Schrittmotorsysteme bilden das Fundament der Antriebstechnik. Wir betrachten die Unterschiede zwischen Systemen mit offenem und geschlossenem Regelkreis und erläutern die neuesten Entwicklungen, die Schrittmotorsysteme noch schneller, leiser und energieeffizienter machen als je zuvor.

Schrittmotorsysteme haben seit ihren Anfängen mit Spannungssteuerung und Vollschrittbetrieb eine bemerkenswerte Entwicklung durchlaufen. Zuerst kamen PWM-Ansteuerungen und Mikroschrittbetrieb, dann digitale Signalprozessoren (DSPs) und Antiresonanzalgorithmen. Dank neuer Closed-Loop-Schrittmotortechnologie bleiben Schrittmotoren auch in den kommenden Jahren ein Eckpfeiler der Antriebstechnik.

Ob lineare oder rotatorische Bewegung – Drehmoment und Wirkungsgrad sind die beiden wichtigsten Kriterien für die Auswahl geeigneter Motoren und Antriebssysteme. Dies gilt unabhängig davon, ob es sich um ein automatisiertes Montagesystem, eine Materialhandhabungsmaschine, einen 3D-Drucker, einen kartesischen Positionierer, eine Schlauchpumpe oder eine der unzähligen anderen Anwendungen handelt, bei denen Schrittmotoren die bevorzugte Technologie darstellen.

Die neueste Entwicklung bei Schrittmotorsystemen ist der Einsatz kostengünstiger, hochauflösender Rückkopplungssensoren und fortschrittlicher digitaler Signalprozessoren (DSPs) zur Regelung der Schrittmotorbewegung. Solche Regelungen steigern die Leistung von Schrittmotoren im geschlossenen Regelkreis und übertreffen damit die von Systemen ohne Regelkreis. Wie wir sehen werden, ist ein solches System mit geschlossenem Regelkreis in einem integrierten Motordesign implementiert, das einen Rückkopplungssensor, Treiber- und Controllerplatinen, Stromversorgungs-, Kommunikations- und I/O-Elektronik sowie Systemanschlüsse an der Seite und Rückseite des Motors umfasst.

Schrittmotorsysteme mit offenem vs. geschlossenem Regelkreis
Zunächst wollen wir untersuchen, wie sich Hochleistungs-Schrittmotorsysteme mit geschlossenem Regelkreis im Hinblick auf Drehmoment und Effizienz von herkömmlichen Schrittmotorsystemen mit offenem Regelkreis unterscheiden.

Geschlossene Schrittmotorsysteme bieten im Vergleich zu offenen Systemen eine deutlich höhere Leistung, wie Labortests belegen. Dabei wurden Beschleunigung (Drehmoment), Wirkungsgrad (Leistungsaufnahme), Positionsgenauigkeit, Wärmeentwicklung und Geräuschpegel beider Systeme verglichen. Man betrachte nur den Zusammenhang zwischen Drehmoment und Beschleunigung. Drehmoment-Drehzahl-Kennlinien zeigen den maximalen und kontinuierlichen Drehmomentbereich eines geschlossenen Schrittmotorsystems neben dem nutzbaren Drehmomentbereich eines offenen Schrittmotorsystems. In der Praxis führt Drehmoment häufig zu Beschleunigung – Motoren mit höherem Drehmoment können eine gegebene Last also schneller beschleunigen.

Um diesen Unterschied im Drehmomentverhalten im Labor zu testen, werden gleich große Schrittmotorsysteme im offenen und geschlossenen Regelkreis mit identischen Trägheitslasten beaufschlagt. Die Programmierung weist die beiden Systeme an, identische Bewegungsprofile auszuführen, wobei Beschleunigungsrate und Höchstgeschwindigkeit in jedem System langsam erhöht werden, bis Positionsfehler auftreten.

Angenommen, das System im offenen Regelkreis erreicht eine maximale Beschleunigung von 1000 Umdrehungen pro Sekunde.²und eine Höchstdrehzahl von 10 U/s (600 U/min). Diese Höchstdrehzahl von 10 U/s entspricht dem Ende des flachen Abschnitts der Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie. Das geschlossene Regelsystem erreicht aufgrund seines höheren Drehmoments eine maximale Beschleunigung von 2000 U/s.²und eine Höchstgeschwindigkeit von 20 U/s (1.200 U/min). Dies ist die doppelte Leistung des Systems ohne Regelkreis und halbiert die Bewegungszeit nahezu – von 110 ms auf 60 ms.

