Schrittmotoren mit geschlossenem Regelkreis sind möglicherweise die beste Wahl für Aufgaben, die normalerweise von Servos ausgeführt werden, da herkömmliche Schrittmotoren diese nicht bewältigen können.

Eine der wichtigsten Entscheidungen, die Ingenieure bei der Entwicklung von Bewegungssteuerungsprozessen treffen können, ist die Wahl des Motors. Für die Betriebseffizienz der endgültigen Maschine ist es von entscheidender Bedeutung, den richtigen Motor zu wählen, sowohl in Bezug auf Typ als auch Größe. Darüber hinaus ist es immer ein vorrangiges Anliegen, sicherzustellen, dass der Motor das Budget nicht sprengt.

Eine der ersten Fragen, die bei der Entscheidungsfindung beantwortet werden müssen, lautet: Welcher Motortyp wäre der beste? Benötigt die Anwendung einen leistungsstarken Servomotor? Wäre ein preisgünstiger Stepper besser? Oder gibt es vielleicht eine dritte, mittelschwere Option, die man in Betracht ziehen sollte?

Die Antworten beginnen mit den Anforderungen der spezifischen Anwendung. Es müssen viele Faktoren berücksichtigt werden, bevor der Motortyp bestimmt wird, der für eine bestimmte Anwendung ideal ist.

Die Anforderungen

Wie viele Zyklen pro Minute muss der Motor machen? Wie viel Drehmoment wird benötigt? Welche Höchstgeschwindigkeit ist erforderlich?

Diese kritischen Fragen können nicht einfach durch die Wahl eines Motors mit einer bestimmten Leistung beantwortet werden.

Die Ausgangsleistung eines Motors ist die Kombination aus Drehmoment und Drehzahl, die durch Multiplikation von Drehzahl, Drehmoment und einer Konstante berechnet werden kann.

Aufgrund der Natur dieser Berechnung gibt es jedoch viele verschiedene Kombinationen von Drehmoment und Drehzahl, die eine bestimmte Leistungsabgabe ergeben. Daher können verschiedene Motoren mit ähnlichen Nennleistungen aufgrund der Kombination aus Drehzahl und Drehmoment, die sie bieten, unterschiedlich arbeiten.

Ingenieure müssen wissen, wie schnell sich eine Last einer bestimmten Größe bewegen muss, bevor sie sich für den Motor entscheiden können, der am besten funktioniert. Die auszuführende Arbeit muss auch unter der Drehmoment-/Drehzahlkurve des Motors liegen. Diese Kurve zeigt, wie sich das Drehmoment eines Motors während des Betriebs ändert. Unter Verwendung von „Worst-Case“-Annahmen (d. h. der Bestimmung des maximalen/minimalen Drehmoments und der für die Aufgabe erforderlichen Drehzahl) können Ingenieure sicher sein, dass ein ausgewählter Motor über eine ausreichende Drehmoment-/Drehzahlkurve verfügt.

Die Trägheit der Last ist ein weiterer Faktor, der berücksichtigt werden sollte, bevor man sich mit der Entscheidungsfindung für einen Motor befasst. Es muss das Trägheitsverhältnis berechnet werden, das den Vergleich zwischen der Trägheit der Last und der Trägheit des Motors darstellt. Eine Faustregel besagt: Wenn die Trägheit der Last das Zehnfache der Trägheit des Rotors übersteigt, kann die Abstimmung des Motors schwieriger sein und die Leistung beeinträchtigen. Diese Regel variiert jedoch nicht nur von Technologie zu Technologie, sondern auch von Anbieter zu Anbieter und sogar von Produkt zu Produkt. Auch wie kritisch eine Bewerbung ist, beeinflusst diese Entscheidung. Einige Produkte bewältigen Übersetzungsverhältnisse von bis zu 30 zu 1, während Direktantriebe mit bis zu 200 zu 1 arbeiten. Viele Menschen mögen es nicht, einen Motor so zu dimensionieren, dass das Verhältnis 10 zu 1 überschreitet.

Schließlich gibt es physikalische Einschränkungen, die einen bestimmten Motor gegenüber einem anderen einschränken. Motoren gibt es in verschiedenen Formen und Größen. In einigen Fällen sind Motoren groß und sperrig, und es gibt bestimmte Betriebe, in denen ein Motor einer bestimmten Größe nicht untergebracht werden kann. Bevor eine fundierte Entscheidung über den besten Motortyp getroffen werden kann, sollten diese physikalischen Spezifikationen erkannt und verstanden werden.

Sobald Ingenieure alle diese Fragen beantwortet haben – Geschwindigkeit, Drehmoment, Leistung, Lastträgheit und physikalische Einschränkungen – können sie sich auf die effizienteste Motorgröße konzentrieren. Der Entscheidungsprozess endet hier jedoch nicht. Ingenieure müssen außerdem herausfinden, welcher Motortyp am besten für die Anwendung geeignet ist. Jahrelang beschränkte sich die Wahl des Typs für die meisten Anwendungen auf eine von zwei Optionen: ein Servomotor oder ein Schrittmotor mit offenem Regelkreis.

