Schrittmotoren mit BLDC-Eigenschaften
Hybrid auf der Überholspur
Hybrid-Schrittmotoren sind in der Gerätetechnik sehr erfolgreich, wurden aber in der Industrie wegen ihres niedrigen Wirkungsgrades und der hohen Geräuschentwicklung bisher kaum eingesetzt. Unterstützt durch Elektronik und Software erhält der Schrittmotor zunehmend Eigenschaften eines BLDC-Servoantriebes. Damit empfiehlt sich der Einsatz solcher Hybridmotoren auch für Anwendungen im Maschinenbau - immer dann, wenn es auf Baugröße und Preis ankommt.
Bild: A-Drive Technology GmbHDie Entwicklungen auf dem Schrittmotormarkt sind beachtlich: Durch die Nutzung der Möglichkeiten von Software und Elektronik und einen verbesserten Aufbau der Antriebe hat sich die Zahl der Anwendungsgebiete für Stepper in kurzer Zeit vervielfacht.
Bild: A-Drive Technology GmbH
Bild: A-Drive Technology GmbHResonanzen und Erwärmung verhindern
Ein wesentlicher Nachteil von Schrittmotoren war bisher die große Erwärmung, da sie auch im Stillstand Nennstrom aufnehmen, den sie aber nicht in Bewegung umsetzen können. Mit der feldorientierten Closed-Loop-Regelung kann ein Stepper jedoch genauso wie ein Servomotor geregelt werden. Mit einem Drehgeber wird die Rotorlage erfasst und zusammen mit der Vektorregelung die senkrechte Position des Stator-und Rotor-Magnetfelds zueinander gewährleistet. So entspricht die Feldstärke dem gewünschten Drehmoment. Durch dieses System nimmt der Motor nur die benötigte Leistung auf, wodurch sich der Wirkungsgrad deutlich verbessert. Über den geschlossenen Regelkreis (Closed Loop) kann der Antrieb mit Momenten-, Drehzahl- oder Positionsregelung betrieben werden. Erforderlich ist hierfür ein Istwert-Signal für Rotorlage, Drehzahl und Position. Da geberlose Regelungen für kleine Antriebsleistungen nur mit Einschränkungen möglich sind, ist ein Encoder zur Reduzierung der Kompaktheit sowie Erhöhung der Kosten erforderlich. Bei der Entwicklung der Closed-Loop-Motoren und -Aktuatoren CLM und CLA hat sich A-Drive dieser Herausforderung angenommen. Als integrierte Antriebseinheiten verfügen sie über einen magnetischen Sensor, der Ansteuerplatine für dessen Datenverarbeitung. Die verbaute Elektronik regelt die stepIM-Schrittmotoren mit Sinuskommutierung und feldorientierter Geschwindigkeits-, Positions- und DQ-Stromregelung. So werden sie zu einem momentenstarken integrierten Motor, der ohne Getriebe ein geeigneter Antrieb für Linearaktuatoren ist. Wichtig für die Auslegung ist, dass - anders als bei Open-Loop-Motoren - bei Closed-Loop-Steppern keine Dimensionierung mit Kraftreserve erforderlich ist, die mindestens 20 Prozent über dem für die Anwendung nötigen maximal Drehmoment liegt. Die Auslegung erfolgt jetzt auf die real in der jeweiligen Anwendung auftretenden Werte. Genau wie bei einem Servoantrieb, bei dem bei jeder Drehzahl das maximale Drehmoment sichergestellt ist.
Alternative für Servoantriebe
Da die beschriebenen Schrittmotoren inzwischen an die Leistungsfähigkeit von Servoantrieben heranreichen, aber in der Anschaffung günstiger sind, empfiehlt A-Drive die Stepper auch für den Einsatz im Maschinen- und Anlagenbau. "Das sind quasi Torque-Motoren, nur ohne die damit verbundenen hohen Kosten", erläuert Manfred Brucksch-Richter, zuständig für das Business Development bei A-Drive, die Vorteile. Im Maschinenbau stellen moderne Schrittmotoren aufgrund ihrer guten Regelbarkeit in vielen Anwendungen eine Alternative zu Servoantrieben dar. Das betrifft vor allem die Miniaturisierung, die in vielen Industriebranchen zu finden ist. Was den Steppern bisher noch zum Erfolg fehlte, waren schnelle Kommunikationsschnittstellen und die Industrietauglichkeit durch hohe Schutzart und robuste Steckverbinder. Die A-Drive-Schrittmotoren bieten nicht nur diese Eigenschaften, sondern auch Schnittstellen wie CANopen und Ethercat.
