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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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SchrittmotorenSchritt für Schritt

Hohe Drehmomente bei niedrigen Drehzahlen, kleiner Bauraum und geringer Verdrahtungsaufwand sind das große Plus der Schrittmotoren. Nimmt man noch die gute Positionier- und Wiederholgenauigkeit hinzu, lassen sich viele Anforderungen mit erstaunlich hoher Präzision realisieren ¿ ohne dass ein Servomotor eingesetzt werden muss. An der richtigen Stelle bieten Schrittmotoren problemlose und vor allen Dingen kostengünstige Lösungen.

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Antriebstechnik: Schritt für Schritt

In vielen Bereichen der Automatisierung ist ein exaktes Positionieren unabdingbar. Um dies zu gewährleisten, werden fast immer Schrittmotoren oder Servomotoren eingesetzt. Nun hat die Entwicklung aber gerade in den beiden letzten Jahren gezeigt, dass eine Tendenz besteht, die Entscheidung zugunsten der Servomotors zu treffen – auch bei einfachen Anwendungen. Liegt es daran, dass ohnehin ein Großteil der Maschinen mit diesen Antrieben ausgerüstet wird, oder traut man den Schrittmotoren vielleicht doch nicht so viel zu? Dabei sind gerade sie in der Kombination von hohem Drehmoment, Steifigkeit, Bauraum und Wirtschaftlichkeit kaum zu schlagen. Bereits bei niedrigen Drehzahlen können sie ein hohes Drehmoment bereitstellen, das von Servomotoren gleicher Baugröße längst nicht erreicht wird. Geht es hingegen um hohe Drehzahlen, Dynamik und eine mehrfache Überlastfähigkeit, dann sind Servomotoren im Vorteil. Darüber hinaus können sie mit entsprechenden Encodersystemen deutlich höhere Anforderungen hinsichtlich der Positioniergenauigkeit erfüllen. Die Frage ist nur, ob dies bei einfachen Anwendungen überhaupt notwendig ist? Außerdem benötigen sie einen höheren Verdrahtungsaufwand und auch die Abstimmung des Motors ist aufwendiger. Da bei Schrittmotoren sowohl auf ein Getriebe, als auch auf die aufwendigen Regelungen wie bei den Servos verzichtet werden kann, sind diese auch für kleine Bauräume geeignet. Er ist also genau dann eine lohnende Alternative zu einem Servomotor, wenn er an der richtigen Stelle eingesetzt wird – in diesem Fall gibt keine problemlosere und vor allem kostengünstigere Lösung. Es geht also um das Anforderungsprofil, und hier lohnt es sich schon etwas genauer hinzusehen.

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Der klassische Schrittmotor ist so aufgebaut, dass der Rotor, als drehbares Motorteil mit Welle, bei entsprechender Ansteuerung der umgebenden Statorspulen, um einen definierten Winkel gedreht wird. Dieser so genannte Schrittwinkel gibt an, um wie viel Grad sich die Achse bei einem Vollschritt, beziehungsweise Halbschritt bewegt. Der typische Schrittmotor erreicht in der Vollschritteinstellung 200 Schritte pro Umdrehung – das entspricht 1,8 Grad pro Schritt. Jeder Winkel, der angefahren werden kann, ist also immer ein Vielfaches des minimalen Drehwinkels. Wie klein dieser Winkel und damit die Auflösung des Schrittmotors sein können, ist abhängig von der Anzahl der Polpaare und der steuerbaren Phasen.

Da die jeweiligen Positionen über die Elektronik sowohl im Links-, als auch im Rechtslauf bekannt sind, kann bei Schrittmotoren auf teure Messsysteme und Lageregelungen verzichtet werden; beim geregelten Servomotor muss die Software über eine Rückführung die Positionsabweichung ausregeln. Schrittmotoren ermöglichen darüber hinaus konstante Bewegungsabläufe aufgrund ihrer guten Gleichlaufeigenschaften, so dass sich viele Anforderungen in der Industrie ohne zusätzliches Getriebe realisieren lassen. Diese Eigenschaften hängen unter anderem auch damit zusammen, dass aufgrund des Konstruktionsprinzips (konstanter Strom-, beziehungsweise Flussvektor) typische Störgrößen wie Offset- und Amplitudenfehler, die zu einem Moment beitragen, mit relativ geringem Aufwand korrigiert werden können. Warum Schrittmotoren bevorzugt für Handhabung, Pick-and-Place oder Zuführungen eingesetzt werden, hängt mit ihrem hohen Haltemoment zusammen. Selbst einfache Motoren erlauben einen absolut vibrationsfreien Stillstand, was bei Servomotoren nur mit hoch auflösenden und damit teuren Gebern erreicht werden kann. Bei dem Hybrid-Schrittmotor, der heute schon fast Standard ist, gilt dies auch für den spannungslosen Fall, da der Rotor aufgrund seiner Läufermagnete ein Rastmoment aufweist.

