Schrittmotor mit träger Last verliert Tritt an 'harmloser' Stelle

[dronus]

Ich verwende einen Schrittmotor (NEMA 17 Baugröße), um eine sich drehendes Objekt anzutreiben. Dieses ist an einer zusätzlich gelagerten Achse befestigt. Die Drehzahl steigt / sinkt sehr langsam, im Stillstand soll das Objekt an einer definierten Position anhalten (wie ein Glücksrad...).

Der Motor wird z.B. von einem A4988 oder DRV8825 Treiber gesteuert (Mikroschrittbetrieb). Strom und Beschleunigung sind so eingestellt, dass der Motor das Objekt auf eine recht hohe Drehzahl (500-1000 U/min) bringen kann. Die Geschwindigkeitsrampen müssen natürlich fehlerfrei durchlaufen werden, damit die Motoren mit dem trägen Gebilde synchron bleiben.

Nun tritt ein interessantes Problem auf: Beim Herunterdrehen kommt es öfters mal zu einem Schrittverlust. Motor und Objekt verlieren dann den Takt und das Objekt dreht schneller als gewollt herunter. Erst wenn die Solldrehzahl fast bei Null angekommen ist, fasst der Motor plötzlich wieder und ruckt das Objekt mit. Hier merkt man auch schon, dass beim Herunterdrehen nicht gebremst wird, viel mehr wird nur weniger angetrieben und die Reibung tut ihre Pflicht.

Doch wie ist dieser Schrittverlust zu erklären? Die größte Kraft wirkt beim Beschleunigen, da dann Reibung und Beschleunigung zusammen überwunden werden. Im Moment des Fehlers dagegen muss der Motor nur eine sehr kleine Kraft halten (die Reibung hilft ohnehin beim Bremsen, und die Drehzahl ist in diesem Moment schon deutlich reduziert).

Was passiert hier?

[Peter(TOO)]

Hallo,

Doch wie ist dieser Schrittverlust zu erklären? Die größte Kraft wirkt beim Beschleunigen, da dann Reibung und Beschleunigung zusammen überwunden werden. Im Moment des Fehlers dagegen muss der Motor nur eine sehr kleine Kraft halten (die Reibung hilft ohnehin beim Bremsen, und die Drehzahl ist in diesem Moment schon deutlich reduziert).
Was passiert hier?

Physikalisch sind Beschleunigen und Verzögern genau das Selbe, nur das Vorzeichen der Kraft ändert sich!
Wenn man mit negativen Werten Beschleunigt, nennt sich das Bremsen.
Verzögern mit negativen Werten, nennt man Beschleunigen.

Einzig die Reibung ändert bei diesen Vorgängen das Vorzeichen nicht.

Kurz und schmerzlos: deine Bremsrampe ist zu steil!

MfG Peter(TOO)

[Klebwax]

Das sieht mir nach einer Resonanz aus. Ich zeige mal hier ein Bild
27864

das ich einem Dokument der Fa. geckodrive entnommen habe. Das ganze sollte hier zu bekommen sein:

Step Motor Basics Guide (https://www.geckodrive.com/gecko/images/cms_files/Step%20Motor%20Basics%20Guide.pdf)

MfG Klebwax

[RoboHolIC]

Motorbremsen heißt ja auch : Generatorischer Betrieb.
Vielleicht verträgt sich das nicht so gut mit dem Controller, zumindest dann, wenn das Verhältnis von Trägheitsmoment und Reibung sehr viel größer ist als z.B. bei den Antrieben einer CNC-Fräse. Im fraglichen Fall muss der Bremsvorgang ordentlich Energie aus dem System rauskriegen. Steigt evtl. die Versorgungsspannung des Treibers wegen der Energierückspeisung beim Bremsen unzulässig stark an?

[dronus]

Das mit der Resonanz ist interessant, mal sehen wie man das 'beweisen' kann. Das der Motor generiert glaube ich nicht, da der Rotor nach dem Verlust der Synchronisation bzw. bei stromlosen Motor noch stärker verzögert wird. Darum glaube ich, dass die Reibung alleine stärker bremst als meine Verzögerung. Das heisst, der Motor bremst nie, er treibt nur mehr oder weniger stark an.

[MagIO2]

@Klebwax
Danke für den interessanten Link!

