Schrittmotoren mit geschlossenem Regelkreis sind möglicherweise die beste Wahl für Aufgaben, die normalerweise von Servomotoren ausgeführt werden, da herkömmliche Schrittmotoren dafür nicht geeignet wären.

Eine der wichtigsten Entscheidungen, die Ingenieure bei der Entwicklung von Bewegungssteuerungen treffen müssen, ist die Wahl des Motors. Der richtige Motor – sowohl hinsichtlich Typ als auch Größe – ist entscheidend für die Betriebseffizienz der Maschine. Darüber hinaus ist es stets wichtig, sicherzustellen, dass der Motor das Budget nicht sprengt.

Eine der ersten Fragen bei der Entscheidungsfindung lautet: Welcher Motortyp ist am besten geeignet? Benötigt die Anwendung einen Hochleistungs-Servomotor? Wäre ein kostengünstiger Schrittmotor besser? Oder gibt es vielleicht eine dritte, mittlere Option?

Die Antworten beginnen mit den Anforderungen der jeweiligen Anwendung. Viele Faktoren müssen berücksichtigt werden, bevor der ideale Motortyp für die jeweilige Anwendung bestimmt wird.

Die Anforderungen

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

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

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

Aufgrund der Art dieser Berechnung gibt es jedoch viele verschiedene Kombinationen aus Drehmoment und Drehzahl, die eine bestimmte Leistung ergeben. Daher können verschiedene Motoren mit ähnlicher Nennleistung aufgrund der Kombination aus Drehzahl und Drehmoment, die sie bieten, unterschiedlich arbeiten.

Ingenieure müssen wissen, wie schnell sich eine bestimmte Last bewegen muss, bevor sie den passenden Motor auswählen können. Die auszuführende Arbeit muss zudem der Drehmoment-/Drehzahlkurve des Motors entsprechen. Diese Kurve zeigt, wie sich das Drehmoment eines Motors während des Betriebs verändert. Anhand von Worst-Case-Annahmen (d. h. der Bestimmung des maximal/minimal erforderlichen Drehmoments und der erforderlichen Drehzahl) können Ingenieure sicher sein, dass der gewählte Motor eine ausreichende Drehmoment-/Drehzahlkurve aufweist.

Die Trägheit der Last ist ein weiterer Faktor, der vor der Motorauswahl berücksichtigt werden sollte. Das Trägheitsverhältnis muss berechnet werden, d. h. der Vergleich zwischen der Trägheit der Last und der Trägheit des Motors. Eine Faustregel besagt: Wenn die Trägheit der Last das Zehnfache der Rotorträgheit übersteigt, kann die Motoreinstellung schwieriger sein und die Leistung kann nachlassen. Diese Regel variiert jedoch nicht nur je nach Technologie, sondern auch von Anbieter zu Anbieter und sogar von Produkt zu Produkt. Auch die Anwendungskritischkeit beeinflusst diese Entscheidung. Einige Produkte verarbeiten Verhältnisse von bis zu 30:1, während Direktantriebe mit bis zu 200:1 laufen. Viele Anwender scheuen sich, einen Motor zu dimensionieren, der ein Verhältnis von mehr als 10:1 überschreitet.

Gibt es physikalische Einschränkungen, die die Verwendung eines bestimmten Motors einschränken? Motoren gibt es in unterschiedlichen Formen und Größen. Manche Motoren sind groß und sperrig, und es gibt Anwendungen, in denen Motoren einer bestimmten Größe nicht eingesetzt werden können. Bevor eine fundierte Entscheidung über den besten Motortyp getroffen werden kann, sollten diese physikalischen Spezifikationen bekannt und verstanden sein.

Sobald Ingenieure alle diese Fragen – Drehzahl, Drehmoment, Leistung, Lastträgheit und physikalische Einschränkungen – beantwortet haben, können sie die effizienteste Motorgröße bestimmen. Der Entscheidungsprozess endet damit jedoch nicht. Ingenieure müssen auch herausfinden, welcher Motortyp am besten zur Anwendung passt. Jahrelang beschränkte sich die Wahl des Motortyps für die meisten Anwendungen auf zwei Optionen: einen Servomotor oder einen Schrittmotor mit offenem Regelkreis.

