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Schrittmotor mit offenem Regelkreis gegenüber Schrittmotorsystemen mit geschlossenem Regelkreis

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FRAGEN UND ANTWORTEN

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Schrittmotorsysteme sind ein Grundpfeiler der Bewegungssteuerungsbranche. Wir gehen auf die Unterschiede zwischen offenen und geschlossenen Systemen ein und erklären die neuesten Entwicklungen, die Schrittmotorsysteme noch schneller, leiser und energieeffizienter machen als je zuvor.

Schrittmotorsysteme haben sich seit den Anfängen der Spannungsantriebe und des Vollschrittbetriebs weit entwickelt. Zuerst kamen PWM-Antriebe und Mikroschritte, dann digitale Signalprozessoren (DSPs) und Anti-Resonanz-Algorithmen. Jetzt sorgt die neue Closed-Loop-Schrittmotortechnologie dafür, dass Schrittmotoren auch in den kommenden Jahren ein Eckpfeiler der Bewegungssteuerungsbranche bleiben werden.

Unabhängig davon, ob es sich um eine lineare oder rotierende Bewegung handelt, sind Drehmoment und Wirkungsgrad die beiden wichtigsten Faktoren, die bestimmen, welche Motoren und Antriebssysteme am besten geeignet sind. Dies gilt unabhängig davon, ob es sich bei der Endanwendung um ein automatisiertes Montagesystem, eine Materialhandhabungsmaschine, einen 3D-Drucker, einen kartesischen Positionierer, eine Schlauchpumpe oder eine der unzähligen anderen Anwendungen handelt, in denen Schrittmotoren eine bevorzugte Technologie darstellen.

Die neueste Entwicklung bei Schrittmotorensystemen ist die Anwendung von kostengünstigen, hochauflösenden Rückmeldegeräten und fortschrittlichen DSPs, um den Regelkreis der Schrittmotorbewegung zu schließen. Solche Steuerungen steigern die Leistung von Schrittmotoren im geschlossenen Regelkreis und übertreffen die Leistung von Systemen mit offenem Regelkreis. Wie wir sehen werden, ist ein solches Closed-Loop-System in einem integrierten Motordesign implementiert, das ein Feedback-Gerät, Treiber- und Steuerplatinen, Leistungs-, Kommunikations- und E/A-Elektronik sowie Systemanschlüsse an der Seite und Rückseite des Motors umfasst.

Offene vs. geregelte Schrittmotor-Systeme
Untersuchen wir zunächst, wie leistungsstarke Steppersysteme mit geschlossenem Regelkreis im Vergleich zu herkömmlichen Steppersystemen mit offenem Regelkreis in Bezug auf Drehmoment und Effizienz abschneiden.

Die Leistung von Steppersystemen mit geschlossenem Regelkreis ist besser als die von Systemen mit offenem Regelkreis, wie die Ergebnisse von Labortests zeigen, bei denen die Beschleunigung (Drehmoment), der Wirkungsgrad (Stromverbrauch), der Positionsfehler (Genauigkeit), die Wärmeentwicklung und der Geräuschpegel der beiden Systeme verglichen wurden. Man betrachte nur die Beziehung zwischen Drehmoment und Beschleunigung. Drehmoment-Drehzahl-Kurven zeigen die Spitzen- und Dauerdrehmomente eines Schrittmachersystems mit geschlossenem Regelkreis und den nutzbaren Drehmomentbereich eines Schrittmachersystems mit offenem Regelkreis. In der Praxis bedeutet Drehmoment sehr oft Beschleunigung - Motoren mit höherem Drehmoment können eine bestimmte Last schneller beschleunigen.

Um diesen Unterschied in der Drehmomentleistung im Labor zu testen, werden gleich große Schrittmotorsysteme mit offenem und geschlossenem Regelkreis mit identischen Trägheitslasten belastet. Die Programmierung befiehlt den beiden Systemen, identische Bewegungsprofile auszuführen, mit der Ausnahme, dass die Beschleunigungsrate und die Höchstgeschwindigkeit in jedem System langsam erhöht werden, bis sie Positionierungsfehler machen.

Angenommen, das Open-Loop-System erhält eine maximale Beschleunigung von 1.000 U/s2 und eine Höchstgeschwindigkeit von 10 U/s (600 rpm). Diese Höchstgeschwindigkeit von 10 U/s entspricht dem Punkt, an dem der flache Teil der Drehmoment-Drehzahl-Kurve endet. Das System mit geschlossenem Regelkreis erreicht (aufgrund seines höheren Drehmoments) eine maximale Beschleunigung von 2.000 U/sec2 und eine Höchstgeschwindigkeit von 20 U/sec (1.200 U/min). Dies entspricht der doppelten Leistung des offenen Kreislaufs und halbiert die Fahrzeit von 110 ms auf 60 ms.

