Schrittmotorsysteme sind ein Grundpfeiler der Motion-Control-Branche. Wir untersuchen die Unterschiede zwischen offenen und geschlossenen Systemen und erläutern die neuesten Entwicklungen, die Schrittmotorsysteme noch schneller, leiser und energieeffizienter machen als je zuvor.

Schrittmotorsysteme haben seit den Anfängen von Spannungsantrieben und Vollschritten eine lange Entwicklung durchgemacht. Zuerst kamen PWM-Antriebe und Mikroschritte, dann digitale Signalprozessoren (DSPs) und Antiresonanzalgorithmen. Neue Closed-Loop-Schrittmotortechnologie sorgt dafür, dass Schrittmotoren auch in den kommenden Jahren ein Eckpfeiler der Motion-Control-Branche bleiben.

Unabhängig davon, ob es sich um eine lineare oder rotierende Bewegung handelt, sind Drehmoment und Effizienz die wichtigsten Faktoren, die die Wahl des richtigen Motors und Antriebssystems bestimmen. 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 Schrittmotorsystemen ist der Einsatz kostengünstiger, hochauflösender Feedback-Geräte und fortschrittlicher DSPs zur Schließung des Regelkreises der Schrittmotorbewegung. Solche Steuerungen steigern die Leistung von Closed-Loop-Schrittmotoren und übertreffen so offene Systeme. Wie wir sehen werden, basiert ein solches Closed-Loop-System auf einem integrierten Motordesign, das ein Feedback-Gerät, Treiber- und Controller-Platinen, Stromversorgung, Kommunikation und E/A-Elektronik sowie Systemanschlüsse an der Motorseite und -rückseite umfasst.

Schrittmotorsysteme mit offenem Regelkreis vs. Schrittmotorsysteme mit geschlossenem Regelkreis
Lassen Sie uns zunächst untersuchen, wie leistungsstarke Closed-Loop-Schrittmotorsysteme im Hinblick auf Drehmoment und Effizienz im Vergleich zu herkömmlichen Open-Loop-Schrittmotorsystemen abschneiden.

Die Leistung von Closed-Loop-Schrittmotorsystemen gegenüber Open-Loop-Systemen ist höher. Dies belegen Labortests, die Beschleunigung (Drehmoment), Effizienz (Stromverbrauch), Positionsfehler (Genauigkeit), Wärmeentwicklung und Geräuschpegel beider Systeme vergleichen. Betrachten Sie einfach die Beziehung zwischen Drehmoment und Beschleunigung. Drehmoment-Drehzahl-Kurven zeigen den Spitzen- und Dauerdrehmomentbereich eines Closed-Loop-Schrittmotorsystems neben dem nutzbaren Drehmomentbereich eines Open-Loop-Schrittmotorsystems. In der Praxis wird Drehmoment häufig in Beschleunigung umgesetzt – Motoren mit höherem Drehmoment können eine bestimmte Last also schneller beschleunigen.

Um diesen Unterschied im Drehmomentverhalten im Labor zu testen, werden gleich große Schrittmotorsysteme mit offenem und geschlossenem Regelkreis mit identischen Trägheitslasten beaufschlagt. Die Programmierung weist die beiden Systeme an, identische Bewegungsprofile auszuführen, mit der Ausnahme, dass Beschleunigung und Höchstgeschwindigkeit in jedem System langsam erhöht werden, bis Positionierungsfehler auftreten.

Angenommen, das Open-Loop-System erreicht eine maximale Beschleunigungsrate von 1.000 U/s²und eine Höchstgeschwindigkeit von 10 U/s (600 U/min). Diese Höchstgeschwindigkeit von 10 U/s entspricht dem Ende des flachen Abschnitts der Drehmoment-Drehzahl-Kurve. Das geschlossene System erreicht (aufgrund seiner höheren Drehmomenterzeugungskapazität) eine maximale Beschleunigung von 2.000 U/s²und eine Höchstgeschwindigkeit von 20 U/s (1.200 U/min). Dies ist die doppelte Leistung des Open-Loop-Systems und verkürzt die Bewegungszeit fast um die Hälfte – von 110 ms auf 60 ms.

