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Antriebstechnik von Siemens und RockwellVom Hybridsystem zum doppelten Standard

Karl-Heinz Klumpe

Die KHS-Gruppe bietet die Antriebstechnik ihrer Verpackungsanlagen nun durchgängig in zwei verschiedenen Varianten an.

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Antriebskonzept RifoStepper contra Servo

Schrittmotoren erreichen im Verhältnis zu ihrer Baugröße hohe Drehmomente und benötigen nur einen geringen Steuerungs- aufwand. Nachteilig hingegen sind Drehmomenteinbrüche bei höheren Drehzahlen und der Positionsverlust bei Überlast. Wird aber ein solcher Schrittmotor mit einem Geber und einer feldorientierten Ansteuerung kombiniert, entsteht ein Antrieb mit Werten, die sogar einen Servo übertreffen können.

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Antriebskonzept Rifo: Stepper  contra Servo

Mit dem Antriebskonzept Rifo-4.0 hat Ritter Elektronik ein kompaktes und leistungsstarkes Antriebssystem für die Automatisierungstechnik entwickelt. Die Lösung zeichnet sich durch ein großes Potenzial an möglichen Anwendungen aus. So können diese feldorientierten Schrittmotoren durchaus die Antriebe in Applikationen ersetzen, in denen zurzeit kostenintensive Servoachsen verbaut sind.

Der Vorteil dieser Lösung liegt bei der ersten Betrachtung im Systempreis je Achse. Das Rifo-4.0 bietet zudem hinsichtlich der Einbaumasse einen Vorteil, da die Schrittmotoren bei einem Drehmoment von 1,5 Nm und einer Drehzahl von 750 U/min ohne Getriebe auskommen – hinzu kommt der kompakte Aufbau der Antriebsregler. Sie bieten zur Kommunikation mit übergeordneten Steuerungssystemen wahlweise RS232-, CAN- und Ethernet- Schnittstellen. Darüber hinaus sind zusätzlich 32 x Digitale 24V DC I/Os auf der Reglerbaugruppe verfügbar. Optional ist eine Erweiterung um 4 x Relais-Ausgänge möglich. Die Abmessung (LxBxH) der Motoreinheit, inklusive Kabelverschraubungen liegen bei 119 x 65 x 99 Millimeter, die der Reglereinheit bei 520 x 230 x 115 Millimeter. Schrittmotoren wurden ursprünglich für den Einsatz in Druckern, Plottern und ähnlichen Geräten als Positionierantriebe entwickelt. Ihr besonderer Vorteil besteht in hohen Drehmomenten bei kleinen Baugrößen. Zudem ist der Steuerungsaufwand an Elektronik und Sensorik verhältnismäßig gering. Diesen Vorteilen steht allerdings eine Reihe von Nachteilen gegenüber: Sofortiger Stillstand oder Verlust der Position bei Überlast, Drehmomenteinbrüche bei Drehzahlen im Arbeitsbereich durch Resonanzen, mangelnde Robustheit bei dynamischer Belastung, fehlende Kontrolle beziehungsweise starker Abfall des Drehmoments bei höheren Drehzahlen zählen dazu. Durch die Kontrolle des Magnetfeldes – also die feldorientierte Regelung oder Vektorregelung – lassen sich diese Nachteile vermeiden. Als Voraussetzung dafür muss aber die Rotorposition bekannt sein. Die Kombination eines normalen Steppermotors mit einem Geber und einer feldorientierten Ansteuerung ergibt einen Servoantrieb von beachtlicher Dynamik und mit hohem Drehmoment. Damit eröffnen sich völlig neue Einsatzbereiche.

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Für hohe dynamische Anforderungen

Ritter Elektronik hat diese Technik so weit entwickelt, dass weltweit bereits circa 25.000 Antriebe in verschiedenen Applikationen im Einsatz sind. So hat Ritter einen FO-Stepper-basierten Antrieb zum Bewegen der Nähpendelachse einer Industrienähmaschine entwickelt. Die dynamischen Anforderungen an diesen Antrieb sind enorm: In nur fünf Millisekunden muss er auf 1.500 U/min beschleunigen, in der gleichen Zeit auf einer bestimmten Position zum Stehen kommen, dann zehn Millisekunden warten, um der Nadel genügend Zeit zum Einstechen zu lassen, um anschließend wieder für den nächsten Hub in die gewünschte Position zurückzufahren. Für den kompletten Bewegungsablauf stehen nur 30 Millisekunden zur Verfügung. Dank der Eigenschaft, durch Veränderung der Kraft jedes beliebige Drehmoment einstellen zu können, kann der Antrieb als präzise und genaue „Drehmomentquelle“ genutzt werden. So lassen sich Antriebsformen realisieren, die eine Drehmomentkontrolle benötigen. Konventionelle Stepperantriebe versagen hier völlig. Servoantriebe verfügen zwar über diese Funktionalität, benötigen aber meist ein Getriebe, um ein gleich hohes Drehmoment bei gegebener Baugröße zu erbringen. Grundsätzlich sind Schrittmotoren mit einer feldorientierten Regelung konventionell angesteuerten in vielen Eigenschaften überlegen. In Anwendungen, bei denen Drehzahlen oberhalb von 1.500 U/min. gefordert werden, sind Servoantriebe das Mittel der Wahl. Für Antriebe mit einem hohen Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen sind FO-Stepper den Servos deutlich überlegen. Im Punkt Beschleunigung können sie zumindest bis zu ihrer Drehzahlgrenze mithalten. Wenn die Beschleunigungsvorgänge einen starken Wiederholcharakter haben, sind FO-Stepper sogar besser geeignet als Servoantriebe.
Dr. Peter Stipp/stipp@hoppenstedt.de

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