Bei Anwendungen, die einen hohen Durchsatz erfordern (wie z. B. Indexierung, Kantenführungspositionierung und Bestückungssysteme), bietet das geschlossene Regelsystem einen klaren Leistungsvorteil.

Wirkungsgrad im offenen Regelkreis vs. im geschlossenen Regelkreis

Um die relative Effizienz eines offenen und eines geschlossenen Regelkreises zu messen, wiederholen wir denselben Test mit zwei gleich großen Motoren. Diesmal laufen die Motoren des offenen und geschlossenen Regelkreises parallel mit denselben Massenträgheitslasten, jedoch mit einer Programmierung, die die Bewegungsprofile konstant und identisch hält, sodass beide Systeme die gleiche Arbeit verrichten.

Während die beiden Motoren wiederholt dasselbe Bewegungsprofil ausführen, wird die Stromaufnahme des Gleichstromnetzteils gemessen und der Stromverbrauch berechnet. Wie aus den Diagrammen ersichtlich, beträgt der durchschnittliche Stromverbrauch des offenen Schrittmotorsystems 43,8 Watt, während der des geschlossenen Systems nur ein Drittel davon beträgt – durchschnittlich 14,2 Watt. Dieser deutliche Unterschied im Stromverbrauch belegt die höhere Effizienz des geschlossenen Systems. Anwender, die die Systemeffizienz ihres offenen Schrittmotorsystems steigern möchten, können nun ein einfaches Upgrade auf ein geschlossenes System in Betracht ziehen und mit einem deutlich geringeren Verbrauch rechnen.

Wie man die Motorerwärmung angeht

Eine logische Erweiterung der Leistungsaufnahmetests ist die Untersuchung der Motorerwärmung. Schrittmotorsysteme im offenen Regelkreis sind relativ einfach aufgebaut. Man stellt den Antrieb einfach auf den Nennstrom des Motors ein, und der Antrieb versucht, diesen Strom dem Motor jederzeit bereitzustellen, unabhängig davon, ob das resultierende Drehmoment benötigt wird oder nicht. Dies führt häufig zur Wärmeentwicklung anstatt zur Energiebereitstellung für die Anwendung – und ist der Grund dafür, dass Schrittmotorsysteme im offenen Regelkreis typischerweise heißer laufen als ihre Pendants im geschlossenen Regelkreis. Maschinenkonstrukteure müssen daher zusätzliche Maßnahmen ergreifen, um diese Wärme abzuführen, beispielsweise durch spezielle Schutzvorrichtungen für Schrittmotoren, die in der Nähe von Bedienern betrieben werden, oder durch die Installation zusätzlicher Kühlsysteme wie Lüfter.

Betrachten wir die Ergebnisse eines Motorerwärmungstests, der in einem Labor mit denselben offenen und geschlossenen Regelsystemen wie oben durchgeführt wurde. In diesem Test verrichten beide Systeme erneut die gleiche Arbeit beim Antrieb derselben Massenträgheitslasten und laufen bis zum Erreichen des thermischen Gleichgewichts. Das offene System erreicht eine Gehäusetemperatur von 76,0 °C, während das geschlossene System das thermische Gleichgewicht bereits bei einer Gehäusetemperatur von nur 36,9 °C erreicht – weniger als die Hälfte der Temperatur des offenen Systems. Diese deutliche Reduzierung der Motorerwärmung kann für Maschinenbauer zu geringeren Bauteilkosten führen, da sie auf zusätzliche Schutz- und Kühlsysteme verzichten können.

Schluss mit lauten Motoren!

Ein weiterer häufiger Kritikpunkt an Schrittmotorsystemen mit offener Regelung ist deren relativ hohe Geräuschentwicklung. In bestimmten Umgebungen, wie Laboren, Krankenhäusern und Büros, kann diese Geräuschentwicklung ein echtes Problem für Maschinenkonstrukteure darstellen.

