Für die Automatisierung von Maschinen, die nur zwei bis drei Achsen elektrischer Aktuatoren benötigen, sind Impulsausgänge möglicherweise die einfachste Lösung.

Die Verwendung von Impulsausgängen einer SPS ist eine kostengünstige Methode zur Realisierung einfacher Bewegungsabläufe. Die meisten SPS-Hersteller bieten die Möglichkeit, Servos und Schrittmotoren über Impulsfolgen anzusteuern. Wenn also eine einfache Maschine mit nur zwei oder drei Achsen und elektrischen Aktuatoren automatisiert werden soll, sind Impulsausgänge deutlich einfacher einzurichten, zu verdrahten und zu programmieren als analoge Signale. Zudem können sie kostengünstiger sein als vernetzte Bewegungssteuerungen wie Ethernet/IP.

Betrachten wir also die Ansteuerung eines Schrittmotors oder Servos mit einem Treiber oder Verstärker zwischen Controller und Motor, wobei der Schwerpunkt auf den vom Controller oder Indexer verwendeten Impulssignalen liegt.

Grundlagen des Pulstrainings

Schrittmotoren und pulsgesteuerte Servomotoren können sich in beide Richtungen drehen. Daher benötigt der Controller mindestens zwei Steuersignale für den Antrieb. Es gibt zwei Möglichkeiten, diese Signale bereitzustellen, die von verschiedenen Herstellern unterschiedlich bezeichnet werden. Gängige Bezeichnungen für die beiden verwendeten Steuersignalarten sind: „1P-Modus“, auch „Schritt-/Richtungsmodus“ genannt, und „2P-Modus“, auch „CW/CCW-Modus“ oder Uhrzeigersinn-/Gegenuhrzeigersinn-Modus genannt. Beide Modi erfordern zwei Steuersignale vom Controller zum Antrieb.

Im 1P-Modus ist ein Steuersignal eine Impulsfolge oder ein „Schrittsignal“. Das andere Signal ist ein Richtungseingang. Ist der Richtungseingang aktiv und liegt am Schritteingang ein Impulssignal an, dreht sich der Motor im Uhrzeigersinn. Umgekehrt dreht sich der Motor gegen den Uhrzeigersinn, wenn das Richtungssignal inaktiv ist und am Schritteingang ein Impulssignal anliegt. Die Impulsfolge liegt unabhängig von der gewünschten Drehrichtung immer am selben Eingang an.

Im 2P-Modus bilden beide Signale eine Impulsfolge. Es liegt jeweils nur ein Eingangssignal mit einer Frequenz an. Liegt die CW-Impulsfolge an, dreht sich der Motor im Uhrzeigersinn (CW). Liegt die CCW-Impulsfolge an, dreht sich der Motor gegen den Uhrzeigersinn (CCW). Welches Eingangssignal die Impulsfolge empfängt, hängt von der gewünschten Drehrichtung ab.

Die vom Controller ausgegebenen Impulse versetzen den Motor in Bewegung. Der Motor dreht sich um eine Einheit pro Impuls am Impulseingang des Antriebs. Hat ein zweiphasiger Schrittmotor beispielsweise 200 Impulse pro Umdrehung (ppr), so dreht sich der Motor mit einem Impuls um 1/200 einer Umdrehung bzw. 1,8 Grad, und 200 Impulse ergeben eine vollständige Umdrehung.

Natürlich weisen verschiedene Motoren unterschiedliche Auflösungen auf. Schrittmotoren können mikroschrittgesteuert werden, wodurch sie mehrere tausend Impulse pro Umdrehung erzeugen. Auch Servomotoren erreichen in der Regel mindestens mehrere tausend Impulse pro Umdrehung. Unabhängig von der Motorauflösung bewirkt ein Impuls vom Controller oder Indexer eine Drehung um genau eine Einheit.

