Closed-Loop-Schrittmotoren ein großer Schritt in Richtung Servoanwendungen

CLOSED-LOOP-SCHRITTMOTOREN – EIN GROSSER SCHRITT IN RICHTUNG SERVOANWENDUNGEN

Mit geschlossenen Regelkreisen bieten Schrittmotoren für geringere Kosten die Genauigkeit und Effizienz von Servomotoren.

Einleitung

Der technische Fortschritt verschiebt bei immer mehr anspruchsvollen Automatisierungsanwendungen in der Industrie das Preis-Leistungs-Verhältnis zulasten von Servomotoren und zugunsten von Schrittmotoren.

Dank der Closed-Loop-Technologie (geschlossener Regelkreis) können die kostengünstigeren Schrittmotoren bei einer zunehmenden Anzahl von Applikationenwerden, die bislang den teureren Servomotoren vorbehalten schienen.

Schrittmotoren versus Servomotoren

In Anlagen, bei denen eine Drehzahl von über 800 1/min gefordert oder eine hohe dynamische Ansprechbarkeit gefragt ist, gelten Servomotoren der gängigen Meinung zufolge als überlegen. Schrittmotoren hingegen passen nach dieser Auffassung zu Anwendungen mit geringeren Drehzahlen oder mit niedrigen bis mittleren Beschleunigungen und zu solchen, bei denen ein hohes Haltedrehmoment erforderlich ist.

Woher rührt diese Meinung über die unterschiedlichen Anwendungsbereiche von Schritt- und Servomotoren nun?

Unterschiedliche Arten der Konstruktion

Ein Schrittmotor rotiert in Schritten, wobei eine Magnetspule einen Magneten Schritt für Schritt von einer Position zur nächsten bewegt. Damit sich der Motor um 100 Positionen in eine bestimmte Richtung bewegt, regelt der Schaltkreis ihn 100-mal. Der Schrittmotor bewegt sich dabei mithilfe von Impulsen stufenweise und kann genau positioniert werden, ohne dass ein Positionssensor erforderlich ist.


Bild 1 – Aufbau eines Hybridschrittmotors

Die Bewegung eines Servomotors hingegen wird auf eine andere Weise erzeugt: Hier wird ein magnetischer Rotor verwendet, der mit einem Positionssensor – einem Geber– verbunden ist. Dieser übermittelt fortlaufend die exakte Position des Rotors. Servomotoren berechnen den Unterschied zwischen der tatsächlichen und der angeforderten Position bzw Drehzahl des Motors und regeln die Bewegung entsprechend nach. Dieser geschlossene Regelkreis, also der Closed Loop, stellt sicher, dass der Motor genau den Anweisungen folgt.


Bild 2 – Pro2 Servomotoren

Einfachheit und Kosten

Schrittmotoren sind nicht nur kostengünstiger als Servomotoren, sie sind auch einfacher in der Inbetriebsnahme. In der Ruhelage sind Schrittmotoren stabil und halten die Position selbst bei einer dynamischen Belastung. Allerdings sind mit steigenden Anforderungen bei bestimmten Anwendungen komplexere und damit teurere Servomotoren zu verbauen.

Positionierung

Ein wesentlicher Unterschied zwischen Schritt- und Servomotoren liegt in solchen Anwendungen vor, bei denen es zu jedem Zeitpunkt erforderlich ist, genau zu wissen, an welcher Position sich der Antrieb befindet. Bei einer Antriebsanwendung mit offenem Regelkreis („Open Loop“) und Schrittmotor setzt die Steuerung stets voraus, dass sich der Motor ordnungsgemäß bewegt. Tritt ein Problem auf – zum Beispiel durch ein verklemmtes Teil, das den Motor anhält –, ist dem Regler die aktuelle Position des Antriebes nicht mehr bekannt. Die Position geht dem Reglerdamit verloren. Hier bietet der Closed Loop, der ja ein inhärenter Teil des Servomotors ist, einen Vorteil: Sollte der Antrieb blockiert werden, wird dies unmittelbar erfasst. Der Antrieb hält an, und die Position geht keinesfalls verloren.