Die Geräusche von Schrittmotoren entstehen durch hohe elektrische Frequenzen und schnelle Flussänderungen in den Statorzähnen sowie dadurch, dass offene Systeme unabhängig von der Last mit vollem Nennstrom betrieben werden. Geschlossene Schrittmotorsysteme hingegen versorgen den Motor nur mit dem Strom, der zur Ansteuerung der Last erforderlich ist, wodurch die Geräuschentwicklung deutlich reduziert wird.

Um die in der diesem Artikel beigefügten Grafik dargestellten Testergebnisse zur Geräuschentwicklung zu erhalten, wurde die Geräuschentwicklung jedes Systems in einer schallisolierten Kammer gemessen. Das System mit geschlossenem Regelkreis ist bei Drehzahlen von 0 bis 20 U/s deutlich leiser als die Variante mit offenem Regelkreis. Dieser Drehzahlbereich entspricht dem typischen Anwendungsbereich von Schrittmotoren, was bedeutet, dass die überwiegende Mehrheit der Schrittmotoranwendungen von einer Geräuschreduzierung durch den Einsatz von Systemen mit geschlossenem Regelkreis profitieren könnte.

Höhere Motorgenauigkeit zur Beseitigung von Positionsfehlern

Schrittmotorsysteme im offenen Regelkreis sind aufgrund ihrer Fähigkeit, Lasten präzise ohne Rückkopplung oder Regelungssystem zu positionieren, sehr geschätzt. Dies gilt jedoch nur, wenn das System über eine ausreichende Drehmomentreserve verfügt, sodass im Normalbetrieb keine Positionsfehler auftreten. Für eine höhere Genauigkeit und ein robusteres Systemdesign ermöglicht die Schließung des Servopositionsregelkreises mithilfe der Rückmeldung des hochauflösenden Encoders die automatische Kompensation von Drehmomenterhöhungen, die in Systemen im offenen Regelkreis zu Positionsfehlern führen würden. Dadurch wird die Gesamtgenauigkeit des Systems deutlich verbessert, insbesondere bei hochdynamischen Anwendungen wie Pick-and-Place-Systemen und 3D-Druckern, die kurze, schnelle Bewegungen und häufige Richtungswechsel erfordern.

Aufrüstung bestehender Schrittmotorsysteme

Bei den Komponenten eines integrierten Schrittmotorsystems steigen die Kosten für Motor, Leistungsverstärker und Kommunikation im Allgemeinen nicht, wenn von einem offenen zu einem geschlossenen Regelkreis gewechselt wird. Die Steuerelektronik benötigt möglicherweise etwas mehr Rechenleistung oder Speicher für die Servosteuerung des Motors, was sich jedoch üblicherweise nicht auf den Listenpreis auswirkt. Der größte Kostenunterschied zwischen offenen und geschlossenen Schrittmotorsystemen liegt im zusätzlichen hochauflösenden Rückkopplungssensor. Dank verbesserter Fertigungstechniken sind diese Sensoren jedoch zunehmend erschwinglicher geworden. Daher bieten geschlossene Schrittmotorsysteme heute die Kostenvorteile offener Systeme gegenüber anderen Positioniersystemen – wie beispielsweise einem herkömmlichen Servo – bei gleichzeitig deutlich höherer Leistung in nahezu jeder Hinsicht. Typischerweise amortisieren die Energieeinsparungen und der höhere Durchsatz eines geschlossenen Systems die geringfügig höheren Kosten des Rückkopplungssensors schnell.

Neben minimalen Mehrkosten vereinfacht die Verfügbarkeit von NEMA-Baugrößen die Umrüstung von einem offenen auf ein geschlossenes Schrittmotorsystem. Ein geschlossener NEMA-23-Schrittmotor hat dieselbe Baugröße, denselben Pilotdurchmesser, denselben Lochkreis und denselben Lochdurchmesser wie ein offener NEMA-23-Schrittmotor, sodass die Montagehalterungen unverändert bleiben. Das höhere Drehmoment des geschlossenen Systems kann zwar einen größeren Wellendurchmesser des Schrittmotors bedingen, dies lässt sich jedoch in der Regel durch einen einfachen Austausch der Wellenkupplung beheben.