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Die richtige Spannung für Schrittmotorsteuerungen – Kriterien zur Auswahl

Montag, April 25th, 2016

Das Schrittmotoren an modernen Steuerungen mit Stromregelung üblicherweise mit Spannungen betrieben werden, die deutlich über der Motornennspannung liegt, ist den meisten Anwendern bekannt und wurde hier bereits vor 5 Jahren im Beitrag „Die Sache mit der Spannung“ besprochen. Doch wie hoch sollte die Spannung gewählt werden? Umso höher die Spannung, umso mehr Drehmoment liefert der Motor im oberen Drehzahlbereich. Also liegt es nahe, die Spannung so hoch wie möglich zu wählen. Im nachfolgenden Beitrag möchte ich diskutieren, welche Grenzen bei der Wahl der Versorgungsspannung beachtet werden müssen.

Vorsicht Spannung

Vorsicht Spannung! Welche Versorgungsspannung ist bei Einsatz eines Schrittmotors die richtige?

Regulatorische Einschränkungen

Neben internen Vorgaben (Werksnormen o.ä.) sind hier vor allem Normen und gesetzliche Vorgaben der Märkte zu beachten, in welche die jeweilige Maschine oder Anlage geliefert werden soll. Für den europäischen Markt ist hier insbesondere die neue Niederspannungsrichtlinie 2014/35/EU relevant (gültig seit 20.4.2016, davor 2006/95/EG). Für den amerikanischen und kanadischen Markt ist es dagegen die UL508A. Die Niederspannungs-Richtlinie greift bei Einsatz von Gleichspannungen ab 75V bzw. Wechselspannungen ab 50V. Mit 48V Gleichspannung ist man also in Hinblick auf die Anwendung der Niederspannungsrichtlinie noch auf der „sicheren Seite“. Geht man darüber hinaus, müssen Motor, Motorsteuerung und Verdrahtung im Rahmen der Risikoanalyse betrachtet werden. Alle mit der Motorspannung verwendeten Komponenten müssen dann die Niederspannungs-Richtlinie erfüllen, diese muss dementsprechend auch in der CE-Konformitätserklärung berücksichtigt sein. Ist die UL508A anzuwenden, sind die Grenzen deutlich strenger. Die Prüfvorschriften für die UL508A berücksichtigen die Besonderheiten von Kleinspannungsantrieben nicht. Diese müssen vergleichbare Spannungsfestigkeiten wie Antriebsverstärker für den Netzspannungs-Betrieb aufweisen, was mit vertretbarem Aufwand nicht zu realisieren ist. Aus diesem Grund gibt es zumindest auf dem europäischen Markt keine Steuerungen für Kleinantriebe, welche die UL508A erfüllen. Bei Versorgung einer Steuerung aus einem sogenannten „Class 2“ Netzteil oder bei Einsatz eines „Limited Energy“ Stromkreises kann aber auch eine Motorsteuerung ohne UL-Zulassung verwendet werden. Class 2 Netzteile sind auf max. 30Veff beschränkt. Bei Limited Energy-Kreisen darf die Spannung bis 42,4V betragen, die Leistung ist auf 100VA begrenzt. Kommen mehrere Antriebe zum Einsatz, ist es zulässig, ein Netzteil größerer Leistung zu verwenden, wenn durch nachgeschaltete Sicherungen die Leistung in den einzelnen Kreisen entsprechen der Vorgaben in der Norm limitiert wird.

Schrittmotorsteuerung

Je nach Bauart der Schrittmotorsteuerung kommt eine single-Chip Lösung zum Einsatz, oder eine Endstufe mit externen MOSFETs. Gerade integrierte Lösungen sind in Hinblick auf die Versorgungsspannung limitiert. Typische maximale Spannungen liegen im Bereich 30-40V. Um ausreichend Reserven beim Bremsen (Rückspeisung durch den Motor) und für auftretende Schaltspitzen zu haben, sollte die Betriebsspannung mit einigem Abstand zur maximalen Versorgungsspannung des eingesetzten Treiber-ICs gewählt werden. Bei einsatzfertigen Geräten ist diese Reserve in der Regel bereits in den technischen Daten berücksichtigt, während bei „Motorshields“ (Treiber-Platinen für den Einsatz am Arduino oder Raspberry Pi meist mit minimaler Außenbeschaltung) in der Regel die Maximalwerte des Chips angegeben werden. Hier muss der Anwender selbst für entsprechende Sicherheitszuschläge sorgen, auch empfiehlt sich der Einsatz zusätzlicher Stützkondensatoren. Steuerungen für den Betrieb an Spannungen >=75VDC müssen die Niederspannungsrichtlinie erfüllen und entsprechend gekennzeichnet sein.

