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antriebstechnik 9/2016

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ELEKTROMOTOREN Großer

ELEKTROMOTOREN Großer Dreh in Richtung Servo Warum Closed-Loop-Schrittmotoren die Genauigkeit und Effizienz von Servomotoren bieten Markus Erlich 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 können die kostengünstigeren Schrittmotoren bei einer zunehmenden Anzahl von Applikationen eingesetzt werden, die bislang den teureren Servomotoren vorbehalten schienen. Dr. Markus Erlich, ist Vice President Marketing bei Servotronix in Petach Tikva, Israel In Anlagen, bei denen eine Drehzahl von über 800 min -1 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? 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. 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. Einfachheit und Kosten: Schrittmotoren sind nicht nur kostengünstiger als Servo- motoren, 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 Regler damit 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. 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 42 antriebstechnik 9/2016

ELEKTROMOTOREN 01 Aufbau eines Hybridschrittmotors 03 Closed Loop Regelung mit Positions-Feedback 02 Pro2 Servomotoren 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. 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 (z. B. 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. Mit StepIM bietet Servotronix Schrittmotoren mit feldorientierter Closed-Loop Regelung und integrierter Elektronik an. Die integrierte Elektronik regelt den Schrittmotor mit Sinuskommutierung und feldorientierter Regelung Positions-, Geschwindigkeit sowie DQ-Stromregelung. Mittels der Closed-Loop Regelung mit einem Singleturn-Absolutwertgeber ist bei jeder Drehzahl die optimale Drehmomentnutzung gewährleistet. Ferner sind Closed-Loop Schrittmotoren langlebiger und resonanzärmer als Open-Loop Schrittmotoren. Geringerer Energieverbrauch weniger Wärmeabgabe StepIM-Schrittmotoren von Servotronix 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. Große Übereinstimmung mit Leistungsanforderungen Damit ein ausreichend großes Drehmoment sichergestellt wird, das zur Vermeidung antriebstechnik 9/2016 43

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