Schrittmotoren sind die mit Abstand preisgünstigste Lösung für höherauflösende Positioniersysteme im Direktantrieb. Sie werden in großen Stückzahlen und in Normgrößen gebaut. Zudem sind sie deutlich einfacher konstruiert und lassen sich viel einfacher ansteuern als Servomotoren. Eingesetzt werden sie beispielsweise in großem Umfang in der Medizin-, Handhabungs- und Automatisierungstechnik. Aktuellste Steuerungsentwicklungen machen auch Schrittverlust obsolet.
Exklusiv in KEM Der Autor Holger Ruhland ist Außendienstmitarbeiter bei der Koco Motion GmbH, Dauchingen
Mit der Miniaturisierung der elektronischen Komponenten wurden im Verlauf der letzten 20 Jahre immer mehr komplette Schrittmotor-Steuerungen mit- hilfe neuer IC’s, Mikroprozessoren und Asics auf kleinstem Raum realisiert. Ebenso wuchsen die Anforderungen an die Antriebssysteme von immer höheren Positionierauflösungen mit entsprechender Genauigkeit bis hin zur Software-Integration in industrielle Netzwerke und Feldbus-Systeme.
Bei Schritt- als auch bei Servomotoren wird immer eine entsprechende Ansteuerelektronik benötigt. Hier geht der Trend zunehmend zu dezentralen Antriebseinheiten, die nach Möglichkeit Motor und Ansteuerung vereinen. Die Vorteile einer direkt am Motor integrierten Ansteuerung liegen auf der Hand: deutliche Platzersparnis, Eliminierung von EMV-Problemen und niedrige Kosten.
Baukasten für Schrittmotoren und Steuerungen
Ein umfangreiches Baukastensystem von Hybrid-Schrittmotoren mit integrierter Steuerung bietet Koco Motion an. Der Hersteller Schneider Electric Motion USA (vorher IMS Inc.) hat dies auf der Basis eigener ASIC’s mit patentierten Methoden zur nahezu resonanzfreien Mikroschritt- ansteuerung mit spezieller Stromüberwachung und Dämpfung entwickelt. Eine solche Methode ist beispielsweise die schnelle Motorstromüberwachung und die ausgeklügelte Motoransteuerung der externen Leistungsbrücken. Dies ermöglicht stark verbesserte Laufeigenschaften der Schrittmotoren. Dadurch konnte auch der von Schrittmotoren bekannte Effekt der „Resonanzen bei mittleren Schrittfrequenzen“ nahezu eliminiert werden. Die Auflösung der Mikroschrittkurven beträgt 10 bit, die maximal einstellbare Auflösung 256 Mikroschritte pro Vollschritt. Zusätzlich enthält jeder Asic einen leistungsfähigen hochauflösenden Motion Controller sowie einen Mikroprozessor-Kern. Darauf basierend wurden verschiedenste Ansteuerungen entwickelt.
Meilenstein in der Steuerungsentwicklung
Der aktuellste Meilenstein in der Steuerungsentwicklung ist die patentierte Closed-Loop-Steuerung HMT (Hybrid-Motion-Technology), die in den integrierten Hybrid-Antrieben „Mdrive“ zum Einsatz kommt. Mithilfe dieses neuen Bausteins und des integrierten Encoders kann hier der Schrittmotor beim Überschreiten des Kippmomentes nicht mehr außer Tritt fallen, es tritt kein Schrittverlust mehr auf. Der Motor kann bis zu seinem Kippmoment belastet werden. Darüber hinaus verringert sich die Drehzahl lastabhängig – gegebenenfalls bis hin zum Stillstand. So werden die typischen Beschränkungen des Schrittmotors eliminiert und die erzeugte Verlustleistung verringert. Die Vorteile des schrittmotortypischen hohen Anlaufmomentes und der hochauflösenden Positionierfähigkeit bleiben erhalten. Das verfügbare Drehmoment bei höheren Drehzahlen steigt deutlich an, sodass wesentlich dynamischere Anwendungen realisiert werden können. Beispielsweise bleiben Bandantriebe mit absolut konstanten Vorschubgeschwindigkeiten nicht mehr stehen, wenn kurzzeitig Überladungen des Bandes erfolgen.