Bei Anwendungen, die einen hohen Durchsatz erfordern (wie etwa Indexierung, Kantenführungspositionierung und Pick-and-Place-Systeme), bietet das Closed-Loop-System einen klaren Leistungsvorteil.

Effizienz im offenen und geschlossenen Kreislauf

Um die relative Effizienz eines offenen und eines geschlossenen Systems zu messen, wiederholen wir den Test mit zwei gleich großen Motoren. Diesmal lassen wir die Motoren mit geschlossenem und offenem Regelkreis nebeneinander mit den gleichen Trägheitslasten laufen, verwenden aber eine Programmierung, die die Bewegungsprofile konstant und gleich hält, sodass beide Systeme die gleiche Arbeit leisten.

Während die beiden Motoren wiederholt das gleiche Bewegungsprofil durchlaufen, wird die Stromaufnahme der Gleichstromversorgung gemessen und der Stromverbrauch berechnet. Wie aus den Wertediagrammen ersichtlich, beträgt der durchschnittliche Stromverbrauch des offenen Schrittmotorsystems 43,8 Watt, während der des geschlossenen Systems nur ein Drittel davon beträgt – durchschnittlich 14,2 Watt. Dieser deutliche Unterschied im Stromverbrauch zeigt deutlich die höhere Effizienz des geschlossenen Systems. Wer die Systemeffizienz seines offenen Schrittmotorsystems steigern möchte, kann nun ein einfaches Upgrade auf ein geschlossenes System in Betracht ziehen und mit einem deutlich geringeren Verbrauch rechnen.

So beheben Sie die Überhitzung des Motors

Eine logische Erweiterung der Stromverbrauchstests ist die Untersuchung der Motorerwärmung. Schrittmotorsysteme mit offenem Regelkreis sind einfache Systeme. Man stellt den Antrieb einfach auf den Nennstrom des Motors ein, und der Antrieb tut sein Bestes, um den Motor jederzeit mit diesem Strom zu versorgen, unabhängig davon, ob das resultierende Drehmoment benötigt wird oder nicht. Dies führt oft zur Erzeugung von Wärme statt Energie für die Anwendungsfunktion – und ist der Grund, warum Schrittmotorsysteme mit offenem Regelkreis typischerweise heißer laufen als ihre Gegenstücke mit geschlossenem Regelkreis. Das bedeutet auch, dass Maschinenkonstrukteure zusätzliche Maßnahmen ergreifen müssen, um dieser Wärme entgegenzuwirken, oft durch spezielle Schutzvorrichtungen um Schrittmotoren, die in der Nähe von Bedienern laufen, oder durch die Installation zusätzlicher Kühlsysteme wie Lüfter.

Betrachten wir die Ergebnisse eines Motorerwärmungstests, der im Labor mit denselben offenen und geschlossenen Systemen wie oben durchgeführt wurde. In diesem Test leisten beide Systeme dieselbe Arbeit, indem sie dieselben Trägheitslasten antreiben, und werden so lange betrieben, bis sie ein thermisches Gleichgewicht erreichen. Das offene System erreicht eine Gehäusetemperatur von 76,0 °C, während das geschlossene System das thermische Gleichgewicht bereits bei einer Gehäusetemperatur von 36,9 °C erreicht – weniger als die Hälfte der Gehäusetemperatur des offenen Systems. Diese deutliche Reduzierung der Motorerwärmung kann für Maschinenbauer niedrigere Komponentenkosten bedeuten, da sie auf zusätzliche Schutz- und Kühlsubsysteme verzichten können.

Keine lauten Motoren mehr

Eine weitere häufige Beschwerde über Open-Loop-Schrittmotorsysteme ist, dass sie bekanntermaßen ziemlich laute Geräusche verursachen. In bestimmten Umgebungen wie Laboren, Krankenhäusern und Büros kann dieser Lärm für Maschinenbauer ein echtes Problem darstellen.

