Durch ein Konverter-Modul vom Schrittmotor zum Servo

Es geht auch einfach

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Der in diesem Beitrag vorgestellte Schrittfrequenz-Konverter macht aus einem klassischen Schrittmotor-System ein bürstenloses Servo-System und dies unter Beibehaltung aller bekannten Vorzüge eines Schrittmotorantriebes.

Bekannterweiswe zählen zu den Vorteilen hohe Positionierauflösung, problemloses Halten der Sollposition durch hohes Haltemoment, hohes Drehmoment und exzellenter Gleichlauf bei niedrigen Drehzahlen, sofortiges Ansprechen und präzises, überschwingungsfreies Positionieren. Es handelt sich bei „Servotrack“ um ein separates Modul, dass in die meisten Schrittmotor-Systeme mit Takt-/Richtungs-Ansteuerung integriert werden kann.

„Außer-Tritt-Fallen“ eliminiert
Durch den Einsatz des Moduls wird der Nachteil des Blockierens beziehungsweise „Außer-Tritt-Fallens“ eines klassischen Schrittmotor-Systems bei zeitweiliger Überlast eliminiert. Der Motor verhält sich dabei wie ein DC-Servomotor, der die Drehzahl den Lastverhältnissen stufenlos anpasst. Die Drehzahl wird bei steigender Belastung gegebenenfalls bis zum Stillstand abgesenkt. Wird das erforderliche Lastmoment wieder geringer, dann läuft der Motor wieder hoch, ohne Schritte zu verlieren wie ein Gleichstrommotor.
Da das volle Drehmoment des Motors ausgenutzt werden kann, sind deutlich dynamischere Beschleunigungs- und Bremsvorgänge möglich. Die bisher übliche Überdimensionierung des Schrittmotors von 30 bis 50 % beim Drehmoment zur sicheren Vermeidung des Blockierens beziehungsweise von Schrittverlusten bei wechselnden Lasten kann daher entfallen. Mit Hilfe des Moduls können deshalb in vielen Fällen sogar kleinere Schrittmotoren eingesetzt werden.
Vorteile vom Servo-, Schritt- und bürstenlosen DC-Motor
Bei der Einbindung des Servotrack-Moduls in bestehende Systeme kann eine bereits vorhandene Takt-/Richtungs-Ansteuerung meist weiter verwendet werden. Es wird lediglich ein Encoder am Schrittmotor benötigt, der dann in der zwischengeschalteten Servotrack-Steuerung ausgewertet wird. Ein einfaches Parametrieren ohne servo-typisches Regler-Tuning ermöglicht schnelle Umrüst- und Einrichtungszeiten.
Für Schrittmotorantriebe völlig neue Funktionen wie der Torque-Mode können genutzt werden. Dabei wird ein Grenzmoment definiert, bis zu dem der Motor betrieben werden soll. Dies eröffnet neue Möglichkeiten für Anwendungen wie Fadenspanner, Verschluss-Schrauber, Klemmvorrichtungen oder Feeder, die nun mit Hilfe der wesentlich preisgünstigeren Schrittmotortechnik verwirklicht werden können.
Servotrack beinhaltet außerdem einen Velocity-Mode, mit dem eine konstante Drehzahl eingestellt und gefahren werden kann – ohne einen zusätzlichen Regler. Das spart Platz und Kosten. Wenn man Servotrack zum Beispiel in Förderbandsystemen einsetzt, dann wird das Blockieren vermieden, das durch schnelle und große Lastschwankungen auftreten kann. Eine weitere neue Funktion für Schrittmotorsysteme ist der Variable-Current-Mode, der es ermöglicht, nur den tatsächlich notwendigen Motorstrom für das jeweils benötigte Drehmoment zur Verfügung zu stellen. Daraus ergibt sich ein wesentlich höherer System-Wirkungsgrad bei gleichzeitiger Reduzierung der Motorerwärmung im Vergleich zu klassischen Schrittmotor-Systemen.
Servotrack-Modul mit Closed-Loop-Betrieb
Neben den eingangs beschriebenen Vorteilen von klassischen Schrittmotor-Systemen bietet das Servotrack-Modul durch den speziellen Closed-Loop-Betrieb folgende Vorteile:
  • eine kontinuierliche Bewegung und verhindert das Blockieren / den Schrittverlust bei Überlast
  • die volle Ausnutzung der Drehmoment-Kennlinie und eine Antriebsauslegung ohne die typische Sicherheitsmarge von 30 bis 50%
  • maximale Beschleunigungen für deutlich dynamischere Bewegungen und Positionierungen
  • den sicheren Betrieb in Anwendungen mit stark wechselnden Lasten
  • die Nachrüstung in viele bestehende Schrittmotor- Systeme
  • eine einfache Inbetriebnahme ohne Regler-Tuning sowie
  • den Betrieb in Anwendungen bis etwa 2000 min-1, die bisher Servo-Antrieben vorbehalten waren zu deutlich geringeren Kosten.
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