Für Automatisierungsmaschinen, die nur zwei bis drei Achsen elektrischer Antriebe benötigen, sind Impulsausgänge möglicherweise die einfachste Lösung.

Die Nutzung von Impulsausgängen einer SPS ist eine kostengünstige Möglichkeit, einfache Bewegungen zu erzeugen. Die meisten, wenn nicht alle SPS-Hersteller bieten eine Möglichkeit zur Steuerung von Servomotoren und Schrittmotoren über ein Impulssignal. Wenn eine einfache Maschine mit nur zwei oder drei Achsen und elektrischen Antrieben automatisiert werden soll, lassen sich Impulsausgänge deutlich einfacher einrichten, verdrahten und programmieren als analoge Signale. Zudem sind sie möglicherweise kostengünstiger als vernetzte Bewegungssteuerungen wie Ethernet/IP.

Sehen wir uns also die Steuerung eines Schrittmotors oder Servos mit einem Treiber oder Verstärker zwischen Controller und Motor an, wobei der Schwerpunkt auf den vom Controller oder Indexer verwendeten Impulssignalen liegt.

Grundlagen der Impulsfolge

Schrittmotoren und pulsgesteuerte Servomotoren können in beide Richtungen rotieren. Das bedeutet, dass eine Steuerung mindestens zwei Steuersignale an den Antrieb senden muss. Diese Signale können auf zwei verschiedene Arten bereitgestellt werden, und die verschiedenen Hersteller bezeichnen sie unterschiedlich. Es gibt zwei gängige Bezeichnungen für die beiden verwendeten Steuersignalschemata: den „1P-Modus“, auch bekannt als „Schritt-/Richtungsmodus“, und den „2P-Modus“, der als „CW/CCW-Modus“ oder „Uhrzeigersinn/Gegenuhrzeigersinn“ bezeichnet wird. Beide Modi erfordern zwei Steuersignale von der Steuerung an den Antrieb.

Im 1P-Modus ist ein Steuersignal ein Impuls- oder „Schritt“-Signal. Das andere Signal ist ein Richtungseingang. Ist der Richtungseingang eingeschaltet und liegt ein Impulssignal am Schritteingang an, dreht sich der Motor im Uhrzeigersinn. Ist das Richtungssignal hingegen ausgeschaltet und liegt ein Impulssignal am Schritteingang an, dreht sich der Motor in die andere Richtung, also gegen den Uhrzeigersinn. Der Impuls liegt immer am selben Eingang an, unabhängig von der gewünschten Richtung.

Im 2P-Modus bilden beide Signale eine Impulsfolge. Es hat immer nur ein Eingang eine Frequenz. Liegt also eine CW-Impulsfolge vor, dreht sich der Motor im Uhrzeigersinn. Liegt eine CCW-Impulsfolge vor, dreht sich der Motor gegen den Uhrzeigersinn. Welcher Eingang die Impulsfolge empfängt, hängt von der gewünschten Richtung ab.

Die vom Controller ausgegebenen Impulse versetzen den Motor in Bewegung. Der Motor dreht sich pro Impuls am Impulseingang des Antriebs um eine Einheit. Wenn beispielsweise ein Zweiphasen-Schrittmotor 200 Impulse pro Umdrehung (Impulse pro Umdrehung, PPR) hat, bewirkt ein Impuls eine Drehung des Motors um 1/200 einer Umdrehung oder 1,8 Grad, und 200 Impulse bewirken eine Umdrehung des Motors.

Natürlich haben verschiedene Motoren unterschiedliche Auflösungen. Schrittmotoren können Mikroschritte ausführen, wodurch sie viele tausend Impulse pro Umdrehung erzeugen. Servomotoren haben in der Regel eine Mindestauflösung von vielen tausend Impulsen pro Umdrehung. Unabhängig von der Motorauflösung bewirkt ein Impuls vom Controller oder Indexer nur eine inkrementelle Drehung.

