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antriebstechnik 11/2020

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antriebstechnik 11/2020

ELEKTROMOTOREN STEPPER

ELEKTROMOTOREN STEPPER SERVOS STANDARD-SCHRITTMOTOREN EFFIZIENTER NUTZEN Auf dem Gebiet der Schrittmotoren macht eine neue Antriebstechnik mit der Bezeichnung Stepper Servo von sich reden. Sie lässt viele altbekannte Verfahren in einem neuen Licht erscheinen und gewinnt damit Maschinenkonstrukteure zurück, die Schrittmotoren unter der Rubrik „Low Cost but Low Performance“ abgelegt und vergessen haben. Chuck Lewin ist Gründer und CEO von Performance Motion Devices Was die Technik so leistungsfähig macht, ist, dass sie einen generischen, also nicht anwenderspezifischen Schrittmotor einsetzen kann, und trotzdem mehr Performance aus ihm herausholt. Erreicht wird dies durch Hinzufügen eines Encoders und den Betrieb des Motors als kommutierten zweiphasigen bürstenlosen Gleichstrommotor. Die Tatsache, dass dazu ein Encoder benötigt wird, bedeutet, dass echte Low-Cost Applikationen keine guten Kandidaten für den Stepper Servo sind. Doch in Applikationen, die andernfalls einen bürstenlosen DC-Motor verwenden würden, entwickeln sich Stepper Servos mehr und mehr zu einer kostengünstigen Alternative. Der Stepper Servo soll dazu in der Lage sein, bürstenlose Motoren in Eigenschaften wie Beschleunigung und Drehmoment zu übertreffen. Das macht ihn zu einem Kandidaten für Applikationen mit schnellen punktweisen (point-topoint) Bewegungsprofilen, in Textilmaschinen, in der Spulenwicklung, in elektronischen High-Speed Kameras, und vielem mehr. 60 antriebstechnik 2020/11 www.antriebstechnik.de

Schrittmotoren sind vor allem deswegen populär, weil sie einfach einsetzbar sind. Sie erfordern keinen Encoder, um ihre Position zu halten und benötigen, anders als Bürstenoder bürstenlose Gleichstrommotoren, bei ihrer Positionierung keinen Servo-Regelkreis. Vorteile der Schrittmotoren sind außerdem niedrige Kosten, hohes Drehmoment und die bürstenlose Bauweise. Nachteile bestehen allerdings in den Vibrationen, der Geräuschentwicklung und dem begrenzten Drehzahlbereich. TECHNIK DES STEPPER-SERVOS Stepper-Servos werden manchmal auch als Closed-Loop Stepper bezeichnet (ein mehrdeutiger Ausdruck, da er auch zur Beschreibung der traditionellen Schrittmotorsteuerung verwendet wird, die einen Encoder verwendet, um die endgültige Position zu verifizieren und dabei die Regelschleife „schließt“). Der Betrieb des Stepper Servos unterscheidet sich in dreifacher Weise von der regulären Schrittmotor-Operation. Der erste Unterschied besteht darin, dass er einen zusätzlichen Encoder zum Schrittmotor benötigt, und zwar einen mit recht hoher Auflösung. Für Standard 1,8 ° Schrittmotoren sollte man einen Encoder mit nicht weniger als 2 000 Positionen pro mechanischer Umdrehung vorsehen. Für 7,2 ° Schrittmotoren sind 500 das absolute Minimum. Der zweite Unterschied bezieht sich darauf, dass der Betrieb des Stepper Servos den Motor als bürstenlosen DC- Motor betrachtet und den Phasenwinkel auf der Basis der tatsächlichen Encoder-Position statt der Soll-Position kommutiert. Wenn man das Kräftediagramm entsprechend abändert, kann man erkennen, wie das kommutierte Phasenverhalten darauf hinweist, dass der Schrittmotor am steilsten Anstieg des Kräfte-Tals betrieben wird, und nicht am Punkt des Äquilibriums. Der dritte Unterschied ist, dass der höchste Punkt und der Phasenwinkel der Wellenform nicht konstant sind, sondern kontinuierlich in Abhängigkeit vom Ausgangssignal einer PID-Schleife variieren, die als Servo für die Sollposition fungiert. Auch das entspricht dem Betrieb eines bürstenlosen DC-Motors. BESONDERHEITEN DES STEPPER SERVOS Beim Betrieb als Servomotor bestimmt der Encoder die jeweilige Lage des Schrittmotors, wodurch das Problem verlorener Schritte nicht länger besteht. Außerdem läuft der Motor beim Betrieb als Stepper Servo effizienter, wodurch im Motor weniger Wärme entsteht. Kommutierte Motoren geben gerade das richtige Drehmoment ab, um das gewünschte Bewegungsprofil zu erreichen. Wohingegen traditionell gesteuerte Schrittmotoren mit einem großen konstanten Strom betrieben werden, der in der Lage sein muss, die Worst-Case Bedingung des Bewegungsprofils zu verarbeiten. Genauigkeit hat hier zwei Dimensionen. Die Erste: Da der Encoder explizit die Position des Motors misst, werden die Unwägbarkeiten bei der Bestimmung der tatsächlichen Ruheposition des Rotors eines traditionellen Schrittmotors eliminiert. Die zweite Dimension besteht darin, dass die Positioniergenauigkeit nicht mehr mit dem Winkel pro Schrittzahl (z. B. 1,8 °/Schritt) des Motors und der Auflösung der Mikrostep-Schaltung verknüpft ist. Beim Stepper Servo wird die theoretisch mögliche Positionsauflösung nur durch die Auflösung des Encoders bestimmt. Deshalb kann derselbe Motor GINO RESISTORS Maßgeschneiderte Lösungen Brems- Last-, Anlass-, Filter- und Erdungswiderstände Verkehrstechnik >> Besuchen Sie uns im Internet unter: www.gino.de GINO AG Elektrotechnische Fabrik Friedrich-Wöhler-Straße 65 D-53117 Bonn Tel.: +49 (0) 228-98 98 6-0 Fax: +49 (0) 228-98 98 6-38 E-Mail: info@gino.de GINO AG Niederlassung Eisenach Heinrichstraße 47 D-99817 Eisenach Tel.: +49 (0) 36 91-777-0 Fax: +49 (0) 36 91-777-307 E-Mail: info@gino.de

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