Die Geräuschentwicklung von Schrittmotoren entsteht durch die hohe elektrische Frequenz und die schnellen Flussänderungen in den Statorzähnen. Außerdem arbeiten offene Systeme lastunabhängig mit vollem Nennstrom. Geschlossene Schrittmotorsysteme hingegen versorgen den Motor mit gerade so viel Strom, wie zur Steuerung der Last nötig ist. Dies führt zu deutlich weniger hörbaren Geräuschen.

Um die im Geräuschdiagramm zu diesem Artikel dargestellten Testergebnisse zu erhalten, wurde das Geräusch jedes Systems in einer schalldichten Kammer gemessen. Das geschlossene System ist bei Geschwindigkeiten von 0 bis 20 U/s deutlich leiser als die offene Variante. Dieser Geschwindigkeitsbereich entspricht dem realen Geschwindigkeitsbereich von Anwendungen, in denen Schrittmotorsysteme am häufigsten eingesetzt werden. Das bedeutet, dass die überwiegende Mehrheit der Schrittmotoranwendungen von einer Geräuschreduzierung profitieren könnte, wenn auf geschlossene Systeme umgestellt würde.

Bessere Motorgenauigkeit zur Vermeidung von Positionsfehlern

Offene Schrittmotorsysteme werden für ihre Fähigkeit geschätzt, Lasten ohne Rückkopplungsmechanismus oder geschlossenes Regelsystem präzise zu positionieren. Voraussetzung ist jedoch, dass das offene System über ausreichend Drehmomentreserve verfügt, sodass im Normalbetrieb keine Positionsfehler auftreten. Für eine verbesserte Genauigkeit und ein robusteres Systemdesign ermöglicht das Schließen des Servopositionierungskreises um die Rückmeldung des hochauflösenden Encoders, dass geschlossene Systeme erhöhte Drehmomentanforderungen automatisch kompensieren können, die sonst zu Positionsfehlern in offenen Systemen führen würden. 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 Stepper-Systeme

Von den Komponenten eines integrierten Schrittmotorsystems steigen die Kosten für Motor, Leistungsverstärker und Kommunikation beim Wechsel von offenem zu geschlossenem Regelkreis im Allgemeinen nicht. Die Steuerelektronik benötigt möglicherweise etwas mehr zentrale Rechenleistung oder Speicher, um den Motor zu servosteuern, aber dies wirkt sich normalerweise nicht auf die Listenpreise aus. Der Kostenunterschied zwischen offenen und geschlossenen Schrittmotorsystemen liegt hauptsächlich im zusätzlichen hochauflösenden Feedback-Gerät, aber Verbesserungen in der Fertigung haben diese Geräte zunehmend erschwinglicher gemacht. Daher behalten geschlossene Schrittmotorsysteme heute die Kostenvorteile offener Schrittmotorsysteme gegenüber anderen Arten von Positionierungssystemen – wie beispielsweise einem herkömmlichen Servo – bei, bieten aber in fast jeder Hinsicht eine deutlich höhere Leistung. Normalerweise amortisieren die Energieeinsparungen und der höhere Durchsatz eines geschlossenen Systems schnell die geringfügig höheren Kosten des Feedback-Geräts.

Neben minimalen Kostensteigerungen wird die Umstellung von einem offenen Schrittmotorsystem auf ein geschlossenes System durch die NEMA-Baugrößen vereinfacht. Ein geschlossener NEMA 23-Schrittmotor hat die gleiche Baugröße, den gleichen Pilotdurchmesser, den gleichen Lochkreis und den gleichen Lochdurchmesser wie ein offener NEMA 23-Schrittmotor, sodass die Montagehalterungen gleich bleiben. Das höhere Drehmoment des geschlossenen Systems kann den Wellendurchmesser des geschlossenen Schrittmotors vergrößern. Dies lässt sich jedoch in der Regel durch einen einfachen Austausch der Wellenkupplung beheben.