Schrittmotor im Servo-Betrieb – Closed loop or not so closed?

Immer mehr Hersteller bieten Schrittmotoren mit Positionsfeedback (Encoder) und entsprechende Steuerungen an. Grund genug, Vor- und Nachteile dieser Systeme ein wenig unter die Lupe zu nehmen.

Die klassische Anwendungsweise für Schrittmotoren ist der sogenannte „open loop Betrieb“, also der Einsatz ohne Positionsrückmeldung. Durch die hohe Polpaarzahl folgt der Schrittmotor dem extern vorgegebenen Drehfeld präzise, zumindest solange die Drehzahl nicht zu hoch ist und die Last das vom Motor abgegebene Moment nicht überschreitet. Fall das passiert, kommt der Motor aus dem Tritt und verliert Schritte. Und genau davor haben viele Entwickler in industriellen Anwendungen Angst: Was, wenn die Mechanik mit der Zeit schwergängiger wird? Was passiert, wenn der Schrittverlust nicht erkannt wird? Welche Folgefehler können auftreten? Oft wurde dann in der Vergangenheit zu deutlich teureren Servomotoren gegriffen (Anmerkung: Mit Servomotor sind i.A. Synchronmotoren gemeint, die mit mehreren hundert Volt Zwischenkreisspannung betrieben werden).

Inzwischen sind Schrittmotoren mit Encodern, also optischen Drehgeber, günstig und in großer Typenvielfalt erhältlich. Damit wird es möglich, Schrittverluste zu erkennen und den Antrieb entsprechend nachzuführen. Geht man noch einen Schritt weiter, kann ein Schrittmotor wie ein Servomotor betrieben werden, d.h. mit feldorientier Regelung. Der wesentliche Unterschied zum „überwachten“ Schrittmotorbetrieb (manchmal von den Herstellern auch als „semi closed loop“ bezeichnet), liegt in der Ansteuerung der Wicklungen. Ein Servomotor wird vom Regler nur mit so viel Strom beaufschlagt, wie zum Ausgleich der Regelabweichung erforderlich ist. Ein normaler Schrittmotortreiber steuert die Spule hingegen ständig mit vollem Nennstrom an. Die feldorientierte Regelung ist also deutlich energieeffizienter. Hinzu kommt, dass der Regler ständig einen Winkel von 90° elektrisch zwischen Rotor und Drehfeld aufrecht erhält, so dass das maximal mögliche Drehmoment erzeugt wird.

Auf der anderen Seite muss der Anwender aber bei der Inbetriebnahme den Regler geeignet parametrieren. Gute Lösungen bieten hier durch (mehr oder weniger) intelligente, automatische Funktionen zur Regler-Parametrierung Unterstützung an. Letztlich obliegt es aber dem Anwender, für die jeweilige Applikation, d.h. entsprechend der mechanischen Steifigkeit des Systems und der anzutreibenden Last, die geeigneten Regler-Einstellungen zu finden. Ein System mit reiner Positionsüberwachung ist dementsprechend einfacher in der Handhabung, nutzt aber die Vorteile der Positionsrückführung nur teilweise aus.

Schrittmotor (Typ PK266) mit rückseitig angeflanschtem Encoder

Schrittmotor (Typ PK266) mit rückseitig angeflanschtem Encoder (Quelle: Oriental Motor, Gesammtkatalog PK2-Serie, 2009)

Auch BLDC-Motoren (auch EC- oder bürstenlose Motoren genannt), sind heute preiswert und in vielen Versionen erhältlich. Für sie gilt in Hinblick auf Effizienz und Inbetriebnahme Aufwand das gleiche wie für Schrittmotoren im Servo-Betrieb. Welcher Motortyp am besten geeignet ist, ist von der Anwendung abhängig. Schrittmotoren bieten, ähnlich wie Torquemotoren, den Vorteil, dass sie bei niedrigen Drehzahlen ein verhältnismäßig hohes Drehmoment liefern. Nachteilig ist unter Umständen das ausgeprägte Rastmoment, was aber auch genutzt werden kann, um die Last bei abgeschaltetem Antrieb in Position zu halten. BLDC-Motoren hingegen schaffen aufgrund der niedrigeren Polpaarzahl deutlich höhere Drehzahlen, liefern aber wenig Drehmoment. Wenn also hohes Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen gefordert ist, ist der Schrittmotor auch für Servo-Anwendungen die richtige Wahl und kann sogar ein Getriebe überflüssig machen, dass bei Einsatz eines BLDC-Motors erforderlich wäre. Voraussetzung ist ein geeignetes Leistungsteil mit guter Benutzerführung bei der Inbetriebnahme von Antrieb und Regelung und zumindest regelungstechnische Grundkenntnisse beim Anwender.

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