Die Drehzahl eines Motors hängt von der Impulsfrequenz bzw. -geschwindigkeit ab. Je schneller die Impulse, desto schneller dreht sich der Motor. Im obigen Beispiel würde eine Frequenz von 200 Impulsen pro Sekunde (pps) bei einem Motor mit 200 ppr zu einer Umdrehung pro Sekunde (rps) oder 60 Umdrehungen pro Minute (rpm) führen. Je mehr Impulse für eine Umdrehung (ppr) des Motors benötigt werden, desto schneller müssen die Impulse gesendet werden, um die gleiche Drehzahl zu erreichen. Beispielsweise müsste bei einem Motor mit 1.000 ppr die Impulsfrequenz um ein Vielfaches höher sein als bei einem Motor mit 200 ppr, um die gleiche Drehzahl zu erreichen. Die Rechnung ist ganz einfach:

rps = pps/ppr (Umdrehungen pro Sekunde = Impulse pro Sekunde/Impulse pro Umdrehung)

U/min = U/s(60)

Kontrolle der Impulse

Die meisten Steuerungen verfügen über eine Methode zur Bestimmung, ob der Motor im oder gegen den Uhrzeigersinn drehen soll, und steuern die Signale entsprechend. Mit anderen Worten: Der Programmierer muss normalerweise nicht herausfinden, welche Ausgänge aktiviert werden sollen. Viele SPSen verfügen beispielsweise über Funktionen zur Bewegungssteuerung über ein Impulssignal. Diese Funktion steuert die Ausgänge automatisch, um die richtige Drehrichtung zu erhalten, unabhängig davon, ob die Steuerung für den 1P- oder 2P-Modus konfiguriert ist.

Betrachten wir als einfaches Beispiel zwei Bewegungen. Beide Bewegungen umfassen 1.000 Impulse. Eine erfolgt in positiver, die andere in negativer Richtung. Die Steuerung aktiviert die entsprechenden Ausgänge (1P oder 2P), um den Motor in positiver Richtung (normalerweise im Uhrzeigersinn) rotieren zu lassen, wenn die Anzahl der angeforderten Impulse 1.000 beträgt. Gibt ein Programm hingegen -1.000 Impulse vor, aktiviert die Steuerung die entsprechenden Ausgänge für eine Bewegung in negativer Richtung (normalerweise gegen den Uhrzeigersinn). Daher ist es für den Programmierer nicht notwendig, die Drehrichtung des Motors durch die Auswahl der zu verwendenden Ausgänge im Programmcode zu steuern. Die Steuerung erledigt dies automatisch.

Controller und Treiber bieten in der Regel die Möglichkeit, den Impulstyp per DIP-Schalter oder über die Softwareauswahl auszuwählen. Es ist wichtig, dass Controller und Treiber gleich eingestellt sind. Andernfalls kann der Betrieb fehlerhaft sein oder gar nicht funktionieren.

Absolute und inkrementelle Bewegungen

Die beiden häufigsten Bewegungsbefehle in der Motion-Control-Programmierung sind inkrementelle und absolute Bewegungsbefehle. Das Konzept von absoluten und inkrementellen Bewegungen verwirrt viele Benutzer, unabhängig von der verwendeten Motorsteuerungsmethode. Diese Informationen gelten jedoch unabhängig davon, ob der Motor mit Impulsen, einem analogen Signal oder einem Netzwerk wie Ethernet/IP oder Ethercat gesteuert wird.

Erstens: Wenn ein Motor über einen Encoder verfügt, haben seine Bewegungsarten nichts mit dem Encodertyp zu tun. Zweitens können absolute und inkrementelle Bewegungen unabhängig davon ausgeführt werden, ob ein absoluter oder inkrementeller Encoder vorhanden ist oder ob überhaupt kein Encoder vorhanden ist.

Beim Bewegen einer Linearachse, beispielsweise eines Kugelumlaufspindelantriebs, mit einem Motor besteht (offensichtlich) ein begrenzter Abstand zwischen den beiden Enden des Antriebs. Anders ausgedrückt: Befindet sich der Schlitten an einem Ende des Antriebs, kann der Motor nur so lange gedreht werden, bis der Schlitten das andere Ende erreicht. Dies ist die Hublänge. Bei einem Antrieb mit 200 mm Hub befindet sich beispielsweise ein Ende des Antriebs normalerweise in der Null- oder Grundposition.

Bei einer absoluten Bewegung wird der Schlitten unabhängig von seiner aktuellen Position in die gewünschte Position gebracht. Wenn die aktuelle Position beispielsweise Null ist und die gewünschte Bewegung 100 mm beträgt, sendet die Steuerung genügend Impulse, um den Antrieb bis zur 100-mm-Markierung vorwärts zu bewegen und anzuhalten.

Wenn die aktuelle Position des Aktuators jedoch 150 mm beträgt, würde eine absolute Bewegung von 100 mm dazu führen, dass der Controller Impulse in die negative Richtung sendet, um den Aktuator 50 mm nach hinten zu bewegen und an der 100-mm-Position anzuhalten.