Bei Anwendungen, die einen hohen Durchsatz erfordern (z. B. Indexierung, Positionierung von Kantenführungen und Pick-and-Place-Systeme), bietet das Closed-Loop-System einen klaren Leistungsvorteil.

Effizienz von Open-Loop- und Closed-Loop-Systemen
Um den relativen Wirkungsgrad eines geregelten gegenüber einem ungeregelten System zu messen, wiederholen wir denselben Test mit denselben zwei Motoren gleicher Größe. Diesmal lassen wir den geregelten und den ungeregelten Motor nebeneinander mit denselben Trägheitslasten laufen, aber mit einer Programmierung, die die Bewegungsprofile konstant und gleich hält, so dass beide Systeme die gleiche Arbeit leisten.

Während die beiden Motoren wiederholt dasselbe Bewegungsprofil durchlaufen, wird die Stromaufnahme der Gleichstromversorgung, die die beiden Systeme versorgt, gemessen und der Stromverbrauch berechnet. Wie in den Wertediagrammen zu sehen ist, beträgt die durchschnittliche Leistungsaufnahme des Steppersystems mit offenem Regelkreis 43,8 Watt, während die des Systems mit geschlossenem Regelkreis nur ein Drittel davon beträgt - durchschnittlich 14,2 Watt. Dieser drastische Unterschied in der Leistungsaufnahme zeigt deutlich die höhere Effizienz des Closed-Loop-Systems. Jeder Anwender, der die Systemeffizienz seines Open-Loop-Schrittmachersystems erhöhen möchte, kann nun ein einfaches Upgrade auf ein Closed-Loop-System in Erwägung ziehen und mit einem deutlich niedrigeren Verbrauch rechnen.

Umgang mit der Motorerwärmung
Eine natürliche Erweiterung der Tests zum Stromverbrauch ist die Untersuchung der Motorerwärmung. Open-Loop-Schrittmachersysteme sind einfache Biester. Man stellt den Umrichter einfach auf den Nennstrom des Motors ein, und der Umrichter wird sein Bestes tun, um den Motor jederzeit mit diesem Strom zu versorgen, unabhängig davon, ob das daraus resultierende Drehmoment benötigt wird oder nicht. Dies führt häufig zur Erzeugung von Wärme, anstatt Energie für die Anwendungsfunktion bereitzustellen - und ist der Grund dafür, dass Schrittmotorsysteme mit offenem Regelkreis in der Regel heißer laufen als ihre Gegenstücke mit geschlossenem Regelkreis. Das bedeutet auch, dass die Maschinenkonstrukteure zusätzliche Maßnahmen ergreifen müssen, um mit dieser Wärme fertig zu werden, oft durch spezielle Schutzvorrichtungen um Schrittmotoren, die in der Nähe von Menschen laufen, oder durch die Installation zusätzlicher Kühlsysteme wie Lüfter.

Betrachten Sie die Ergebnisse eines Motorerwärmungstests, der in einem Labor mit denselben offenen und geschlossenen Systemen wie oben durchgeführt wurde. Bei diesem Test erzeugen beide Systeme die gleiche Arbeit und treiben die gleichen Trägheitslasten an, bis sie ein thermisches Gleichgewicht erreichen. Das System mit offenem Regelkreis erreicht eine Gehäusetemperatur von 76,0° C, während das System mit geschlossenem Regelkreis das thermische Gleichgewicht bei einer Gehäusetemperatur von nur 36,9° C erreicht - weniger als die Hälfte des Systems mit offenem Regelkreis. Diese erhebliche Verringerung der Motorerwärmung kann für die Maschinenbauer niedrigere Komponentenkosten bedeuten, da sie auf zusätzliche Schutz- und Kühlsubsysteme verzichten können.

Keine lauten Motoren mehr
Eine weitere häufige Beschwerde über Open-Loop-Schrittmachersysteme ist die Tatsache, dass sie eine Menge hörbaren Lärm verursachen. In bestimmten Umgebungen, wie z. B. in Labors, Krankenhäusern und Büros, kann dieser Lärm ein echtes Problem für Maschinenkonstrukteure darstellen.