Die Drehzahl eines Motors hängt von der Impulsfrequenz ab. Je schneller die Impulse, desto schneller dreht sich der Motor. Im obigen Beispiel würde ein Motor mit 200 Impulsen pro Sekunde (pps) bei einer Frequenz von 200 Impulsen pro Sekunde (pps) eine Umdrehung pro Sekunde (rps) bzw. 60 Umdrehungen pro Minute (rpm) erreichen. Je mehr Impulse für eine Umdrehung (ppr) benötigt werden, desto schneller müssen die Impulse gesendet werden, um die gleiche Drehzahl zu erzielen. Beispielsweise müsste ein Motor mit 1000 ppr eine um den Faktor 10 höhere Impulsfrequenz aufweisen als ein Motor mit 200 ppr, um die gleiche Drehzahl zu erreichen. Die Berechnung ist recht einfach:

rps = pps/ppr (Umdrehungen pro Sekunde = Impulse pro Sekunde/Impulse pro Umdrehung)

Drehzahl = Umdrehungen pro Sekunde (60)

Steuerung der Impulse

Die meisten Steuerungen verfügen über eine Methode zur Bestimmung der Drehrichtung (im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn) und steuern die Signale entsprechend. Das heißt, der Programmierer muss normalerweise nicht ermitteln, welche Ausgänge aktiviert werden sollen. Viele SPSen bieten beispielsweise Funktionen zur Bewegungssteuerung mittels Impulssignal. Diese Funktion steuert die Ausgänge automatisch, um die korrekte Drehrichtung zu erreichen, unabhängig davon, ob die Steuerung für den 1P- oder 2P-Modus konfiguriert ist.

Betrachten wir zwei Bewegungen als einfaches Beispiel. Beide Bewegungen umfassen 1000 Impulse. Eine Bewegung erfolgt in positiver, die andere in negativer Richtung. Der Controller aktiviert die entsprechenden Ausgänge (unabhängig davon, ob 1P oder 2P verwendet wird), um den Motor bei 1000 Impulsen in positiver Richtung (üblicherweise im Uhrzeigersinn) drehen zu lassen. Gibt das Programm hingegen -1000 Impulse vor, aktiviert der Controller die entsprechenden Ausgänge für eine Bewegung in negativer Richtung (üblicherweise gegen den Uhrzeigersinn). Daher muss der Programmierer die Drehrichtung des Motors nicht manuell über den Programmcode steuern, da dies automatisch vom Controller übernommen wird.

Controller und Treiber bieten in der Regel die Möglichkeit, den Impulstyp per DIP-Schalter oder Softwareeinstellung auszuwählen. Es ist wichtig, dass Controller und Treiber identisch konfiguriert sind. Andernfalls kann es zu Fehlfunktionen oder einem vollständigen Ausfall kommen.

Absolute und inkrementelle Bewegungen

Die beiden häufigsten Bewegungsbefehle in der Bewegungssteuerung sind inkrementelle und absolute Bewegungsbefehle. Das Konzept der absoluten und inkrementellen Bewegungen verwirrt viele Anwender, unabhängig von der verwendeten Motorsteuerungsmethode. Diese Informationen gelten jedoch unabhängig davon, ob der Motor über Impulse, ein analoges Signal oder ein Netzwerk wie Ethernet/IP oder EtherCAT gesteuert wird.

Erstens: Wenn ein Motor mit einem Encoder ausgestattet ist, hängt die Art seiner Bewegungen nicht vom Encodertyp ab. Zweitens: Absolute und inkrementelle Bewegungen sind unabhängig davon möglich, ob ein absoluter oder inkrementeller Encoder vorhanden ist oder gar kein Encoder.

Bei der Bewegung einer linearen Achse mithilfe eines Motors, beispielsweise eines Kugelgewindetriebs, besteht (selbstverständlich) ein endlicher Abstand zwischen den beiden Enden des Aktuators. Anders ausgedrückt: Befindet sich der Schlitten an einem Ende des Aktuators, kann der Motor nur so weit gedreht werden, bis der Schlitten das gegenüberliegende Ende erreicht. Dies ist der Hub. Bei einem Aktuator mit 200 mm Hub ist beispielsweise ein Ende des Aktuators üblicherweise die Null- oder Ausgangsposition.

Eine absolute Bewegung transportiert den Schlitten unabhängig von seiner aktuellen Position zur gewünschten Position. Befindet sich der Schlitten beispielsweise in der aktuellen Position bei Null und soll 100 mm bewegt werden, sendet die Steuerung genügend Impulse, um den Aktor bis zur 100-mm-Markierung vorwärts zu bewegen und dort anzuhalten.

Beträgt die aktuelle Position des Aktuators jedoch 150 mm, so würde eine absolute Bewegung von 100 mm dazu führen, dass die Steuerung Impulse in negativer Richtung sendet, um den Aktuator um 50 mm zurückzubewegen und an der Position 100 mm anzuhalten.