Auch Bedenken hinsichtlich eines eventuellen Schrittverlustes aufgrund einer geringen mechanischen Überlastung sind unbegründet (bei einem Mehrfachen des Nennmomentes stoßen natürlich auch die folgenden Maßnahmen an ihre Grenzen). Die einfachste Methode diese Störung zu kompensieren liegt darin, die Antriebsauslegung hinsichtlich des Drehmomentes zu erhöhen. Erfahrungswerte haben gezeigt, dass ein Plus von circa 20 Prozent ausreicht, um kleine Spitzen in der Last auszugleichen, so dass keine Positionsfehler mehr auftreten können. Eleganter, und manchmal auch kostengünstiger ist die Methode über einen Controller, wie er unter anderem bei Festo eingesetzt wird. Zusammen mit einem passenden 2-Phasen Schrittmotor (MTR-ST) erhält der Betreiber eine Lösung mit integriertem Controller in drei unterschiedlichen Baugrößen für Haltedrehmomente von 0,34 bis 23,3 Nm. Der resultierende Schrittwinkel beträgt hierbei 1,8 Grad (± 5 Prozent) bei einem Vollschritt.

Diese Entwicklung ist für Anwendungen vorgesehen, bei denen Kosten und einfache Regelungen ganz oben auf der Wunschliste stehen. Der integrierte Controller bietet dem Schrittmotor ganz ähnliche Funktionen und Schnittstellen wie einem Servo. So wird beispielsweise der Status des Motors permanent über einen Encoder ausgelesen, so dass Strom- und Lageregelung genau bekannt sind. Damit ist das Einhalten eines „Sicherheitsfaktors“ nicht mehr nötig, sondern die Kennlinie des Motors kann voll durchfahren werden - und dies wiederum bedeutet einen deutlichen Leistungszuwachs bei gleicher Baugröße. Die Standartschnittstelle ist CANopen, Profibus DP/Devicenet sind bei diesem Produkt optional. Ähnliches leistet der Combostepper von Motionstep. Ein integrierter Mikroschritttreiber und eine Positionsüberwachung mit einstellbarer Korrekturfunktion ermöglichen Einachs- und Mehrachs-Steuerfunktionen im Master-Slave-Betrieb. Dank einer Closed-Loop-Funktion (Ansteuerung in einem geschlossenen Regelkreis) gehören Positionierfehler der Vergangenheit an. Auch hier entspricht das Fahrverhalten dem eines Servomotors; mit dem Vorteil des höheren Drehmomentes bei gleichen Abmessungen. Selbst kleinste Blockierungen der Motorwelle werden über die integrierte Drehüberwachung erfasst und mit der eingestellten maximalen Abweichtoleranz verglichen. Die Kommunikationsschnittstelle ist als Modbus-Rtu auf der Basis von RS-485 ausgeführt. Über sie kann der Motor nicht nur parametrisiert werden, auch spezielle Statusabfragen ermöglichen dem Anwender jederzeit eine Rückmeldung über aktuelle Positionen, Schleppfehler und die eingestellten Motordaten. Hohe Beschleunigungen und ein breiter Geschwindigkeitsbereich sind mit einstellbaren S-Rampen und änderbaren Phasenströmen möglich.

Auch bei Berger Lahr wurden die zukünftigen Möglichkeiten für Schrittmotoren frühzeitig erkannt und die entsprechenden Verstärker der SD3-Serie zur Ansteuerung von 3-Phasen-Motoren um zwei weitere Typen mit integrierter Feldbustechnologie ergänzt: Je nach Ausführung mit CANopen und Modbus (Rtu Protokoll) oder Profibus (DP V0). Über den Feldbus sind die Betriebsarten Punkt zu Punkt und Geschwindigkeitsprofil realisierbar. Für die Betriebsart elektronisches Getriebe steht eine RS 422 Schnittstelle zur Verfügung. Ebenfalls integriert sind eine Drehüberwachung und die Funktion Sicherer Halt. Sie schaltet das Motordrehmoment sicher ab und realisiert bestimmte Steuerfunktion. Somit wird SIL 2 nach IEC 61508 erreicht. Zudem verhindert diese Funktion den unerwarteten Wiederanlauf.

Schrittmotoren bieten im Stillstand ein hohes Haltemoment, sehr gute Positionierbarkeit und sind äußerst zuverlässig. Hinzu kommt der geringe Verdrahtungsaufwand. Mit Drehmomenten von bis zu 20 Nm in einem Bandbereich unter 1.000 U/min und Standardauflösungen von 200 bis 1.000 Schritten pro Umdrehung sind sie eine kostengünstige Alternative zu Servomotoren.

Dr. Peter Stipp / stipp@hoppenstedt.de

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