Grundlagen zur Funktion

Schrittmotor

Der Schrittmotor ist ein Elektromotor, vergleichbar dem Synchronmotor. Der Rotor ist als Permanentmagnet ausgeführt, während der Stator aus einem Spulenpaket besteht. Im Unterschied zum Synchronmotor verfügt der Schrittmotor über eine große Zahl von Polpaaren. Bei einfachster Ansteuerung schaltet man den Schrittmotor von Pol zu Pol, bzw. von Schritt zu Schritt.

Schrittmotoren sind schon seit vielen Jahren im Einsatz. Sie zeichnen sich durch Robustheit aus, lassen sich leicht ansteuern und liefern ein hohes Drehmoment. Die Möglichkeit, die Schritte mit zu zählen, erspart in vielen Anwendungsfällen ein kostenintensives Rückführungssystem. Auch nach der zunehmenden Verbreitung der Synchron-Servomotoren ist der Schrittmotor keineswegs „in die Jahre gekommen“, sondern gilt als ausgereift und wird nach wie vor weiter entwickelt, um Kosten und Baugröße zu reduzieren und um Drehmoment und Zuverlässigkeit zu steigern.

Mit der Entwicklung der Busklemmen KL2531 und KL2541 für das Beckhoff Busklemmen-System erschließen sich neue Anwendungsfelder. Der Einsatz von Microstepping und neuester Halbleitertechnologie bietet viele Vorteile:

• größere Laufruhe
• Vermeidung von Resonanzen
• sinkender Energieverbrauch
• geringere thermische Belastung des Motors
• kaum elektromagnetische Abstrahlung
• große Leitungslängen
• einfachere Handhabung
• reduzierte Bauform der Leistungselektronik
• einfache Integration in übergeordnete Systeme
• integriertes Rückführungssystem

Zwei Schrittmotorklemmen für optimalen Einsatz

Die Schrittmotorklemmen KL2531 und KL2541 unterscheiden sich durch ihre Leistungsklassen.

• Die KL2531 deckt mit ihrer geringen Bauform, von nur 12 mm, den unteren Leistungsbereich ab. Die Versorgungsspannung kann bis zu 24 V_DC betragen und ist zur einfachen Integration in das 24 V_DC Steuerspannungsnetz vorgesehen. Mit einem Spitzenstrom von 1,5 A pro Phase kann eine große Zahl von kleinen Antrieben und Verstellachsen versorgt werden.
• Mit der KL2541 erreicht der Anwender die nächste Leistungsklasse, die bereits unter den kleinsten Servoantrieben angesiedelt ist. Mit dem Spitzenstrom von 5 A kann die KL2541 ein beachtliches Drehmoment von z. B. 5 Nm an einem Standardschrittmotor erreichen. Die Versorgungsspannung von bis zu 48 V_DC erlaubt hohe Drehzahlen mit gutem Drehmoment und damit eine hohe mechanische Leistung, bis in den Bereich von 200 W. Die KL2541 enthält zur Aufnahme aller Anschlussdrähte eines Antriebes eine integrierte Inkremental-Encoder-Schnittstelle und baut mit einer Breite von 24 mm immer noch sehr klein.

Beide Schrittmotorklemmen geben je zwei geregelte Ströme mit Sinus-/Cosinus-Verlauf aus. Die Stromregelung wird mit 25 kHz getaktet und ermöglicht einen glatten und resonanzfreien Stromverlauf. Hochdynamische, induktionsarme Motoren laufen dadurch genauso problemlos, wie Schrittmotoren mit einer kleinen Rotormasse. Die Auflösung des Stromes erfolgt in 64 Schritten pro Periode (64-faches Microstepping). Der Standardmotor mit einem 1,8° Schrittwinkel wird sehr laufruhig und kann auf bis zu elektronische 12800 Positionen pro Umdrehung gestellt werden. Erfahrungsgemäß können ca. 5000 Positionen mechanisch angefahren werden.