Praktische Anwendungen

Das häufigste Problem bei der Impulssteuerung liegt in der Verdrahtung. Die Signale werden oft versehentlich vertauscht. Im 2P-Modus bedeutet dies, dass der CCW-Ausgang mit dem CW-Eingang verbunden ist und umgekehrt. Im 1P-Modus bedeutet dies, dass der Impulssignalausgang mit dem Richtungseingang und der Richtungssignalausgang mit dem Impulseingang verbunden ist.

Im 2P-Modus führt dieser Verdrahtungsfehler dazu, dass der Motor im Uhrzeigersinn dreht, wenn er gegen den Uhrzeigersinn gedreht werden soll, und gegen den Uhrzeigersinn, wenn er im Uhrzeigersinn gedreht werden soll. Im 1P-Modus ist das Problem schwieriger zu diagnostizieren. Wenn die Signale vertauscht sind, sendet der Controller eine Impulsfolge an den Richtungseingang, die jedoch nichts bewirkt. Er sendet außerdem eine Richtungsänderung (das Signal wird je nach Richtung ein- oder ausgeschaltet) an den Schritteingang, was den Motor möglicherweise einen Impuls drehen lässt. Ein Bewegungsimpuls ist in der Regel kaum zu erkennen.

Die Verwendung des 2P-Modus erleichtert die Fehlersuche und ist in der Regel auch für Personen ohne große Erfahrung mit dieser Art der Bewegungssteuerung leichter verständlich.

Hier ist eine Methode, mit der Sie möglichst wenig Zeit mit der Fehlersuche an Impuls- und Richtungsachsen verbringen. So können sich Ingenieure auf eine Sache konzentrieren. So müssen Sie nicht tagelang nach Verdrahtungsfehlern suchen, die die Bewegung verhindern, nur um dann festzustellen, dass die Impulsausgabefunktion in der SPS falsch konfiguriert ist und Sie nie Impulse ausgegeben haben.

1. Bestimmen Sie den zu verwendenden Pulsmodus und verwenden Sie für alle Achsen denselben Modus.

2. Stellen Sie den Controller auf den richtigen Modus ein.

3. Stellen Sie das Laufwerk auf den richtigen Modus ein.

4. Erstellen Sie in Ihrem Controller das einfachste Programm (normalerweise eine Tippfunktion), damit der Motor angewiesen werden kann, sich mit langsamer Geschwindigkeit in die eine oder andere Richtung zu drehen.

5. Befehlen Sie eine CW-Bewegung und achten Sie auf Status im Controller, die darauf hinweisen, dass Impulse ausgegeben werden.

– Dies können LEDs an den Ausgängen des Controllers oder Statusflags wie das Busy-Flag in der SPS sein. Der Impulsausgangszähler im Controller kann ebenfalls überwacht werden, um zu sehen, ob sich sein Wert ändert.

–Der Motor muss nicht an Ausgangsimpulse angeschlossen werden.

6. Wiederholen Sie den Test in Gegenuhrzeigersinn.

7. Wenn die Impulsausgabe in beide Richtungen erfolgreich ist, fahren Sie fort. Wenn nicht, muss zuerst die Programmierung geklärt werden.

8. Verdrahten Sie den Controller mit dem Treiber.

9. Bewegen Sie den Motor in eine Richtung. Wenn es funktioniert, fahren Sie mit Schritt 10 fort. Wenn es nicht funktioniert, überprüfen Sie die Verkabelung.

10. Bewegen Sie den Motor in die entgegengesetzte Richtung. Wenn es funktioniert, haben Sie es geschafft. Wenn es nicht funktioniert, überprüfen Sie die Verkabelung.

In dieser ersten Phase wurden viele Stunden verschwendet, da die Impulsfrequenz so niedrig ist, dass der Motor sich extrem langsam dreht, etwa 1/100 U/s. Wenn Sie den Betrieb nur durch Beobachten der Motorwelle erkennen können, sieht es möglicherweise so aus, als würde er sich nicht mit niedriger Geschwindigkeit bewegen, was zu der Annahme verleitet, dass er keine Impulse aussendet. Am besten berechnen Sie eine sichere Geschwindigkeit basierend auf der Motorauflösung und den Anwendungsparametern, bevor Sie die Geschwindigkeit für den Test festlegen. Manche glauben, sie könnten eine brauchbare Geschwindigkeit einfach durch Raten festlegen. Wenn der Motor jedoch 10.000 Impulse für eine Umdrehung benötigt und die Impulsfrequenz auf 1.000 pps eingestellt ist, braucht der Motor 10 Sekunden für eine Umdrehung. Umgekehrt, wenn der Motor 1.000 Impulse für eine Umdrehung benötigt und die Impulsfrequenz auf 1.000 eingestellt ist, dreht sich der Motor eine Umdrehung pro Sekunde oder 60 U/min. Dies kann für den Test zu schnell sein, wenn der Motor an einer Last wie einem Kugelumlaufspindel-Aktuator mit begrenzter Bewegungsdistanz befestigt ist. Es ist wichtig, auf Anzeigen zu achten, die die Ausgabe von Impulsen anzeigen (LEDs oder Impulszähler).