Die von Schrittmotoren ausgehenden Geräusche entstehen durch die hohe elektrische Frequenz und die schnellen Flussänderungen in den Statorzähnen sowie dadurch, dass Systeme mit offenem Regelkreis unabhängig von der Last mit vollem Nennstrom betrieben werden. Bei Schrittmotoren mit geschlossenem Regelkreis hingegen wird dem Motor gerade so viel Strom zugeführt, wie zur Steuerung der Last erforderlich ist, was zu deutlich weniger hörbaren Geräuschen führt.

Um die Testergebnisse zu erhalten, die in der Grafik zum Geräuschpegel in diesem Artikel dargestellt sind, wurde der Geräuschpegel der einzelnen Systeme in einer schalldichten Kammer gemessen. Das System mit geschlossenem Regelkreis ist bei Geschwindigkeiten von 0 bis 20 Umdrehungen pro Sekunde deutlich leiser als das System mit offenem Regelkreis. Dieser Drehzahlbereich deckt sich mit dem realen Drehzahlbereich von Anwendungen, in denen Schrittmotorsysteme am häufigsten eingesetzt werden, was bedeutet, dass die überwiegende Mehrheit der Schrittmotoranwendungen von einer Verringerung der Motorgeräusche profitieren könnte, wenn sie auf Systeme mit geschlossenem Regelkreis umgestellt würden.

Bessere Motorgenauigkeit zur Vermeidung von Positionsfehlern
Schrittmotorsysteme mit offenem Regelkreis werden für ihre Fähigkeit geschätzt, Lasten ohne einen Rückkopplungsmechanismus oder ein Regelungssystem präzise zu positionieren, allerdings nur, wenn das System mit offenem Regelkreis über eine ausreichende Drehmomentspanne verfügt, so dass im Normalbetrieb keine Positionsfehler auftreten. Um die Genauigkeit zu verbessern und ein robusteres Systemdesign zu erreichen, wird die Servopositionsschleife um die Rückmeldung des hochauflösenden Encoders geschlossen, so dass Systeme mit geschlossenem Regelkreis automatisch einen Anstieg des Drehmomentbedarfs kompensieren können, der sonst zu Positionsfehlern in Systemen mit offenem Regelkreis führen würde. Dies verbessert die Gesamtgenauigkeit des Systems erheblich, insbesondere bei hochdynamischen Anwendungen wie Pick-and-Place-Systemen und 3D-Druckern, bei denen kurze, schnelle Bewegungen und häufige Richtungswechsel erforderlich sind.

Aufrüstung bestehender Schrittmotorsysteme
Von den Komponenten eines integrierten Schrittmotorsystems steigen die Kosten für den Motor, den Leistungsverstärker und die Kommunikation im Allgemeinen nicht, wenn von einem offenen zu einem geschlossenen Regelkreis übergegangen wird. Die Steuerelektronik kann etwas mehr zentrale Verarbeitungsleistung oder Speicher für die Servosteuerung des Motors erfordern, aber das hat normalerweise keinen Einfluss auf die Listenpreise. Ein großer Teil des Kostenunterschieds zwischen Open-Loop- und Closed-Loop-Schrittmachersystemen liegt in der Hinzufügung eines hochauflösenden Rückkopplungsgeräts, aber durch Verfeinerungen in der Herstellung sind diese Geräte zunehmend erschwinglich geworden. Daher bieten Schrittmotorensysteme mit geschlossenem Regelkreis die gleichen Kostenvorteile wie Schrittmotorensysteme mit offenem Regelkreis gegenüber anderen Arten von Positioniersystemen - z. B. herkömmlichen Servos -, jedoch mit einer in fast jeder Hinsicht deutlich höheren Leistung. In der Regel machen die Energieeinsparungen und der höhere Durchsatz eines Closed-Loop-Systems die geringfügig höheren Kosten für das Feedback-Gerät schnell wieder wett.

Abgesehen von der minimalen Kostensteigerung wird die Aufrüstung von einem Open-Loop-Schrittmachersystem zu einem Closed-Loop-System durch das Angebot von NEMA-Rahmengrößen vereinfacht. Ein NEMA 23-Schrittmotor mit geschlossenem Regelkreis hat die gleiche Rahmengröße, den gleichen Pilotdurchmesser, den gleichen Lochkreis und den gleichen Lochdurchmesser wie ein NEMA 23-Schrittmotor mit offenem Regelkreis, so dass die Montagehalterungen gleich bleiben. Das größere Drehmoment des geschlossenen Systems bedeutet, dass der Wellendurchmesser des Schrittmotors mit geschlossenem Regelkreis größer sein kann, aber dies lässt sich in der Regel ganz einfach durch einen Austausch der Wellenkupplung beheben.