Servos und Schrittmotoren

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

In herkömmlichen Servosystemen sendet eine Steuerung Befehle an den Motorantrieb per Impuls und Richtung oder als analogen Befehl bezüglich Position, Geschwindigkeit oder Drehmoment. Manche Steuerungen verwenden 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 Motorrückmeldung wird an den Motorantrieb und bei Bedarf an die Steuerung gesendet. Der Antrieb benötigt diese Informationen, um den Motor richtig zu kommutieren und aussagekräftige Informationen über die dynamische Position der Motorwelle zu senden. Servomotoren gelten also als Motoren mit geschlossenem Regelkreis und enthalten eingebaute Encoder, und die Steuerung erhält häufig Positionsdaten. Diese Rückmeldung gibt der Steuerung mehr Kontrolle über den Motor. Die Steuerung kann in unterschiedlichem Maße Anpassungen am Betrieb vornehmen, wenn etwas nicht so läuft, wie es sollte. Diese Art wichtiger Informationen ist ein Vorteil, den Schrittmotoren mit offenem Regelkreis nicht bieten können.

Schrittmotoren arbeiten ebenfalls mit Befehlen an den Motorantrieb, um die zurückgelegte Strecke und die Geschwindigkeit zu bestimmen. Typischerweise handelt es sich bei diesem Signal um einen Schritt-und-Richtungs-Befehl. Schrittmotoren mit offenem Regelkreis können dem Bediener jedoch kein Feedback geben, sodass ihre Steuerung die Situation nicht richtig einschätzen und Anpassungen zur Verbesserung des Motorbetriebs vornehmen kann.

Reicht beispielsweise das Drehmoment eines Motors nicht aus, um die Last zu bewältigen, kann der Motor blockieren oder bestimmte Schritte verpassen. In diesem Fall wird die Zielposition nicht erreicht. Aufgrund der Open-Loop-Eigenschaften des Schrittmotors wird diese ungenaue Positionierung nicht ausreichend an die Steuerung übermittelt, um Anpassungen vorzunehmen.

Der Servomotor bietet klare Vorteile in puncto Effizienz und Leistung. Warum sollte man sich also für einen Schrittmotor entscheiden? Dafür gibt es mehrere Gründe. Der häufigste ist der Preis; Betriebsbudgets spielen bei jeder Designentscheidung eine wichtige Rolle. Bei knapper werdenden Budgets müssen Entscheidungen getroffen werden, um unnötige Kosten zu senken. Dies betrifft nicht nur die Kosten des Motors selbst, sondern auch die routinemäßige und Notfallwartung von Schrittmotoren ist im Vergleich zu Servomotoren tendenziell günstiger. Wenn die Vorteile eines Servomotors die Kosten nicht rechtfertigen, kann ein Standard-Schrittmotor ausreichend sein.

Aus rein betriebstechnischer Sicht sind Schrittmotoren deutlich einfacher zu bedienen als Standard-Servomotoren. Die Bedienung eines Schrittmotors ist deutlich einfacher zu verstehen und zu konfigurieren. Die meisten Mitarbeiter würden zustimmen, dass die Bedienung möglichst einfach gehalten werden sollte, wenn es keinen Grund für übermäßige Komplexität gibt.

Die Vorteile der beiden Motortypen sind sehr unterschiedlich. Servomotoren sind ideal, wenn Sie einen Motor mit Drehzahlen über 3.000 U/min und hohem Drehmoment benötigen. Für Anwendungen, die nur Drehzahlen von wenigen hundert U/min oder weniger erfordern, ist ein Servomotor jedoch nicht immer die beste Wahl. Für Anwendungen mit niedrigen Drehzahlen können Servomotoren überdimensioniert sein.

Bei Anwendungen mit niedriger Drehzahl sind Schrittmotoren die optimale Lösung. Schrittmotoren bieten nicht nur ein wiederholgenaues Anhalten, sondern sind auch für niedrige Drehzahlen mit hohem Drehmoment ausgelegt. Dank dieser Konstruktion können Schrittmotoren gesteuert und bis an ihre Drehzahlgrenzen betrieben werden. Die Drehzahlgrenze typischer Schrittmotoren liegt üblicherweise unter 1.000 U/min, während Servomotoren Nenndrehzahlen von bis zu 3.000 U/min und mehr erreichen können – manchmal sogar über 7.000 U/min.

Bei richtiger Dimensionierung kann ein Schrittmotor die perfekte Wahl sein. Läuft jedoch ein Schrittmotor im offenen Regelkreis und tritt ein Fehler auf, 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 von Schrittmotoren mit offenem Regelkreis entwickelt. Eine Methode war, den Motor beim Einschalten oder sogar mehrmals während einer Anwendung auf einen Sensor zu referenzieren. Obwohl dies einfach ist, verlangsamt es den Betrieb und erfasst keine Probleme, die während des normalen Betriebs auftreten.