Praktische Anwendungen

Das häufigste Problem bei der Verwendung von Impulssteuerungen liegt in der Verdrahtung. Die Signale werden oft versehentlich vertauscht. Im 2P-Modus bedeutet dies, dass der CCW-Ausgang mit dem CW-Eingang verbunden ist und umgekehrt. Im 1P-Modus bedeutet es, dass der Impulssignalausgang mit dem Richtungseingang und der Richtungssignalausgang mit dem Impulseingang verbunden ist.

Im 2P-Modus führt dieser Verdrahtungsfehler dazu, dass sich der Motor im Uhrzeigersinn dreht, wenn er gegen den Uhrzeigersinn laufen soll, und umgekehrt, wenn er sich im Uhrzeigersinn drehen soll. Im 1P-Modus ist die Fehlersuche schwieriger. Sind die Signale vertauscht, sendet die Steuerung eine Impulsfolge an den Richtungseingang, die jedoch keine Auswirkung hat. Gleichzeitig sendet sie eine Richtungsänderung (das Signal wird je nach Richtung ein- oder ausgeschaltet) an den Schritteingang, was einen kurzen Drehimpuls des Motors auslösen kann. Ein einzelner Bewegungsimpuls ist in der Regel kaum sichtbar.

Die Verwendung des 2P-Modus erleichtert die Fehlersuche und ist in der Regel auch für diejenigen leichter verständlich, die nicht viel Erfahrung mit dieser Art der Bewegungssteuerung haben.

Hier ist eine Methode, um den Zeitaufwand für die Fehlersuche an Impuls- und Richtungsachsen so gering wie möglich zu halten. So können sich die Ingenieure jeweils auf eine Sache konzentrieren. Dadurch vermeiden Sie, tagelang nach dem Verdrahtungsfehler zu suchen, der die Bewegung verhindert, nur um dann festzustellen, dass die Impulsausgabefunktion in der SPS falsch konfiguriert ist und Sie nie Impulse ausgegeben haben.

1. Bestimmen Sie den zu verwendenden Pulsmodus und verwenden Sie für alle Achsen denselben Modus.

2. Stellen Sie den Controller auf den richtigen Modus ein.

3. Stellen Sie den Antrieb auf den richtigen Modus ein.

4. Erstellen Sie das einfachste Programm in Ihrem Controller (normalerweise eine Jog-Funktion), damit der Motor langsam in die eine oder andere Richtung gedreht werden kann.

5. Geben Sie einen CW-Befehl und achten Sie auf Statusmeldungen im Controller, die anzeigen, ob Impulse ausgegeben werden.

Dies können beispielsweise LEDs an den Ausgängen des Controllers oder Statusanzeigen wie die Busy-Anzeige in der SPS sein. Auch der Impulsausgangszähler im Controller kann überwacht werden, um seine Wertänderung zu erkennen.

–Der Motor muss nicht an Ausgangsimpulse angeschlossen werden.

6. Wiederholen Sie den Test gegen den Uhrzeigersinn.

7. Wenn die Ausgabe von Impulsen in beide Richtungen erfolgreich ist, fahren Sie fort. Andernfalls muss zunächst die Programmierung geklärt werden.

8. Verbinden Sie den Controller mit dem Treiber.

9. Bewegen Sie den Motor in eine Richtung. Wenn es funktioniert, fahren Sie mit Schritt 10 fort. Wenn es nicht funktioniert, überprüfen Sie die Verkabelung.

10. Bewegen Sie den Motor in die entgegengesetzte Richtung. Wenn er funktioniert, haben Sie es geschafft. Wenn nicht, überprüfen Sie die Verkabelung.

In dieser ersten Phase wurden viele Stunden verschwendet, da die Pulsfrequenz so niedrig ist, dass der Motor extrem langsam läuft (ca. 1/100 U/min). Wenn man die Funktion nur an der Motorwelle erkennen kann, wirkt die Drehzahl möglicherweise nicht so niedrig, sodass man fälschlicherweise annimmt, der Motor gebe keine Pulse ab. Es empfiehlt sich, vor dem Test eine sichere Drehzahl anhand der Motorauflösung und der Anwendungsparameter zu berechnen. Manche glauben, sie könnten die Drehzahl einfach schätzen. Benötigt der Motor jedoch 10.000 Pulse für eine Umdrehung und die Pulsfrequenz beträgt 1.000 Pulse pro Sekunde, benötigt er 10 Sekunden für eine Umdrehung. Benötigt er hingegen 1.000 Pulse für eine Umdrehung und die Pulsfrequenz beträgt 1.000, dreht er sich einmal pro Sekunde (60 U/min). Das kann für den Test zu schnell sein, wenn der Motor an eine Last wie einen Kugelgewindetrieb mit begrenztem Verfahrweg angeschlossen ist. Es ist wichtig, Indikatoren zu beobachten, die anzeigen, ob Impulse ausgegeben werden (LEDs oder Impulszähler).