Bild 3 –Closed Loop Regelung mit Positions-Feedback

Drehzahl und Drehmoment

Die unterschiedliche Performanz von Schritt- und Servomotoren ist in den unterschiedlichen Motorkonzeptionen begründet. Schrittmotoren haben wesentlich mehr Pole als Servomotoren. Folglich erfordert doch eine vollständige Umdrehung eines Schrittmotors im Vergleich deutlich mehr Stromschaltungen innerhalb der einzelnen Windungen, wodurch das Drehmoment bei steigender Drehzahl in hohem Maß abfällt. Zudem kann bei Schrittmotoren die Synchronisierung der Schritte verloren gehen, wenn das maximale Drehmoment überschritten wird. Aus diesen Gründen wird bei den meisten Anwendungen mit hohen Drehzahlen Servomotoren der Vorzug gegeben. Im Gegenzug bietet die große Anzahl an Polen bei einem Schrittmotor bei niedrigeren Drehzahlen einen Vorteil, da das Drehmoment größer ist als bei einem Servomotor gleicher Größe.


Bild 4 – Abnehmendes Drehmoment bei Schrittmotoren mit zunehmender Drehzahl

Wärme- und Energieverbrauch

Schrittmotoren mit Open Loop arbeiten mit konstanter Stromstärke und geben eine große Menge an Wärme ab. Bei feldorientierter Closed-Loop-Regelung entfällt das Problem der Wärmeabgabe, denn es wird nur der Strom bereitgestellt, der für die Geschwindigkeit erforderlich ist.

Zusammenfassung: Schrittmotoren versus Servomotoren

Servogesteuerte Systeme sind für Anwendungen mit hoher Drehzahl am besten geeignet, bei denen es außerdem hohe dynamische Belastungen gibt (zum Beispiel in der Robotik und in der Bahnbearbeitung ) ). Systeme mit Schrittmotor werden bevorzugt eingesetzt bei Anwendungen, die eine niedrige bis mittlere Beschleunigung erfordern, aber ein hohes Haltedrehmoment benötigen. Beispiele hierfür sind 3-D-Drucker, Förderanlagen, Zusatzwellen. Wegen ihrer geringeren Kosten können Schrittmotoren die Kosten von Automatisierungsanlagen verringern und werden deswegen bevorzugt eingesetzt, wenn dies möglich ist. Sollen Servomotoren verwendet werden, so müssen die höheren Kosten durch die damit verbundenen Eigenschaften motiviert sein.

Veränderte Wahrnehmung

Was geschieht, wenn die Vorteile der geschlossenen Regeltechnik auf Schrittmotoren übertragen werden können? Lassen sich die Kostenvorteile der Schrittmotoren beibehalten, und ist gleichzeitig eine mit Servomotoren vergleichbare Performanz erreichbar?

Indem die Closed –Loop-Technologie auf Schrittmotoren übertragen wird, kann man die Vorteile beider Systeme zum geringeren Preis der Schrittmotoren erhalten. Da sie eine klare Performance an den Tag legen und hinsichtlich der Energieeffizienz Vorteile zu bieten haben, können Closed-Loop-Schrittmotoren teurere Servomotoren bei einer zunehmenden Anzahl an anspruchsvollen Anwendungen ersetzen.


Bild 5 – Eindringen von Closed-Loop Schrittmotoren in Hochleistungs- und Drehzahl-Bereiche, die bislang Servomotoren vorbehalten waren

Mit stepIM bietet Servotronix Schrittmotoren mit feldorientierter Closed-Loop Regelung und integrierter Elektronik an.


Bild 6 – stepIM-Schrittmotoren von Servotronix mit Closed Loop

Die integrierte Elektronik regelt den Schrittmotor mit Sinuskommutierung und feldorientierterRegelung Geschwindigkeit sowie DQ-Stromregelung. Mittels der Closed-Loop Regelung mit einemSingleturn-Absolutwertgeber ist bei jeder Drehzahl die optimale Drehmomentnutzung gewährleistet.

Ferner sind Closed-Loop Schrittmotoren langfristiger und resonanzärmer als Open-Loop Schrittmotoren.