Aber wenn man das liest, dann war mit dem Bild nicht das Problem gemeint, das hier im Thread beschrieben ist. Das Bild beschreibt das Drehmoment bei einer konstanten Drehgeschwindigkeit. Also wenn ich die Drehgeschwindigkeit konstant halten möchte, dann gibt es einen Bereich in dem der Drehmoment einbricht.

"Though it is possible to accelerate through the resonant region, it is not possible to operate the motor continuously in the speed band."

Ich sage jetzt nicht, dass es etwas analoges beim bremsen nicht vielleicht auch gibt - keine Ahnung! Ich sage nur, dass das Bild nicht zu dem Problem passt.

[Michael]

keine Ahnung! Ich sage nur, dass das Bild nicht zu dem Problem passt.
Passt das zusammen?
Schau doch mal über den Horizont.
Die Grafik beschreibt das Resonanzproblem bei einer bestimmten Drehzahl.
Ob du das Band von links nach recht beim Beschleunigen durchläufst, oder umgekehrt, ist egal.
Wenn im Resonanzbereich dein Treiber nicht aktiv gegenarbeiten kann, dann bricht das Drehmoment eben an dieser Stelle ein.
Ob er an der Stelle nicht mehr beschleunigt, oder eben nicht mehr bremst, ist doch Banane.


da der Rotor nach dem Verlust der Synchronisation bzw. bei stromlosen Motor noch stärker verzögert wird.
der Motor wird im Resonanzbereich wohl bei einem Vielfachen der Treiberfrequenz einrasten und dort von "falschen" Pulsen gebremst werden.
Ich würde hier mal mit den verschiedenen Mikroschrittmodi und vor allem mit dem Decay spielen.

Gruß, Michael

[MagIO2]

Das Bild beschreibt NICHT das Resonanzproblem bei EINER BESTIMMTEN Drehzahl. Speed ist analog zu Drehzahl. Das Bild beschreibt bei welchen konstanten Drehzahlen ein Resonanzproblem - und damit ein einbrechen des Drehmoments - auftritt.

Wenn du mir hier jedes Wort auf die Goldwaage legst, dann solltest du auch genauer in deinen Ausführungen sein. ;)

Wenn das stimmt was du sagst, ist dann ein Bremsen nicht auch analog zum Beschleunigen zu betrachten?
Und dazu sagen sie ja ".. it is possible to accelerate through the resonant region .."
Gilt dann nicht auch ".. it is possible to decelerate through the resonant region .." ???

So wie ich das Papier verstehe geht es ja bei diesem Effekt um einen Resonanz-Effekt, der sich nicht in der Rampe bemerkbar macht, sondern erst wenn sich der Motor bei einer konstanten Geschwindigkeit innerhalb dieses Geschwindigkeitsbandes auch aufschaukeln kann. Was das Paper komplett im dunkeln lässt ist auch die reale Bandbreite für die dieser Effekt zutrifft. Ist das wirklich ein so großer Bereich wie er auf dem Bild dargestellt wird, oder ist das Bild eher schematischer Natur und wir reden eher über relativ kleine Bereiche innerhalb des Drehzahlbereiches.
Ich gehe eher vom zweiten aus, weil sich Resonanzen in der Regel bei Vielfachen wiederholen und das ist ja auch nicht abgebildet.

Abgesehen davon schreib ich ja explizit: "Ich sage jetzt nicht, dass es etwas analoges beim bremsen nicht vielleicht auch gibt"

- - - Aktualisiert - - -


... Motor und Objekt verlieren dann den Takt und das Objekt dreht schneller als gewollt herunter. ...

Nochmal eine Verständnisfrage: Was heißt das genau?
Soll das heißen, dass es stärker abgebremst wird, als geplant? (schneller herunter)
Oder soll das heißen, dass es eine Weile schneller dreht als geplant? (dreht schneller)

[Peter(TOO)]

Hallo,

So wie ich das Papier verstehe geht es ja bei diesem Effekt um einen Resonanz-Effekt, der sich nicht in der Rampe bemerkbar macht, sondern erst wenn sich der Motor bei einer konstanten Geschwindigkeit innerhalb dieses Geschwindigkeitsbandes auch aufschaukeln kann. Was das Paper komplett im dunkeln lässt ist auch die reale Bandbreite für die dieser Effekt zutrifft. Ist das wirklich ein so großer Bereich wie er auf dem Bild dargestellt wird, oder ist das Bild eher schematischer Natur und wir reden eher über relativ kleine Bereiche innerhalb des Drehzahlbereiches.
Da es sich um ein Papier handelt, welches die grundsätzlichen Probleme beschreibt, kann die Kurve auch nur grundsätzlicher Natur sein ;-)

Das praktische Problem ist, dass man nicht nur den Motor alleine, sondern die gesamte Mechanik betrachten muss. Diese setzt sich nicht nur aus der rotierenden Gesamtmasse zusammen. Da spielt auch die Befestigung des Motors mit rein. Und natürlich haben die ganzen Einzelteile wiederum ihre eigenen Resonanzfrequenzen.

