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antriebstechnik 3/2015

antriebstechnik 3/2015

Energie, Zeit und Geld

Energie, Zeit und Geld sparen Strategien für den effizienten Betrieb von Schrittmotoren Markus Caspari Schrittmotoren erledigen Positionieraufgaben zuverlässig und präzise. Trotz ihrer kleinen Baugröße ermöglichen sie zudem hohe Drehmomente. Für den effizienten Betrieb der kleinen Allrounder sollten Anwender allerdings einige Regeln beachten. Ruud Vertommen, technischer Fachberater bei Distrelec, kennt Tricks und Tipps. Markus Caspari ist European Category Manager im Bereich Automation bei Distrelec in Bremen Schrittmotoren finden in zahlreichen Branchen Verwendung, z. B. in der Industrieautomation und der Medizintechnik; aber auch in Automaten, Sicherheitssystemen und Robotern. „Entsprechend der vielfältigen Anwendungsbereiche gibt es inzwischen eine Fülle von Produkten, die für Anwender durchaus verwirrend sein kann“, schildert Vertommen. Das technische Fachpersonal des Elektronikdistributors Distrelec erleichtert seinen Kunden mit einer anwendungsspezifischen Beratung die Wahl des richtigen Produktes. „Dabei geben wir selbstverständlich auch Tipps für einen effizienten Betrieb von Schrittmotoren.“ Regeln beachten, Kosten sparen Fakt ist: Wer sich für die richtigen Produkte entscheidet, kann beim Einsatz von Schrittmotoren Energie, Zeit und Geld sparen. Dabei gibt es laut Vertommen einige einfache Grundregeln: Überdimensionierte Aktuatoren sollten vermieden werden, denn oft kann ein kleinerer und günstiger Motor dieselbe Aufgabe erledigen. Ein wichtiger Faktor ist zudem der passende Motion Controller – er gewährleistet, dass alle Aufgaben möglichst schnell erledigt werden, was gegebenenfalls den Durchsatz erhöht. Nicht zuletzt sollten Anwender alle überflüssigen Features vermeiden. Schließlich sind die Schrittmotoren selbst günstig. Damit das so bleibt, sollten Zusatzkosten wie z. B. durch externe Mosfets (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor) möglichst vermieden werden. Im konkreten Fall helfen dabei Produkte, in denen Basis-Schaltungen bereits integriert sind. So hat Distrelec mit dem TMC-239 des Herstellers Trinamic einen Schrittmotortreiber im Programm, der eine Mosfet für Ströme bis zu 1.5 A enthält. „Das ist für viele Anwendungen völlig ausreichend“, erläutert Vertommen. „Der Anwender erhält zwei Komponenten zu einem Preis. Beschaffungsaufwand und Kosten für eine externe Lösung entfallen.“ Generell zeichnen sich die Lösungen von Trinamic durch die Vielzahl von integrierten Funktionen aus. Ein weiteres Beispiel dafür sind die Schrittmotor-Module des Unternehmens, die Motion Controller mit Treibern kombinieren. Sie sind sowohl für den Betrieb in der geschlossenen als auch in der offenen Schleife (Closed/Open Loop) erhältlich. Neu sind die Closed-Loop-Produkt familien TMCM-1310 und TMCM-1311. Sie vereinen die Vorteile von Servo-Antrieben mit den Stärken von Schrittmotoren. „Die sichere und exakte Positionierung ohne Sensorik ist einer der wesentlichen Vorteile von Schrittmotoren, hat aber auch Nachteile“, erklärt 38 antriebstechnik 3/2015

