Schrittmotorsysteme bilden eine tragende Säule 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. Die 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 die Leistung von Open-Loop-Systemen. 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 deutlich höher. Dies belegen Labortests, die Beschleunigung (Drehmoment), Effizienz (Stromverbrauch), Positionsfehler (Genauigkeit), Wärmeentwicklung und Geräuschpegel beider Systeme vergleichen. Betrachten Sie einfach das Verhältnis 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 offene 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 Drehmomenterzeugung) eine maximale Beschleunigung von 2.000 U/s²und eine Höchstgeschwindigkeit von 20 U/s (1.200 U/min). Dies ist die doppelte Leistung des offenen Regelkreises und verkürzt die Bewegungszeit nahezu 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 gleichen 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 dasselbe 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 versucht, diesen Strom stets optimal zu liefern, 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 solche mit geschlossenem Regelkreis. Das bedeutet auch, dass Maschinenbauer zusätzliche Maßnahmen ergreifen müssen, um dieser Wärme entgegenzuwirken, oft durch spezielle Schutzvorrichtungen für Schrittmotoren, die in der Nähe von Bedienern laufen, oder durch den Einbau 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 die gleiche Arbeit, indem sie dieselben Trägheitslasten antreiben, und werden 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

Ein weiterer häufiger Kritikpunkt an Open-Loop-Schrittmotorsystemen ist ihre hohe Geräuschentwicklung. In bestimmten Umgebungen wie Laboren, Krankenhäusern und Büros kann dieser Lärm für Maschinenbauer ein echtes Problem darstellen.

Die Geräuschentwicklung von Schrittmotoren entsteht durch hohe elektrische Frequenzen und schnelle Flussänderungen in den Statorzähnen sowie dadurch, dass offene Systeme lastunabhängig mit vollem Nennstrom betrieben werden. Geschlossene Schrittmotorsysteme hingegen versorgen den Motor mit gerade genug Strom, um die Last zu steuern, was zu deutlich geringeren Geräuschen führt.

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 Drehzahlbereich entspricht dem realen Drehzahlbereich der am häufigsten eingesetzten Schrittmotorsysteme. Das bedeutet, dass die überwiegende Mehrheit der Schrittmotoranwendungen von einer Geräuschreduzierung durch die Umstellung auf geschlossene Systeme profitieren könnte.

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 höhere 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

Die Kosten für Motor, Leistungsverstärker und Kommunikation in einem integrierten Schrittmotorsystem steigen beim Wechsel von offenem zu geschlossenem Regelkreis in der Regel nicht. Die Steuerelektronik benötigt möglicherweise etwas mehr Rechenleistung oder Speicher für die Servosteuerung des Motors, was sich jedoch in der Regel nicht auf den Listenpreis auswirkt. Der Kostenunterschied zwischen offenen und geschlossenen Schrittmotorsystemen liegt hauptsächlich im zusätzlichen hochauflösenden Feedback-Gerät. Dank Verbesserungen in der Fertigung sind diese Geräte jedoch zunehmend erschwinglicher geworden. Daher bieten geschlossene Schrittmotorsysteme die gleichen Kostenvorteile gegenüber anderen Positionierungssystemen – wie beispielsweise herkömmlichen Servos – und bieten gleichzeitig eine deutlich höhere Leistung in nahezu jeder Hinsicht. Die Energieeinsparungen und der höhere Durchsatz eines geschlossenen Systems amortisieren die geringen Mehrkosten für das Feedback-Gerät in der Regel schnell.

Neben minimalen Kostensteigerungen wird die Umstellung von einem offenen Schrittmotorsystem auf ein geschlossenes System durch die NEMA-Baugrößen vereinfacht. Ein geschlossener Schrittmotor nach NEMA 23 hat die gleiche Baugröße, den gleichen Pilotdurchmesser, den gleichen Lochkreis und den gleichen Lochdurchmesser wie ein offener Schrittmotor nach NEMA 23, sodass die Montagehalterungen unverändert 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.