Schrittmotor oder Servomotor? Bei der Planung in der Antriebstechnik stellt sich oft die Frage, welchen Motortyp setze ich in der jeweiligen Applikation ein. Dieser Beitrag soll Ihnen helfen, eine schnelle und einfache Vorauswahl bezüglich der erforderlichen Motortechnologie zu treffen.
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Der Autor Dipl.-Ing. (FH) Thomas Häckel ist Mitarbeiter der SIG Positec Automation GmbH, Lahr
Inhaltsverzeichnis
1. Welche Faktoren sind bei der Motorenauswahl zu beachten?
2. Möglichkeit 1: Der 3-Phasen-Schrittmotor
3. Möglichkeit 2: Der AC-Synchron-Servomotor
4. Sechs Punkte für die Auswahl der richtigen Antriebstechnologie
Welche Faktoren sind bei der Motorenauswahl zu beachten?
Elektromotoren müssen die Ihnen zugedachte Aufgabe bestmöglich erfüllen. Das gilt insbesondere auch für Applikationen, in denen ein Schrittmotor oder alternativ ein Servomotor zur Anwendung kommen. Vorab ist es deswegen wichtig, die Randbedingungen zu definieren:
- Auflösung und Positioniergenauigkeit, Wegstrecke und Positionierzeit
- erforderliche Motordrehzahl (Motornenndrehzahl), statisches Lastmoment (Motornennmoment)
- externes Massenträgheitsmoment (4faches Motorträgheitsmoment)
- Umgebungsbedingungen: Platzverhältnisse, Temperatur, …
- Preisvorstellung
Möglichkeit 1: Der 3-Phasen-Schrittmotor
Schrittmotoren sind bekannt als preisgünstige, robuste Antriebe und werden in den verschiedensten Maschinen eingesetzt. Die Anwendungen reichen hier von der einfachen Punkt-zu-Punkt-Positionierung im Bereich Handling und Automation über schnelle Kurzzeitbewegungen in der Textilbranche bis zu Präzisions-Gleichlaufbewegungen bei der Druckvorlagenaufbereitung. Der Anwender schätzt insbesondere den einfachen, robusten Aufbau (in der Regel ohne Rückmeldeeinrichtung), den wartungsfreien Betrieb und die einfache, schnelle Inbetriebnahme des Antriebs, relativ unabhängig von der Belastung und den trägen Massen.
- Unterschiede zum Servomotor:
Im Vergleich mit dem Servomotor zeichnet sich der 3-Phasen-Schrittmotor durch eine sehr hohe Steifigkeit im offenen Regelkreis aus, d.h. er hält seine Position auch unter Last. Ein weiterer Vorteil ist, daß er nicht wie ein Servomotor im Stillstand um seine Position „schwingt“ (Regelabweichungen im geschlossenen Regelkreis).
Voraussetzung für einen guten Gleichlauf und eine hohe Positioniergenauigkeit ist ein Motor mit einem möglichst geringem Rastmoment. Speziell im Micro-Step-Betrieb machen sich die Rastmomente besonders störend bemerkbar. Naturgemäß sind die Rastmomente bei Motoren mit kleinerer Strangzahl größer als bei Motoren mit größerer Strangzahl. - Leistungsansteuerung:
Für die Leistungsansteuerung des 3-Phasen-Schrittmotorenprogramms steht die Twin-Line-Gerätefamilie von SIG Positec als reine Leistungselektronik oder auch als Positioniersteuerung in zwei Leistungsklassen 350 und 750 W zur Verfügung.
Diese Gerätefamilie wurde speziell auf das 3-Phasen-Schrittmotorenprogramm abgestimmt, wobei dessen Resonanzverhalten durch den Einsatz eines Digitalen Signal Prozessors (DSP) in der Endstufe deutlich verbessert wurde. Dadurch konnte der Gleichlauf in Schrittmotoranwendungen stark erhöht und die Geräuschentwicklung wesentlich reduziert werden. Durch die einstellbaren Auflösungen von 200/400/500/1.000 und im Micro-Step-Betrieb alle Auflösungen x10 können mit der heutigen 3-Phasen-Schrittmotorengeneration 2- und 5- Phasen Schrittmotore ersetzt werden.