ELEKTROMOTOREN Vertommen. „Denn im Überlastfall geht die Positionsinformation verloren.“ Servo-Systeme hingegen erfordern bei Anwendungen mit großen Losbrechmomenten oder hohen Drehmomentanforderungen im unteren Drehzahlbereich zusätzliche Getriebe und damit mehr Bauraum. Höhere Effizienz für Schrittmotoren Die Module der Reihe TMCM-1310x bieten das Beste aus beiden Welten: Es stehen aus dem Stand heraus hohe Drehmomente bei kleinem Bauraum zur Verfügung. Die Einheiten liefern bei maximal 48 V dauerhaft bis zu 2,8 A Phasenstrom und verfügen über zahlreiche Schutz- und Diagnosefunktionen. Auflösungen von bis zu 256 Mikroschritten pro Vollschritt sind einstellbar. Die Module unterscheiden sich in den Interfaces: Das TMCM-1310 wird über EtherCAT gesteuert und stellt damit die erste Closed-Loop- Schrittmotorlösung dar, die auch kritischsten Echtzeitanforderungen standhält. Das TM- CM-1311 dagegen kann mit der Trinamic Motion Control Language (TMCL) im Standalone-Betrieb Programme ausführen oder aber vom PC oder von einer SPS über eins der verfügbaren Bussysteme gesteuert werden. Als Schnittstellen stehen CAN, RS485 und USB zur Verfügung. „Die Module sind auf einen besonders effizienten Betrieb von Schrittmotoren mit Encodern ausgelegt“, so Vertommen. „Durch das Positionsfeedback werden Abweichungen gemessen und der Strom entsprechend so geregelt, dass der Aktuator wieder auf die Zielposition zurückkehrt.“ Das spart einerseits Energie und macht andererseits Kühlmaßnahmen unnötig, weil die Eigenerhitzung des Motors reduziert wird. Betrieb in offener Schleife Nach demselben Prinzip funktioniert die coolStep-Technologie von Trinamic – mit dem Unterschied, dass sie sich auch in offener Schleife und mit Schrittmotoren ohne Encoder nutzen lässt. „In nahezu allen neueren Trinamic-Modulen ist coolStep integriert, z. B. in den Baureihen TMCM-1140, TMCM-1160 und TMCM-1180“, erläutert Vertommen. „Es handelt sich dabei um ein sensorloses Verfahren; die hochauflösende Lastmessung ist in den Treiber integriert.“ Mithilfe der so gewon nenen Informationen gelingt es, die Stromzufuhr lastgerecht und intelligent zu regeln. Der Motor bekommt auf diese Weise immer nur so viel Strom, wie er tatsächlich benötigt. „Die Besonderheit der coolStep- Technologie liegt darin, dass keine zusätzliche Sensorik benötigt wird und sie mit allen gängigen Schrittmotoren funktioniert“, betont der Fachberater von Distrelec. Die neue Technologie lasse sich so problemlos und einfach in bestehende Anlagen integrieren. Die Vorteile, von denen die Anwender profitieren, liegen auf der Hand: Geringere Verlustleistung, optimale Motorleistung, höhere Systemsicherheit, keine Sensorik und nicht zuletzt eine verbesserte Energieeffizienz, die zu einer spürbaren Reduktion der Betriebskosten führt. Mit coolStep wird aber nicht zuletzt auch eine bessere Ausnutzung des Drehmoments 01 Ruud Vertommen, technischer Fachberater bei Distrelec, hilft u. a. bei der Auswahl der richtigen Produkte möglich. „Typischerweise ist das Drehmoment in normalen offenen Schrittmotoren um bis zu 100 % überspezifiziert“, erläutert Vertommen. „So sollen Schrittverluste vermieden werden.“ Weil mit coolStep ein Positionsfeedback möglich ist, kann im Falle einer Abweichung der Soll- von der Ist- Position der Motorstrom kurzfristig stark erhöht werden. Diese Überbestromung macht dem Motor nichts aus, erlaubt aber bei Bedarf für kurze Zeit ein höheres Dreh moment. Somit ist unter Umständen auch der Einsatz von kleineren Motoren möglich, wobei der Anwender von geringeren Anschaffungs- und Betriebskosten profitiert. www.distrelec.de 02 02 Schrittmotoren finden z. B. in der Industrieautomation und in Robotern Verwendung 03 04 03 Die Closed-Loop-Produktfamilien vereinen Vorteile von Servo-Antrieben mit Stärken von Schrittmotoren 04 Trotz kleiner Baugröße ermöglichen Schrittmotoren hohe Drehmomente antriebstechnik 3/2015 39

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