Servos und Stepper

Die Funktionsprinzipien für Servo- und Open-Loop-Schrittmotoren sind ähnlich. Es gibt jedoch wesentliche Unterschiede zwischen den beiden, die Ingenieure verstehen müssen, bevor sie entscheiden, welcher Motor für eine bestimmte Anwendung ideal ist.

In herkömmlichen Servosystemen sendet ein Controller Befehle über Impuls und Richtung oder einen analogen Befehl in Bezug auf Position, Geschwindigkeit oder Drehmoment an den Motorantrieb. Einige Steuerungen verwenden möglicherweise eine busbasierte Methode, bei den neuesten Steuerungen handelt es sich typischerweise um eine Ethernet-basierte Kommunikationsmethode. Der Antrieb sendet dann den entsprechenden Strom an jede Phase des Motors. Die Rückmeldung des Motors gelangt zurück zum Antrieb des Motors und bei Bedarf auch zur Steuerung. Der Antrieb ist auf diese Informationen angewiesen, um den Motor richtig zu kommutieren und gute Informationen über die dynamische Position der Motorwelle zu senden. Daher gelten Servomotoren als Motoren mit geschlossenem Regelkreis und enthalten eingebaute Encoder. Positionsdaten werden häufig an die Steuerung weitergeleitet. Durch diese Rückmeldung erhält der Controller mehr Kontrolle über den Motor. Der Controller kann den Betrieb in unterschiedlichem Ausmaß anpassen, wenn etwas nicht so läuft, wie es sollte. Solche entscheidenden Informationen sind ein Vorteil, den Schrittmotoren mit offenem Regelkreis nicht bieten können.

Schrittmotoren arbeiten auch anhand von Befehlen, die an den Motorantrieb gesendet werden, um die zurückgelegte Strecke und die Geschwindigkeit zu bestimmen. Typischerweise handelt es sich bei diesem Signal um einen Schritt- und Richtungsbefehl. Allerdings können Schrittmotoren mit offenem Regelkreis dem Bediener kein Feedback geben, sodass ihre Steuerung die Situation nicht richtig einschätzen und Anpassungen vornehmen kann, um den Motorbetrieb zu verbessern.

Wenn beispielsweise das Drehmoment eines Motors nicht ausreicht, um die Last zu bewältigen, kann der Motor abwürgen oder bestimmte Schritte verpassen. In diesem Fall wird die Zielposition nicht erreicht. Angesichts der Open-Loop-Eigenschaften des Schrittmotors wird diese ungenaue Positionierung nicht ausreichend an die Steuerung weitergeleitet, damit diese Anpassungen vornehmen kann.

Der Servomotor scheint klare Vorteile hinsichtlich Effizienz und Leistung zu haben. Warum sollte sich jemand also für einen Schrittmotor entscheiden? Es gibt mehrere Gründe. Der häufigste Faktor ist der Preis; Betriebsbudgets sind wichtige Überlegungen bei jeder Entwurfsentscheidung. Da die Budgets knapper werden, müssen Entscheidungen zur Reduzierung unnötiger Kosten getroffen werden. Dies bezieht sich nicht nur auf die Kosten des Motors selbst, auch die Routine- und Notfallwartung ist bei Schrittmotoren im Vergleich zu Servos tendenziell kostengünstiger. Wenn also die Vorteile eines Servomotors seine Kosten nicht rechtfertigen, kann ein Standard-Schrittmotor ausreichend sein.

Aus rein betrieblicher Sicht sind Schrittmotoren deutlich einfacher zu bedienen als Standard-Servomotoren. Die Bedienung eines Schrittmotors ist viel einfacher zu verstehen und einfacher zu konfigurieren. Die meisten Mitarbeiter würden zustimmen, dass man die Dinge einfach halten sollte, wenn es keinen Grund dafür gibt, Abläufe zu kompliziert zu machen.

Die Vorteile, die die beiden verschiedenen Motortypen bieten, sind sehr unterschiedlich. Servomotoren sind ideal, wenn Sie einen Motor mit Drehzahlen über 3.000 U/min und hohem Drehmoment benötigen. Für eine Anwendung, die nur Drehzahlen von einigen hundert U/min oder weniger erfordert, ist ein Servomotor jedoch nicht immer die beste Wahl. Servomotoren können für Anwendungen mit niedriger Geschwindigkeit übertrieben sein.

Bei Anwendungen mit niedriger Drehzahl erweisen sich Schrittmotoren als die bestmögliche Lösung. Schrittmotoren sind nicht nur reproduzierbar, wenn es ums Anhalten geht, sondern sind auch für den Betrieb bei niedriger Geschwindigkeit und gleichzeitiger Bereitstellung eines hohen Drehmoments ausgelegt. Aufgrund dieser Konstruktion können Schrittmotoren gesteuert und bis an ihre Geschwindigkeitsgrenzen betrieben werden. Die Geschwindigkeitsgrenze typischer Schrittmotoren liegt in der Regel unter 1.000 U/min, wohingegen Servomotoren Nenndrehzahlen von bis zu 3.000 U/min und mehr haben können – manchmal sogar über 7.000 U/min.

