,4s=100°/s
a=delta v/delta t=(100°/s)/0,4s=250°/s^2
entspricht 4,4rad/s^2

Der Motor müsste seine Drehrichtung innnerhalb 20ms ändern. Ist dies überhaubt möglich?

[Manf]

Man will Dir sicher helfen, aber es fehlt wohl an ein paar technischen Daten. (ranke, sprotte24)

Vorgegeben ist wie es aussieht eine Komfiguration mit einem Trägheitsmoment, die über der Zeit bestimmte Drehwinkel erreichen soll.
Damit kann man Berechnungen anstellen, Momente, Leistungen lassen sich damit bestimmen.

Eine Forderung nach der Drehrichtungsumkehr innerhalb einer kurzen Zeit läßt sich schwer beurteilen. In einem Drehwinkel-Zeitverlauf ist die Zeitdauer für eine Ríchtungsumkehr immer gerade null.
Manfred

[sprotte24]

Die Winkelbeschleunigung ist, wenn man aus dem Stillstand 40° in 0,4s schaffen will, folgende:

v=winkel/zeit=40°/0,4s=100°/s
a=delta v/delta t=(100°/s)/0,4s=250°/s^2
entspricht 4,4rad/s^2

Der Motor müsste seine Drehrichtung innnerhalb 20ms ändern. Ist dies überhaubt möglich?[/quote]

Wenn wir eine Translations- und eine Rotationsbewegung vergleichen:

Translation Rotation
----------- --------
Kraft Drehmoment
Masse Massenträgheitsmoment
Geschwindigkeit Winkelgeschwindigkeit
Beschleunigung Winkelbeschleunigung

Für eine Umkehr der Drehrichtung ist eine Änderung von omega nach -omega zuberücksichtigen, also um 2 omega,
mit omega=Winkelgeschwindigkeit.
Dazu müßte die Taktfrequenz des Schrittmotors unter möglichst guter Ausnutzung der zulässigen Zeitspanne linear auf 0 abgesenkt werden, dann wieder linear hoch in Gegenrichtung.

Gruß
Sprotte24

Nachtrag:
Übrigens beträgt die Rotationsenergie analog zu
m*v^2/2 theta*omega^2/2.
Dies muß ja 2x aufgebracht werden. Im Idealfall, bei 100% Motorwirkungsgrad wäre dies mindestens U*I*t (Spannung*Strom*Zeit)