Schrittmotorsteuerung mit CE

Programmierbare Schrittmotorsteuerung für höhere Versorgungsspannungen mit CE-Kennzeichnung.

Motor

Bei Schrittmotoren gibt es von den Herstellern in der Regel keine offiziellen Spezifikationen, bis zu welcher Spannung ein Motor eingesetzt werden darf. Anhand der in den Motorkennlinien verwendeten Spannungen kann jedoch auf den zulässigen Spannungsbereich geschlossen werden. Höhere Spannungen als in den Kennlinien angegeben sollten vorab mit dem Motorhersteller abgestimmt werden. Wie im vorherigen Abschnitt bereits erwähnt, müssen Motoren, die mit Spannungen betrieben werden, die in den Geltungsbereich der Niederspannungsrichtlinie fallen, eine CE-Kennzeichnung aufweisen. Verschiedene Motorhersteller bieten Motorvarianten oder Serien mit CE-Kennzeichnung an. In der Regel sind diese Motoren auch mit einer zusätzlichen Schraube zur Erdung des Motorgehäuses und/oder einer abgeschirmten Zuleitung ausgestattet. Von Oriental Motor werden die IP54 und IP65-Motoren mit Flanschgrößen Nema23 und Nema34 mit CE-Kennzeichnung geliefert, die Standardmotoren gleicher Größe jedoch ohne CE. Sanyo Denki liefert ebenfalls unterschiedliche Serien mit und ohne CE. Von LAM werden alle Motoren mit CE-Kennzeichnung geliefert, eine Erdungsschraube ist aber nur bei den Motoren ab 86mm Flanschmaß vorhanden. Andere Hersteller liefern entweder keine gemäß CE gekennzeichneten Motoren, oder die Niederspannungsrichtlinie ist nicht Teil der Konformitätserklärung.

Schrittmotor CE

Schrittmotor PK268DW in IP54-Ausführung mit CE-Kennzeichnung und geschirmter Anschlussleitung. Quelle: Oriental Motor

Netzteil

Je nachdem, welche Spannungen bereits in der Anwendung verwendet werden, kann es sinnvoll sein, die Spannungsversorgung für den oder die Schrittmotoren aus den gleichen Netzteilen zu beziehen. Im industriellen Umfeld sind 24V besonders verbreitet, was zu den o.g. Grenzen der IC-Lösungen gut passt. Gängige Spannungen für Schaltnetzteile sind weiterhin 36V und 48V, höhere Spannungen sind sehr selten zu finden. Hier bietet sich bei Bedarf eher eine Reihenschaltung von zwei Netzteilen mit je 36V oder 48V an.

Fazit – die richtige Spannung für Ihre Anwendung

Welche Versorgungsspannung eingesetzt werden kann und darf, ist von vielen Faktoren abhängig. 24VDC sollten in den allermeisten Anwendungen möglich sein, ebenso 36VDC, wenn der verwendete Motortreiber hierfür geeignet ist. 48VDC und ggf. 60VDC sind für den europäischen Markt in der Regel problemlos verwendbar, im amerikanischen und kanadischen Markt jedoch nicht unbedingt zu empfehlen. Hier sollte man 36V nicht überschreiten und auf den Einsatz eines Class 2 Netzteils achten. Bei Spannungen über 60VDC ist eine Risikobeurteilung ratsam. In diesem Rahmen sollte auch geprüft werden, ob für Motor und Motorsteuerung eine CE-Konformitätserklärung vorliegt, welche die Niederspannungsrichtlinie berücksichtigt.