Wie breit dieser Bereich dann in Wirklichkeit ist, hängt von der Güte des Schwingkreises ab.

Wie bei allen Schwingkreisen gibt es einen Einschwingvorgang, laut Papier bewegt sich dieser in einen Zeitraum von 0.5-10s.
Deshalb ist es kein Problem diesen Bereich zu durchfahren, aber ein stabiler Betrieb ist in diesem Bereich nicht möglich, sobald die Einschwingzeit überschritten wird.



... Motor und Objekt verlieren dann den Takt und das Objekt dreht schneller als gewollt herunter. ...
Nochmal eine Verständnisfrage: Was heißt das genau?
Soll das heißen, dass es stärker abgebremst wird, als geplant? (schneller herunter)
Oder soll das heißen, dass es eine Weile schneller dreht als geplant? (dreht schneller)

Die Synchronisierung zwischen Bewegung und Drehfeld reisst ab. Dadurch bricht auch das Drehmoment des Motors zusammen.
Im Allgemeinen dreht beim Bremsen die Masse dann schneller als das Feld, beim Beschleunigen ist es umgekehrt.

Einen Schrittmotor muss man sich mehr wie eine Ratsche vorstellen.
http://de.wikipedia.org/wiki/Ratsche
So lange das Drehmoment klein genug ist dreht der Holzrahmen mit der Achse mit.
Wird das Haltemoment überschritten, dreht sich der Rahmen um die Achse.

MfG Peter(TOO)

[Ostermann]

Wenn die Last mit mitlaufendem Motor weniger gebremst wird als wenn der Motor aus dem Tritt kommt, bremst der Motor offenbar nicht so wie er soll, sondern wird mehr oder weniger von der Last mitgenommen. Welchen Treiber hast du denn nun, den Allegro oder den TI? Schau dir mal das Datenblatt zum A4988 an, Seite 7/8 zum Thema Mixed Decay Operation. Vielleicht hilft dir das weiter.

Mit freundlichen Grüßen
Thorsten Ostermann

[dronus]

Welchen Treiber hast du denn nun, den Allegro oder den TI?

Ich verwende jetzt den Allegro, dort tritt das Problem seltener auf. Dafür arbeitet er etwas lauter, und an den kritischen Stellen im Ablauf wo das Problem gerne auftritt, wird es besonders laut. Da kann man praktisch hören, wie sich etwas einschwingt würde ich sagen...

Es ist tatsächlich so, dass der Effekt um so seltener auftritt, je schneller die Rampen durchfahren werden. Also trotz der höheren nötigen Kraft geht es dann zuverlässiger.

Nach wie vor ist die Frage, wie ich überhaupt wissen kann, ob der Motor beim Bremsen wirklich bremst oder nur weniger stark mitläuft. Denn im stromlosen Zustand ist die Verzögerung stärker als mit meiner Verzögerungsrampe. Allerdings kann ich mir auch vorstellen das Motor oder Treiber im stromlosen Zustand trotzdem mehr Widerstand erzeugen als der synchron laufende Motor beim Verzögern hat. Darum weiss ich immer noch nicht, ob das Bremsen nun vom Motor oder von der mechanischen Reibung kommt.

- - - Aktualisiert - - -

Kann man eigentlich was darüber sagen ob der asynchron laufende Motor (also wenn er den Tritt verloren hat) stärker oder weniger stark bremst als ein stromloser Motor?

[Geistesblitz]

Wenn du den Treiber ausschaltest, ist das dann wirklich ein stromloser Zustand? Hört sich eher an, als ob der Motor dann einen auf Motorbremse macht. Braucht die Scheibe zum Austrudeln denn länger, wenn du das Motorkabel abziehst und dann andrehst?

Hört sich jedenfalls recht stark nach Resonanzproblemen an. Wenn man die Rampe langsamer durchfährt, braucht der Motor auch länger, um an einer Resonanzstelle vorbai zu kommen, wodurch er sich dann eher einschwingt. Würde zu deinen Beobachtungen passen.