Ein weiterer Ansatz besteht darin, Feedback hinzuzufügen, um zu erkennen, ob der Motor blockiert oder nicht in der richtigen Position ist. Ingenieure von Motion-Control-Unternehmen haben Funktionen zur Blockiererkennung und zur Positionserhaltung entwickelt. Es gibt sogar einige Ansätze, die noch weiter gehen und Schrittmotoren ähnlich wie Servomotoren behandeln oder sie zumindest mit ausgeklügelten Algorithmen nachahmen.

Im breiten Motorenspektrum – zwischen Servomotoren und Schrittmotoren mit offenem Regelkreis – gibt es eine relativ neue Technologie: den Schrittmotor mit geschlossenem Regelkreis. Er ist die beste und kostengünstigste Lösung für Anwendungen, die Positionsgenauigkeit und niedrige Geschwindigkeiten erfordern. Durch den Einsatz hochauflösender Feedback-Geräte zur Schließung des Regelkreises können Ingenieure das Beste aus beiden Welten nutzen.

Geschlossene Schrittmotoren bieten alle Vorteile von Schrittmotoren: Benutzerfreundlichkeit, Einfachheit und die Fähigkeit, konstant bei niedrigen Geschwindigkeiten zu laufen und präzise zu stoppen. Darüber hinaus bieten sie die Feedback-Funktionen von Servomotoren. Glücklicherweise muss dies nicht mit dem größten Nachteil eines Servomotors einhergehen: dem höheren Preis.

Der Schlüssel lag schon immer in der Funktionsweise von Schrittmotoren mit offenem Regelkreis. Sie verfügen typischerweise über zwei, manchmal fünf Spulen, zwischen denen ein magnetischer Ausgleich stattfindet. Bewegung stört dieses Gleichgewicht, wodurch die Motorwelle elektrisch zurückfällt, der Bediener jedoch nicht erkennen kann, wie weit sie zurückfällt. Der Haltepunkt ist bei Schrittmotoren mit offenem Regelkreis wiederholbar, jedoch nicht für alle Lasten. Durch die Anbringung eines Encoders am Schrittmotor und die Umwandlung in einen geschlossenen Regelkreis wird eine dynamische Steuerung ermöglicht. Dies ermöglicht dem Bediener, bei unterschiedlichen Lasten an einer exakten Stelle anzuhalten.

Diese Vorteile des Einsatzes von Closed-Loop-Schrittmotoren für bestimmte Anwendungen haben die Beliebtheit dieser Motoren in der Motion-Control-Branche deutlich erhöht. Insbesondere in zwei der wichtigsten Branchen, der Halbleiter- und Medizingeräteindustrie, ist ein deutlicher Anstieg des Einsatzes von Closed-Loop-Schrittmotoren zu verzeichnen. Ingenieure in diesen Branchen müssen genau wissen, wo Motoren Lasten oder Aktoren positioniert haben, unabhängig davon, ob sie einen Riemen oder eine Kugelumlaufspindel antreiben. Die Closed-Loop-Rückkopplung dieser Schrittmotoren gibt ihnen die genaue Position an. Diese Schrittmotoren bieten zudem bei niedrigeren Geschwindigkeiten eine bessere Leistung als Servomotoren.

Generell eignet sich jede Anwendung gut für Schrittmotoren mit geschlossenem Regelkreis, die eine garantierte Leistung zu geringeren Kosten als ein Servomotor und die Fähigkeit zum Betrieb mit relativ niedrigen Geschwindigkeiten erfordert.

Beachten Sie, dass Bediener sicherstellen müssen, dass der Antrieb oder die Steuerung Schrittmotoren mit geschlossenem Regelkreis unterstützen. Früher gab es Schrittmotoren mit einem Encoder auf der Rückseite, aber der Antrieb war ein Standard-Schrittmotor und unterstützte keine Encoder. Der Encoder musste zur Steuerung zurückgeführt werden, und am Ende einer Bewegung musste eine Positionsüberprüfung durchgeführt werden. Bei neuen Schrittmotoren mit geschlossenem Regelkreis ist dies nicht erforderlich. Schrittmotoren mit geschlossenem Regelkreis können die Positions- und Geschwindigkeitsregelung dynamisch und automatisch ohne Steuerungen übernehmen.