Berechnungen für die Praxis

Benutzer erhalten häufig HMIs, die die Entfernung und Geschwindigkeit der Maschine in Impulseinheiten statt in technischen Einheiten wie Millimetern anzeigen. Oftmals steht der Programmierer unter Zeitdruck, um die Maschine zum Laufen zu bringen, und nimmt sich nicht die Zeit, die Maschineneinheiten zu ermitteln und in technische Einheiten umzurechnen. Hier sind einige Tipps, die dabei helfen können.

Wenn Sie die Schrittauflösung des Motors (Impulse pro Umdrehung) und die Bewegung pro Motorumdrehung (mm) kennen, wird die Befehlsimpulskonstante als Auflösung/Entfernung pro Umdrehung oder Impulse pro Umdrehung/Entfernung pro Umdrehung berechnet.

Mithilfe der Konstante lässt sich ermitteln, wie viele Impulse zum Zurücklegen einer bestimmten Distanz erforderlich sind:

Aktuelle Position (oder Entfernung) = Impulszahl/Befehlsimpulse konstant.

Um technische Einheiten in Impulse umzurechnen, ermitteln Sie zunächst die Konstante, die die Anzahl der für eine bestimmte Bewegung benötigten Impulse bestimmt. Nehmen wir im obigen Beispiel an, der Motor benötigt 500 Impulse für eine Umdrehung und eine Umdrehung entspricht 10 mm. Die Konstante lässt sich berechnen, indem man 500 (Impulse pro Umdrehung) durch 10 (mm pro Umdrehung) teilt. Die Konstante beträgt also 500 Impulse/10 mm oder 50 Impulse/mm.

Mit dieser Konstante lässt sich dann die Anzahl der Impulse berechnen, die für eine Bewegung über eine bestimmte Distanz erforderlich sind. Um beispielsweise 15 mm zu bewegen, sind 15 mm × 50 ppm = 750 Impulse erforderlich.

Um einen Impulszählerstand in technische Einheiten umzurechnen, teilen Sie einfach den Impulszählerwert durch die Sollimpulskonstante. Wenn der Impulszähler also 6.000 anzeigt und diesen Wert durch die im obigen Beispiel berechnete Sollimpulskonstante teilt, beträgt die Aktuatorposition 6.000 Impulse/50 ppm = 120 mm.

Um eine Geschwindigkeit in mm vorzugeben und die Steuerung die richtige Frequenz in Hz (Impulse pro Sekunde) berechnen zu lassen, muss zunächst die Geschwindigkeitskonstante ermittelt werden. Dies geschieht durch Ermittlung der Soll-Impulskonstante (wie oben gezeigt), wobei die Einheiten geändert werden. Anders ausgedrückt: Wenn der Motor 500 Impulse pro Sekunde erzeugt und sich der Aktuator 10 mm pro Umdrehung bewegt, dann bewegt sich der Aktuator bei vorgegebenen 500 Impulsen pro Sekunde 10 mm pro Sekunde. Dividiert man 500 Impulse pro Sekunde durch 10 mm pro Sekunde, erhält man 50 Impulse pro Sekunde pro mm. Multipliziert man die Zielgeschwindigkeit mit 50, erhält man die richtige Impulsfrequenz.

Die Formeln sind dieselben, aber die Einheiten ändern sich:

Geschwindigkeitskonstante in pps = Impulse pro Umdrehung/Entfernung pro Umdrehung

Pulsgeschwindigkeit (pps) = (Geschwindigkeitskonstante) × Geschwindigkeit in mm

Die Verwendung eines Setups, das Impulsfolgesignale zur Bewegungssteuerung verwendet, mag zunächst entmutigend erscheinen. Wenn man jedoch von Anfang an genau auf die Signaltypen und Einstellungen an Steuerung und Antrieben achtet, kann die Inbetriebnahme schneller erfolgen. Wenn man sich außerdem die Zeit nimmt, gleich einige grundlegende Berechnungen durchzuführen, wird die Programmierung von Geschwindigkeiten und Entfernungen einfacher, und den Maschinenbedienern werden intuitivere Informationen auf ihren HMIs angezeigt.