Wenn ein Stepper die richtige Größe hat, kann er die perfekte Wahl sein. Wenn jedoch ein Schrittmotor in einer Open-Loop-Konfiguration läuft und etwas schief geht, erhalten die Bediener möglicherweise nicht alle Daten, die sie zur Behebung des Problems benötigen.

Lösung des Open-Loop-Problems

In den letzten Jahrzehnten wurden verschiedene Ansätze zur Lösung der traditionellen Probleme mit Schrittmotoren mit offenem Regelkreis angeboten. Eine Methode war die Referenzierung des Motors auf einen Sensor beim Einschalten oder sogar mehrmals während einer Anwendung. Dies ist zwar einfach, verlangsamt jedoch den Betrieb und erfasst nicht Probleme, die während der normalen Betriebsabläufe auftreten.

Ein weiterer Ansatz besteht darin, eine Rückmeldung hinzuzufügen, um zu erkennen, ob der Motor blockiert oder nicht in der richtigen Position ist. Ingenieure von Motion-Control-Unternehmen haben Funktionen zur „Stallerkennung“ und „Positionserhaltung“ entwickelt. Es gibt sogar einige noch weitergehende Ansätze, die Schrittmotoren ähnlich wie Servos behandeln oder sie zumindest mit ausgefallenen Algorithmen nachahmen.

Im großen Spektrum der Motoren – zwischen Servos und Schrittmotoren mit offenem Regelkreis – liegt eine etwas neue Technologie, die als Schrittmotor mit geschlossenem Regelkreis bekannt ist. Es ist die beste und kostenbewussteste Möglichkeit, das Problem von Anwendungen zu lösen, die Positionsgenauigkeit und niedrige Geschwindigkeiten erfordern. Durch den Einsatz hochauflösender Feedback-Geräte zur Schließung des Regelkreises können Ingenieure das „Beste aus beiden Welten“ genießen.

Schrittmotoren mit geschlossenem Regelkreis bieten alle Vorteile von Schrittmotoren: Benutzerfreundlichkeit, Einfachheit und die Möglichkeit, bei niedrigen Geschwindigkeiten konstant zu laufen und präzise zu stoppen. Darüber hinaus bieten sie immer noch die Feedback-Fähigkeiten von Servomotoren. Glücklicherweise muss es nicht den größten Nachteil eines Servos mit sich bringen: den höheren Preis.

Der Schlüssel lag schon immer in der Funktionsweise von Schrittmotoren mit offenem Regelkreis. Sie haben typischerweise zwei Spulen, manchmal auch fünf, zwischen denen ein magnetischer Balanceakt stattfindet. Durch die Bewegung wird dieses Gleichgewicht gestört, wodurch die Motorwelle elektrisch zurückfällt, der Bediener jedoch nicht wissen kann, wie weit sie zurückfällt. Der Stopppunkt ist für Schrittmotoren mit offenem Regelkreis wiederholbar, jedoch nicht für alle Lasten. Durch die Anbringung eines Encoders am Stepper und die Herstellung eines geschlossenen Regelkreises wird eine dynamische Steuerung ermöglicht. Dadurch können Bediener bei unterschiedlichen Lasten genau an der Stelle anhalten.

Diese Vorteile der Verwendung von Schrittmotoren mit geschlossenem Regelkreis für bestimmte Anwendungen haben die Beliebtheit dieser Motoren in der Motion-Control-Community stark erhöht. Insbesondere in zwei der bekannteren Branchen, den Herstellern von Halbleitern und medizinischen Geräten, ist ein deutlicher Anstieg beim Einsatz von Schrittmotoren mit geschlossenem Regelkreis zu verzeichnen. Ingenieure in diesen Branchen müssen genau wissen, wo Motoren Lasten oder Aktuatoren positioniert haben, unabhängig davon, ob sie einen Riemen oder eine Kugelumlaufspindel antreiben. Durch die geschlossene Rückkopplung dieser Stepper wissen sie genau, wo sie sich befinden. Diese Stepper können auch bei niedrigeren Geschwindigkeiten eine bessere Leistung als Servos bieten.

Im Allgemeinen sind Schrittmotoren mit geschlossenem Regelkreis für jede Anwendung geeignet, die eine garantierte Leistung zu geringeren Kosten als ein Servomotor und die Fähigkeit zum Betrieb mit relativ niedrigen Drehzahlen benötigt.

Bedenken Sie, dass Bediener sicherstellen müssen, dass der Antrieb oder die Steuerung Schrittmotoren mit geschlossenem Regelkreis unterstützt. Früher konnte man einen Schrittmotor mit einem Encoder auf der Rückseite bekommen, aber der Antrieb war ein Standard-Schrittmotorantrieb und unterstützte keine Encoder. Der Encoder musste zur Steuerung zurückgebracht werden und am Ende einer bestimmten Bewegung musste eine Positionsüberprüfung durchgeführt werden. Bei neuen Closed-Loop-Schrittantrieben ist dies nicht erforderlich. Schrittantriebe mit geschlossenem Regelkreis können die Positions- und Geschwindigkeitssteuerung dynamisch und automatisch übernehmen, ohne dass Controller beteiligt sein müssen.