Service für den Anwender
Die Zusammenstellung einer Antriebslösung auf der Basis eines Closed-Loop-Steppers und ihre Implementierung in eine konkrete Anwendung ist eine komplexe Angelegenheit. Es sind einige Fragen zu klären: Wie sind die Systemvoraussetzungen? Welche Geber werden eingesetzt? Muss der Antrieb autark arbeiten? Weil einige Unternehmen mit dieser Aufgabe überfordert sind, setzt A-Drive an dieser Stelle mit seinem Beratungsangebot an. Schließlich hat der Hersteller jahrzehntelange Erfahrung mit der Auswahl, Zusammenstellung und Integration von Antriebslösungen in verschiedenen Branchen und verfügt über enge Kontakte zu speziellen Antriebstechnikanbietern. "Wir wissen, welche Motoren sich für eine bestimmte Anwendung am besten eignen und finden deshalb eine passende und kostengünstigste Lösung für unsere Kunden", betont Brucksch-Richter. "Bei unserer Beratung betrachten wir auch die Verfügbarkeit, die immer wichtiger werdende Systemfähigkeit und die internationale Einsetzbarkeit der Produkte." Die Wahl des Antriebskonzeptes richtet sich heute unter anderem nach den in der Anwendung verwendeten Kommunikationsschnittstellen.
Hybrid-Schrittmotoren sind in der Gerätetechnik sehr erfolgreich, wurden aber in der Industrie wegen ihres niedrigen Wirkungsgrades und der hohen Geräuschentwicklung bisher kaum eingesetzt. Unterstützt durch Elektronik und Software erhält der Schrittmotor zunehmend Eigenschaften eines BLDC-Servoantriebes. Damit empfiehlt sich der Einsatz solcher Hybridmotoren auch für Anwendungen im Maschinenbau - immer dann, wenn es auf Baugröße und Preis ankommt.
Bild: A-Drive Technology GmbHDie Entwicklungen auf dem Schrittmotormarkt sind beachtlich: Durch die Nutzung der Möglichkeiten von Software und Elektronik und einen verbesserten Aufbau der Antriebe hat sich die Zahl der Anwendungsgebiete für Stepper in kurzer Zeit vervielfacht.
Bild: A-Drive Technology GmbHBild: A-Drive Technology GmbHResonanzen und Erwärmung verhindern
Ein wesentlicher Nachteil von Schrittmotoren war bisher die große Erwärmung, da sie auch im Stillstand Nennstrom aufnehmen, den sie aber nicht in Bewegung umsetzen können. Mit der feldorientierten Closed-Loop-Regelung kann ein Stepper jedoch genauso wie ein Servomotor geregelt werden. Mit einem Drehgeber wird die Rotorlage erfasst und zusammen mit der Vektorregelung die senkrechte Position des Stator-und Rotor-Magnetfelds zueinander gewährleistet. So entspricht die Feldstärke dem gewünschten Drehmoment. Durch dieses System nimmt der Motor nur die benötigte Leistung auf, wodurch sich der Wirkungsgrad deutlich verbessert. Über den geschlossenen Regelkreis (Closed Loop) kann der Antrieb mit Momenten-, Drehzahl- oder Positionsregelung betrieben werden. Erforderlich ist hierfür ein Istwert-Signal für Rotorlage, Drehzahl und Position. Da geberlose Regelungen für kleine Antriebsleistungen nur mit Einschränkungen möglich sind, ist ein Encoder zur Reduzierung der Kompaktheit sowie Erhöhung der Kosten erforderlich. Bei der Entwicklung der Closed-Loop-Motoren und -Aktuatoren CLM und CLA hat sich A-Drive dieser Herausforderung angenommen. Als integrierte Antriebseinheiten verfügen sie über einen magnetischen Sensor, der Ansteuerplatine für dessen Datenverarbeitung. Die verbaute Elektronik regelt die stepIM-Schrittmotoren mit Sinuskommutierung und feldorientierter Geschwindigkeits-, Positions- und DQ-Stromregelung. So werden sie zu einem momentenstarken integrierten Motor, der ohne Getriebe ein geeigneter Antrieb für Linearaktuatoren ist. Wichtig für die Auslegung ist, dass - anders als bei Open-Loop-Motoren - bei Closed-Loop-Steppern keine Dimensionierung mit Kraftreserve erforderlich ist, die mindestens 20 Prozent über dem für die Anwendung nötigen maximal Drehmoment liegt. Die Auslegung erfolgt jetzt auf die real in der jeweiligen Anwendung auftretenden Werte. Genau wie bei einem Servoantrieb, bei dem bei jeder Drehzahl das maximale Drehmoment sichergestellt ist.
Köhler & Partner GmbH
Dieser Artikel erschien in SPS-MAGAZIN 11 2018 - 29.10.18.Für weitere Artikel besuchen Sie www.sps-magazin.de