Schauen wir uns die stepIM-Schrittmotoren genauer an.

Geringerer Energieverbrauch weniger Wärmeabgabe

stepIM-Schrittmotoren sind effiziente Energieverbraucher: Anders als Open-Loop-Schrittmotoren, die dauerhaft mit voller Stromstärke angesteuert werden und deshalb neben Wärme auch Geräusch emittieren, fließt bei den stepIM-Motoren Strom nur dann, wenn er erforderlich ist, also beispielsweise bei der Be- und Entschleunigung. Wie Servomotoren nehmen diese Schrittmotoren stets Strom nur im Verhältnis zum jeweiligen Drehmoment auf. Da Motor und integrierte Elektronik dadurch mit weniger Verlust und folglich geringere Temperaturen erzeugen, können stepIM-Schrittmotoren beim Drehmoment hohe Spitzenwerte erreichen, wie sie bislang nur Servomotoren zugetraut wurden.


Bild 7 – Geringerer Strombedarf der stepIM-Schrittmotoren auch bei höheren Geschwindigkeiten

Große Übereinstimmung mit Leistungsanforderungen

Damit ein ausreichend großes Drehmoment sichergestellt wird, das zur Vermeidung eines Schrittverlustes auch Störungen überwindet, haben Open-Loop-Schrittmotoren in der Regel ein Drehmoment, das mindestens 40 Prozent über dem Wert liegt, der für die Anwendung erforderlich ist. Bei stepIM-Schrittmotoren verhält sich dies allerdings anders: Werden diese durch Stillstand überlastet, halten sie der Last entgegen, ohne an Drehmoment zu verlieren. Sobald die Blockade entfällt, laufen die Motoren dann weiter. Das maximale Drehmoment ist bei jeder Drehzahl sichergestellt, und Positionsgeber sorgen dafür, dass keine Schritte ausfallen. Auf diese Weise können Closed-Loop-Schrittmotoren den Drehmomentanforderungen der jeweiligen Anwendung bestmöglich entsprechen, ohne hierzu eine Reserve von 40 Prozent vorhalten zu müssen.

Bei Open-Loop-Schrittmotoren lassen sich kurzzeitige Drehmomentanforderungen wegen der Gefahr eines Schrittverlustes nur schwer erfüllen. Die stepIM-Schrittmotoren mit feldorientierter Closed-Loop Regelung hingegen erbringen auch sehr hohe Beschleunigungen, laufen viel ruhiger und haben ein geringeres Resonanzniveau als herkömmliche Schrittmotoren. Zudem können sie in höheren Bandbreiten arbeiten, wodurch sie eine überragende Performance liefern.

Dezentrale Installation

Bei stepIM-Schrittmotoren ist die Elektronik in den Motor integriert, was eine dezentrale Architektur ermöglichrt , die den Verkabelungsaufwand reduziert und die Installation vereinfacht. Mit stepIM lassen sich somit Antriebe installieren, ohne Platz im Schaltschrank zu benötigen


Bild 8 – Zentrale vs. Dezentrale Architektur

Nachstehend untersuchen wir die erbrachte Bewegungssteuerung in einer Anwendung zum Holzzuschnitt, bei der typischerweiseServomotoren verwendet werden. Hier kommen nun stepIM-Schrittmotoren mit Closed Loop zum Einsatz.

Closed-Loop-Schrittmotoren in Hochpräzisionssägen

Ein globaler Anbieter im Bereich der Industrieautomation baut und vertreibt jährlich mehrere Hundert Präzisions-CNC-Maschinen zur Herstellung von Holzfensterrahmen. Wegen der Anforderungen an genaue Synchronisierung und hohes Drehmoment benötigte die Anwendung in jeder Maschine etwa 20–30 pneumatische und elektronische Servomotoren, deren Kosten sich deutlich auf die Gesamtkosten der Anlage auswirkten.


Bild 9 – Hochpräzisionssäge zur Fertigung von Holzfensterrahmen

Nicht nur wirkten sich hohe Kosten der Servomotoren deutlich auf die Gesamtkosten der Anlage aus, sondern die beachtliche Anzahl an zusätzlichen Kabeln, die für die im

separaten Schaltschrank montierten Servo-Encoder erforderlich waren, erhöhten den Installations- und Wartungsaufwand.

