Motion Control Die Alternative zum Servo

Digital gesteuerte Antriebe mit Schrittmotoren sind robust und zeichnen sich durch sehr präzise Positionierungen aus. Weil ein Schrittmotor, solange man ihn nicht überlastet, exakt dem von außen...

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FAULHABER Antriebssysteme

IBR Leiterplatten GmbH & Co. KG

Shanghai Yongming Electronic Co., Ltd.

Oriental Motor Europa GmbH

Digital gesteuerte Antriebe mit Schrittmotoren sind robust und zeichnen sich durch sehr präzise Positionierungen aus. Weil ein Schrittmotor, solange man ihn nicht überlastet, exakt dem von außen angelegten Feld folgt, kann man ihn im Gegensatz zum Servomotor ohne Positionssensoren wie Encoder oder Drehgeber betreiben. Der Schrittmotor wird also auf Position gesteuert, ein Servo hingegen geregelt. Das hat Vorteile in der Anwendung.Schrittmotorantriebe haben aufgrund ihrer hohen Positioniergenauigkeit in Anwendungen der Medizintechnik, CNC-Maschinen, Druckern, Scannern oder Kopierern besondere Vorteile beispielsweise gegenüber Servomotoren. Im Gegensatz zum Servomotor werden beim Schrittmotor Geschwindigkeit und Position ohne Feedback-Mechanismus präzise gesteuert.Die geringe Notwendigkeit der Wartung macht Schrittmotoren besonders interessant für Anwendungen, bei denen Dauerbetrieb herrscht oder ein Ausfall des Motors gravierende Folgen haben könnte.Oriental Motor bietet bei Schrittmotorantrieben die 2- und 5-Phasen-Technik an, sowohl mit als auch ohne Treiber. Innerhalb der 5-Phasen-Schrittmotoren hat der japanische Hersteller ein besonderes Highlight entwickelt: die RK-Serie. Es ist ein Antrieb inklusive Treiber nebst Mikroschritt und Smooth-Drive-Funktion. Der Basisschrittwinkel (0,72°) des Motors wird in bis zu 250 Mikroschritte unterteilt (125000 pro Umdrehung), ohne dass ein Untersetzungsmechanis-mus oder andere mechanische Elemente verwendet werden.Die Kraft der fünf Phasen bietet interessante VorteileDies erlaubt Feinpositionierungen und eine Verringerung von Vibration und Betriebsgeräusch. Die Motoren müssen dabei weder beim Haltemoment noch bei der Dynamik Einbußen hinnehmen, was durch die bei der 5-Phasen-Technik übliche Modulation der Phasenströme erreicht wird. Sie ist im Gegensatz zur 2-Phasen-Technik nicht sinusförmig, sondern trapezförmig, sodass selbst im kritischen Drehzahlbereich von 60 min-1 ein ruhiger Lauf gewährleistet ist.Ein besonderes Merkmal der Elektronik ist die als Smooth-Drive bezeichnete Funktion. Damit ist gemeint, dass der Antrieb nach außen wie im Vollschritt mit 0,72° positioniert und 500 Eingangsimpulse pro Umdrehung benötigt, intern aber im Mikroschritt betrieben wird. Der Vorteil liegt darin, dass auf der einen Seite die Vorzüge des 5-Phasen-Mikroschrittantriebs in Form von geringeren Vibrationen und Betriebsgeräusch genutzt werden können, auf der anderen Seite für den externen Controller nur der Rechenaufwand eines im Vollschritt betriebenen Motors erforderlich ist. Bild 1 verdeutlicht den Unterschied der Vibration zwischen ein- und ausgeschalteter Smooth-Drive-Funktion: Im eingeschalteten Modus werden diese deutlich verringert.Der Treiber wird mit 230 V Eingangsspannung betrieben.Damit wird nicht nur das Netzteil der Maschine entlas-tet. Vielmehr steht eine hohe Zwischenkreisspannung zur Verfügung, was einerseits eine hohe Dynamik und Enddrehzahl bewirkt, andererseits durch die Erhöhung der Startfrequenz die Reaktionszeit des Motors deutlich verkürzt. Bild 2 zeigt diesbezüglich den Vergleich mit herkömmlichen Modellen. So lassen sich Arbeitszyklen deutlich reduzieren, was sich bei tausendfach wiederholten Operationen im Betrieb zu deutlich messbaren Produktions- und Rationalisierungsvorteilen addiert.Interessant ist weiterhin der Energiesparmodus der RK-Serie, welcher allerdings nur für den Typ mit elektromag-netischer Bremse verfügbar ist.Im Energiesparmodus wird die Stromversorgung zum Motor gestoppt, die Last wird währenddessen mit der elektromagnetischen Bremse gehalten. Durch das Unterbrechen der Stromversorgung steigt die Lebensdauer des Motors, weil Erwärmung und Energieverbrauch sinken. Diese Funktion ist somit insbesondere bei Applikationen mit längeren Motorstillstandszeiten nützlich. Mit dem Energiesparmodus beträgt die Leistungsaufnahme bei Motorstillstand lediglich 7 W, nur ein Bruchteil im Vergleich zum automatischen Stromunterbrechungsmodus mit 45 W. Über einen längeren Zeitraum gerechnet ergeben sich interessante Einsparungen.Nehmen wir eine Applikation, bei welcher der Betriebszyklus als 10 s Betrieb und 50 s Stillstand besteht. Die Leistungsaufnahme bei Motorstillstand pro Welle wurde auf ein Jahr hochgerechnet: Der Energiesparmodus der RK-Serie verringert die Leistungsaufnahme um 84%. Die RK-Serie ist mit CE, UL und cUL gekennzeichnet.Bemerkenswert ist, dass der Treiber so wenig elektromag-netische Störungen verursacht, dass die EMV-Grenzwerte ohne geschirmtes Kabel und ohne Ferritkern bis auf eine Leitungslänge von 20 m zwischen Motor und Treiber eingehalten werden. Gerade beim Einsatz von Schleppketten bietet dies ein gehöriges Einspar-potenzial, weil auf teure Kabel mit schleppkettentauglichem Schirm verzichtet werden kann.Fassettenreiche Auswahl an Typen und ModellenDie RK-Serie bietet die Flanschgrößen 60 und 85 mm, beim Rundwellentyp ohne Getriebe reicht das maximale Haltemoment bis 6,3 Nm. Typen mit elektromagnetischer Bremse sind ebenso erhältlich. Darüber hinaus gibt es Typen mit spielreduzierten Getrieben. Bei der Version mit Kegelradgetriebe (Zahnspiel 10 bis 35 Winkelminuten) stehen fünf Getriebeuntersetzungen von 1:3,6 bis 1:30 und ein maximales Haltemoment bis 12 Nm zur Verfügung. Mit Planetengetriebe (Zahnspiel zwei bis drei Winkelminuten) gibt es sechs Untersetzungen von 1:5 bis 1:50 und ein Haltemoment von bis zu 37 Nm. Das gleiche Haltemoment wird auch vom Typ mit Harmonic-Getriebe erreicht, bei dem es die beiden Untersetzungen 1:50 und 1:100 gibt.

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