Typische Schrittmotorprobleme, wie eine ausgeprägte Resonanz, gehören damit der Vergangenheit an. Durch das Microstepping und entsprechende Sollwertverläufe ist der Rotor immer ruckfrei geführt und neigt nicht mehr zur Pendelbewegung um jede Rastposition. Mechanische Maßnahmen, wie Schwingungsdämpfer gegen die Resonanz oder Untersetzungen zur Genauigkeitserhöhung, können entfallen. Entsprechend reduzieren sich die Kosten und der Entwicklungsaufwand.

Mit den neuen Schrittmotorklemmen wird auch die Entwicklungszeit auf der Steuerungsseite reduziert. Beide Busklemmen sind in allen gängigen Feldbussen wie übliche Busklemmen zu benutzen. Die Programmierung von Schnittstellen kann somit entfallen. Das Beachten von Start- und Stoppfrequenzen, sowie das schnelle Durchschreiten der Resonanzfrequenz, sind nicht mehr notwendig. Für einfache Positionieraufgaben können beide Busklemmen den Antrieb selbstständig, unter Beachtung einer Beschleunigungsrampe und der maximalen Frequenz, an eine Position fahren.

Wenig verbreitet ist heute noch die Möglichkeit, über die vom Schrittmotor zurückgespeiste Spannung, eine Erkennung der Rotorlage durchzuführen. Die Busklemmen KL2531 und KL2541 enthalten eine Statusrückmeldung, die mit einer Auflösung von 3 Bit die Belastung des Motors wiedergibt. Eine „echte“ Lageregelung lässt sich mit dieser Art der Rückführung zwar nicht durchführen, da der Schrittmotor aber prinzipiell seiner Ansteuerung folgt und bei Überlast einfach stehen bleibt, ergibt sich ein praxistaugliches Verfahren: Solange der Motor nicht überlastet ist, erreicht er die vorgegebene Position. Der in der Busklemme mitgezählte Positionswert ist O.K.

Realisierung von anspruchsvolleren Positionieraufgaben

Anspruchsvollere Positionieraufgaben lassen sich mit Hilfe der Beckhoff-Automatisierungssoftware TwinCAT realisieren. Die beiden Schrittmotorklemmen werden, wie andere Achsen, via TwinCAT System Manager eingebunden und sind wie übliche Servoachsen zu nutzen. Besondere Eigenarten des Schrittmotors, wie Rücknahme der Drehzahlvorgabe bei zu großem Schleppfehler, werden automatisch durch die Option Schrittmotorachse berücksichtigt. Der Aufwand, von einem Servomotor auf einen Schrittmotor - und zurück - zu wechseln, ist nicht größer, als unter TwinCAT der Wechsel von einem Feldbus zum anderen.

Die Endstufen der Schrittmotorklemmen besitzen eine Überlastsicherung in Form einer Übertemperaturwarnung und -abschaltung. Zusammen mit der Kurzschlusserkennung werden die Diagnosedaten im Prozessabbild der Steuerung zugänglich gemacht. Zusätzlich wird dieser Status, neben weiteren Informationen durch die LEDs der Busklemme angezeigt. Mit einem Enable-Bit wird die Endstufe eingeschaltet. Über einen Parameterwert kann der Motorstrom eingestellt und abgesenkt werden.

Die optimale Anpassung an den Motor und der energiesparende Einsatz in der Anwendung erfordern keinen großen Programmieraufwand. In der Testphase erlaubt die Konfigurations-Software KS2000 eine schnelle und effiziente Optimierung. Da alle Daten in Form von Parametern durch die Software eingestellt werden, ist es leicht möglich, eine Busklemme auszutauschen oder einmal erarbeitete Parameter zu speichern und in ein nächstes Projekt zu übertragen. Das Übertragen bestimmter Potentiometer-Einstellungen und Dokumentieren von DIP-Schalter-Einstellungen ist somit nicht mehr erforderlich.