Als das Unternehmen von den stepIM-Schrittmotoren von Servotronix mit Closed Loop erfuhr, wollte man kurzfristig prüfen, inwieweit diese in den Holzzuschnittanlagen einsetzbar sind.

„Bei der weltweiten Wettbewerbsfähigkeit unserer Highend-Maschinen sind die Kosten zu einem wichtigen Faktor geworden“, konstatiert der Leiter der Entwicklungsabteilung. „Aber dies würden wir nie zum Anlass nehmen, Kompromisse bei Leistung, Präzision und Zuverlässigkeit einzugehen.“

Falls kostengünstigere Closed-Loop-Schrittmotoren die gesetzten Performanzziele erreichen, könnte das Unternehmen diese statt der teureren Servomotoren nutzen und hätte damit einen absehbaren Marktvorteil.

Das Unternehmen begann daraufhinmit einem Pilotprojekt, bei dem in einer Maschine die Servomotoren durch stepIM-Schrittmotoren von Servotronix ersetzt wurden. Es waren lediglich dieAntriebe, die ausgetauscht werden sollten; die Steuerungr und das Kommunikationsprotokoll (CANopen) würden unverändert bleiben.

Zudem würde es natürlich eine weitere Vereinfachung geben, denn die stepIM-Motoren mit integrierter Regelungselektronik erfordern einen geringeren Verkabelungsaufwand. Dies erlaubt eine schnellere Kabelverlegung und erfordert wegen der geringeren Komplexität eine kürzere Installations- und Wartungsaufwand

Nach nur wenigen Monaten, während der Servotronix einen hervorragenden technischen Support bot, konnte das Unternehmen seine Maschine mit Schrittmotoren auf einer Messe vorstellen. Die Performance dieser Maschine lässt sich mit der Standardversion mit Servomotoren vergleichen.

Der Projektleiter war sehr zufrieden damit, da alle Umsetzungsziele erreicht werden konnten. „Wir konnten alle Servomotoren aus der Zielmaschine ausbauen und gegen stepIM-Schrittmotoren auswechseln. Die Software mussten wir zwar etwas umprogrammieren und im Vorlauf einige Tests durchführen, aber dennoch ließ sich die Anlage innerhalb weniger Monate zum Laufen bringen.“

Der nächste Schritt war die Prüfung, ob die Maschine mit den Schrittmotoren die Spezifikation bzgl. Präzision, Beschleunigung und Energieverbrauch einhalten würde.

Die Tests hierzu dauerten mehrere Monate. Danach entschied das Unternehmen, dass die Maschine mit stepIM–Schrittmotoren allen technischen Anforderungen genügt. Die Leistungswerte werden eingehalten, und gleichzeitig konnte die Komplexität gesenkt und die Kosten jeder Maschine um mehr als fünf Prozent verringert werden. Das Unternehmen hat nun damit begonnen, stepIM-Schrittmotoren in 300 neue Maschinen einzubauen.

Neue Chancen

Closed-Loop-Schrittmotoren verändern das Preis-Leistungs-Verhältnis bei Antriebssteuerungen zahlreicher Anwendungen. Außergewöhnliche Genauigkeit und hohe Energieeffizienz ermöglichen es, stepIM-Schrittmotoren in Anwendungen einzusetzen, in denen bisher teurere Servomotoren dominierten. Die stepIM-Schrittmotoren mit feldorientierter Closed-Loop-Regelung sind ideal für Mehrachsanwendungen, bei Positionierungsaufgaben mit wechselnden Lasten und in Anwendungen, die einen ruhigen Betrieb, kurze Rüstzeiten und eine genaue Positionierung erfordern.

Heute sind die stepIM-Schrittmotoren von Servotronix in vielen Bereichen zu finden, in denen früher nur Servomotoren eingesetzt wurden. Dazu gehören Holz- und Textilverarbeitung, Medizin- und Drucktechnik sowie Bereich der regenerativen Energie.

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