Möglichkeit 2: Der AC-Synchron-Servomotor
Servomotoren zeichnen sich durch eine hohe Leistungsdichte bei sehr kompakter Bauform aus und verfügen über hohe Impulsdrehmomente bis zum fünffachen Stillstandsdauerdrehmoment. Als Motorfeedback-Systeme für Lage und Drehzahl sind unterschiedliche Systeme wie Resolver, Inkrementalgeber mit Kommutierungsspuren, Sincoder oder Sincos-Geber als Single- oder Multiturn verfügbar. Je nach Applikation und Anforderung an die Performance des Servosystems muß das richtige System gewählt werden.
Der Anwendungsbereich ist auch hier ähnlich wie beim 3-Phasen-Schrittmotor. Zusätzlich zeichnet sich der Servoantrieb durch seinen großen Drehzahlbereich aus. Damit ist dieser Antrieb prädestiniert, hochdynamisch große Wegstrecken in kurzer Zeit zurückzulegen. Diese Eigenschaft wird häufig beim Einsatz von Linearachsen gefordert.
- AC–Servo-Leistungselektronik:
Die AC-Servo-Leistungselektronik-Geräte sind ein Teil der SIG Positec Gerätefamilie Twin Line und arbeiten als Stand-alone-Leistungselektronik. Durch den integrierten Digitalen Signal Prozessor (DSP) wird eine minimale Reglerabtastzeit und dadurch ein sehr gutes Regelverhalten erreicht.
Der AC-Synchron-Servomotor kann sowohl strom-, drehzahl- oder positionsgeregelt betrieben werden, wobei eine Umschaltung zwischen diesen drei Betriebsarten in der Bewegung ruckfrei erfolgen kann. Dadurch können im Fertigungsprozess kürzere Taktzeiten erreicht und somit höchste Anforderungen an das Automatisierungssystem erfüllt werden.
Die Geräte unterscheiden sich in vier Leistungsstufen von 750 W bis 8 kW mit ähnlichem Gehäuseaufbau. Identisch für alle vier Geräte sind jedoch die elektrischen Anschlüsse, der Funktionsumfang und die Bedienung. Die Ansteuerung von einer übergeordneten Positioniersteuerung wird über eine 10-V- oder über die Puls/Richtung-Schnittstelle („Schrittmotorbetrieb“) realisiert.
Durch die Verwendung der Gebersysteme Sincoder oder Sincos der Firma Stegmann wird eine automatische Motorerkennung und Geräte-Selbstidentifikation ermöglicht. Damit wird die Stromreglereinstellung durch den Anwender überflüssig, da dieser Inbetriebnahmeschritt automatisch durch die Twin Line Geräte durchgeführt wird.
Sechs Punkte für die Auswahl der richtigen Antriebstechnologie
Um zu entscheiden, ob der 3-Phasen-Schrittmotor oder der AC-Synchron-Servomotor die richtige Wahl ist, empfiehlt sich die Abarbeitung der folgenden Punkte:
- Entscheiden Sie sich nach einer Grobplanung für die für Sie sinnvolle Antriebstechnologie.
- Motor und Leistungselektronik bzw. Steuerung bilden eine Einheit. Sie sollten gemeinsam von einem Hersteller bezogen werden. Moderne Antriebskomponenten sind eng aufeinander abgestimmte Systeme, die erst im Zusammenspiel ihre volle Performance und den damit für Sie besten Kundennutzen entwickeln.
- Investieren Sie genügend Zeit, um alle für die Dimensionierung der Achse notwendigen Daten zu sammeln. Sorgfältige Planung im Vorfeld zahlt sich bei der Inbetriebnahme aus.
- Berücksichtigen Sie bei der Antriebsdimensionierung den Worst-Case-Fall und rechnen Sie eine Reserve ein. Später notwendige Umbauten beim Kunden verursachen hohen Aufwand und hohe Kosten.
- Bleiben Sie jedoch bei Ihrer Antriebsauslegung und Wahl der Antriebstechnologie realistisch. Nicht immer stimmt „viel hilft viel“ – insbesondere auch unter Kostengesichtspunkten.
- Vertrauen Sie in diesem Bereich auf den Rat eines erfahrenen Antriebsspezialisten. Er wird Sie bei der Lösung Ihres Antriebsproblems gerne unterstützen.
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