Auch das Drehmoment kann geregelt werden, was bisher bei Schrittmotoren nicht möglich war. Besonders in Anwendungen wie Greifern oder Schraubern ist dies sehr interessant, da der Schrittmotor wegen seiner Motorcharakteristik mit hohen Momenten bei langsamen Drehzahlen als Direktantrieb theoretisch bestens geeignet wäre. Im sogenannten „Torque-Mode“ wird das Drehmoment eingestellt und dann die Drehzahl bis zum Stillstand heruntergeregelt bei exakt begrenztem Anzugsmoment.
Tausende Kombinationen mit geringer Anzahl Komponenten
Mit einem ausgeklügelten System einer überschaubaren Anzahl von Komponenten lassen sich mit dem Mdrive-Baukastensystem Tausende Kombinationen von Motor und integrierter Steuerung in verschiedenen Motorgrößen und mit verschiedensten integrierten Ansteuerungen und Zusatzoptionen realisieren. Es findet damit Einsatz in Medizintechnik-Anwendungen mit kleinstem Bauraum bis hin zu Maschinenbau-Anwendungen unter rauen Umgebungsbedingungen und direktem Anschluss an 230 V AC. Folgende Motorgrößen stehen zur Wahl:
- Nema 14 (35 mm x 35 mm): zwei Motorlängen bis 0,25 Nm Haltemoment
- Nema 17 (42 mm x 42 mm): drei Motorlängen bis 0,5 Nm Haltemoment
- Nema 23 (56 mm x 56 mm): vier Motorlängen bis 2,0 Nm Haltemoment
- Nema 34 (86 mm x 86 mm): drei Motorlängen bis 7,5 Nm Haltemoment
Versionen der elektrischen Ansteuerung
Microstepping: Die Ansteuerung erfolgt digital über einen optogekoppelten Takteingang, bei dem jeder eingehende Impuls in einen Mikroschritt des Motors umgesetzt wird und durch einen Richtungseingang für Rechts- oder Linkslauf. Die Konfiguration erfolgt über eine SPI-Schnittstelle.
Speed Control: Zusätzlich zum Treiber ist ein digitaler Frequenzgenerator enthalten, sodass zur Ansteuerung kein Taktsignal sondern am Eingang „Drehzahl“ nur ein analoges Spannungs- oder Stromsignal beziehungsweise ein PWM-Signal als Referenz für die gewünschte Drehzahl eingespeist werden muss. Die Konfiguration erfolgt wie in der Version Microstepping sehr komfortabel über eine SPI-Schnittstelle.
Motion Control: Zusätzlich zum Mikroschritt-Treiber ist ein Motion-Controller und Prozessor mit serieller Schnittstelle RS485 enthalten, der über einen eigenen ASCII-Befehlssatz frei programmiert werden kann. Optional steht auch der Feldbus CAN open zur Verfügung mit dem Geräteprofil DSP-402. Bis zu elf digitale Ein-/Ausgänge sowie ein Analogeingang ermöglichen den Anschluss von Endlagenschaltern, Sensoren, externen Encodern.
Jetzt mit Ethernet- IP-Schnittstelle
Koco Motion bietet seine integrierten Schrittmotorantriebe Mdrive Plus und Mdrive Hybrid in der programmierbaren Ausführung „Motion Control“ jetzt mit einer Ethernet/IP-Schnittstelle an und komplettiert damit sein Portfolio hochintegrierter elektrischer Antriebe und Motion Control-Produkte. An den Mdrive-Antrieben werden über ein Konfigurationsprogramm die IP-Adresse sowie die verschiedenen Parameter und Objekte zur Kommunikation eingestellt. Danach können sie mit anderen Ethernet/IP-Geräten zusammengeschaltet werden.
In der Motorflanschgröße Nema 23 (56 x 56 mm) stehen jeweils vier Motorlängen zur Verfügung mit maximalen Drehmomenten bis 2 Nm sowie die Version als Linearaktuator mit Trapezgewindespindel. Es lassen sich eine Vielzahl von Positionieranwendungen besonders in der Automatisierungstechnik einfach und schnell realisieren, da die Antriebe nach einer kurzen Konfiguration problemlos in entsprechende Ethernet/IP-Netzwerke zusammen mit anderen Komponenten eingebunden werden können.
Halle 14, Stand L35
Koco Motion; Telefon: 07720 995858-0; E-Mail: info@kocomotion.de
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