Berechnungen für die praktische Anwendung

Häufig zeigen HMIs die Entfernung und Geschwindigkeit der Maschine in Impulsen an, anstatt in technischen Einheiten wie Millimetern. Programmierer stehen oft unter Zeitdruck und nehmen sich nicht die Zeit, die Maschineneinheiten zu ermitteln und in technische Einheiten umzurechnen. Hier einige Tipps, die dabei helfen.

Kennt man die Schrittauflösung des Motors (Impulse pro Umdrehung) und die Bewegung pro Motorumdrehung (mm), so berechnet sich die Befehlsimpulskonstante als Auflösung/Strecke pro Umdrehung bzw. Impulse pro Umdrehung/Strecke pro Umdrehung.

Mithilfe der Konstante lässt sich ermitteln, wie viele Impulse benötigt werden, um eine bestimmte Strecke zurückzulegen:

Aktuelle Position (oder Entfernung) = Impulsanzahl/Befehlsimpulse konstant.

Um technische Einheiten in Impulse umzurechnen, muss zunächst die Konstante bestimmt werden, die die Anzahl der für eine bestimmte Bewegung benötigten Impulse festlegt. Im obigen Beispiel benötigt der Motor 500 Impulse für eine Umdrehung, wobei eine Umdrehung 10 mm entspricht. Die Konstante lässt sich berechnen, indem man 500 (Impulse pro Umdrehung) durch 10 (mm pro Umdrehung) teilt. Die Konstante beträgt also 500 Impulse/10 mm oder 50 Impulse/mm.

Mithilfe dieser Konstante lässt sich die Anzahl der Impulse berechnen, die für eine Bewegung über eine bestimmte Distanz benötigt werden. Um beispielsweise 15 mm zu bewegen, sind 15 mm × 50 ppm = 750 Impulse erforderlich.

Um einen Impulszählerwert in technische Einheiten umzurechnen, teilt man den Zählerwert einfach durch die Sollimpulskonstante. Zeigt der Impulszähler beispielsweise 6000 an und teilt diesen Wert durch die im obigen Beispiel berechnete Sollimpulskonstante, ergibt sich eine Aktorposition von 6000 Impulsen / 50 ppm = 120 mm.

Um eine Geschwindigkeit in mm vorzugeben und die entsprechende Frequenz in Hz (Impulse pro Sekunde) vom Regler berechnen zu lassen, muss zunächst die Geschwindigkeitskonstante bestimmt werden. Dies geschieht durch Ermittlung der Sollimpulskonstante (wie oben dargestellt), allerdings werden die Einheiten umgerechnet. Anders ausgedrückt: Gibt der Motor 500 Impulse pro Umdrehung (ppr) aus und bewegt sich der Aktor 10 mm pro Umdrehung, so bewegt sich der Aktor bei einer Sollimpulsfrequenz von 500 Impulsen pro Sekunde um 10 mm pro Sekunde. Die Division von 500 Impulsen pro Sekunde durch 10 mm pro Sekunde ergibt 50 Impulse pro Sekunde pro mm. Multipliziert man die Sollgeschwindigkeit mit 50, erhält man die korrekte Impulsfrequenz.

Die Formeln bleiben gleich, aber die Einheiten ändern sich:

Geschwindigkeitskonstante in pps = Impulse pro Umdrehung / Strecke pro Umdrehung

Pulsgeschwindigkeit (pps) = (Geschwindigkeitskonstante) × Geschwindigkeit in mm

Die Steuerung von Bewegungen mittels Impulszugsignalen mag zunächst komplex erscheinen. Doch schon bald die Signalarten und Einstellungen an Steuerung und Antrieben genau zu beachten, verkürzten die Möglichkeiten zur Inbetriebnahme erheblich. Zudem erleichterten grundlegende Berechnungen zu Beginn die Programmierung von Geschwindigkeiten und Strecken und führten zu intuitiveren Informationen auf den Bedienoberflächen der Maschinenbediener.