Vernetzte Betriebe und tragbare Anwendungen treiben neue Entwicklungen voran
Ein Schrittmotor ist eine Art bürstenloser Gleichstrommotor (brushless DC motor, BLDC), der als Antwort auf äußere Antriebssignale, die auf seine Statorspulen wirken, in kleinen Schritten rotiert. Obwohl Schrittmotoren schon seit Langem im Einsatz sind, werden noch immer neue Entwicklungen als Reaktion auf innovative Anwendungen sowie Branchentrends herausgebracht.
Geschichte des Schrittmotors
Die Ursprünge des Schrittmotors können bis zum „elektromagnetischen Motor“ aus dem 19. Jahrhundert zurückverfolgt werden. Im Jahr 1919 wurde ein Schlüsselpatent auf die Fertigung von Schrittmotoren vergeben und in den 1920er Jahren erschienen praktische Anwendungen in Kriegsschiffen der Marine. Die ersten modernen Schrittmotordesigns wurden jedoch erstmals in den 1950er Jahren entwickelt und wurden während des folgenden Jahrzehnts berühmt.
Betrieb des Schrittmotors
Ein Schrittmotor enthält typischerweise zwei Sätze an Statorspulen, die als „Phasen“ bezeichnet und unabhängig voneinander über Quadratursignale angetrieben werden. Durch das Anlegen einer Spannung an jede Phase in Folge, rotiert der Motor jeweils einen Schritt und richtet die Zähne des Rotors an der gegenwärtig mit Energie versorgten Statorspule aus. Die meisten Schrittmotordesigns enthalten Magnete und Zähne am Rotor und Stator mit Permanentmagneten am Rotor und Elektromagneten im Stator. Die Motordrehgeschwindigkeit variiert je nach Veränderungsrate der energiespendenden Impulse. Die Rotationsrichtung ändert sich durch Umkehren der Impulsfolge. Dieses Reglungsschema erfordert kein Zurückleiten von Positionsinformationen an den Controller, weshalb Schrittmotoren Motoren mit offener Schleife darstellen.
Die Statorphasen können auf unterschiedliche Weise angetrieben werden, einschließlich ganzer Schritte, halber Schritte oder Mikroschritte, je nach eingesetzter Steuerungstechnik.
Abbildung 1: eine Auswahl an industriellen Schrittmotoren und Controllern. (Quelle: Arcus)
Schrittmotoren sind in mehreren verschiedenen Größen und Ausführungen erhältlich. Wie alle Motoren, weisen Schrittmotoren im Vergleich zu anderen Motoren Vor- und Nachteile auf.
Zu den Vorteilen von Schrittmotoren zählen geringe Kosten, Robustheit, unkomplizierte Herstellung und hohe Zuverlässigkeit. Dank ihrer Funktionsweise mit offener Schleife lassen sie sich einfach antreiben und steuern. Schrittmotoren bieten zudem bei niedrigen Geschwindigkeiten ein hervorragendes Drehmoment, d. h. bis zu fünfmal das fortlaufende Drehmoment eines Bürstenmotors derselben Größe oder das zweifache Drehmoment eines gleichartigen bürstenlosen Motors. Dies macht ein Getriebe meist überflüssig. Letztlich sind Schrittmotoren betriebssicherer als Servomotoren und nicht anfällig für ein thermisches Durchgehen, ungeachtet der Art von Störung innerhalb des Controllers.
Auf der anderen Seite bringen Schrittmotoren sehr wohl Nachteile mit sich. Das Fehlen einer Rückkopplungseinheit bedeutet, dass die absolute Position unbekannt ist – nur die relative Schrittposition ist bekannt – daher stellt jeder ausgelassene Schritt einen zusätzlichen Fehler dar. Der Motor muss deshalb beim Einschalten oder nach einem Zurücksetzen des Systems auf eine bekannte Position zurückgesetzt werden, für gewöhnlich indem er über den gesamten Stellweg bis zu den mechanischen Anschlägen gefahren wird. Zudem hängt die Positionsgenauigkeit von der Präzision der mechanischen Getriebe oder Kugelumlaufspindeln ab. Der Betrieb mit offener Schleife kann auch zu einer schwierig zu dämpfenden verzögerten Schwingung, Resonanzeffekten bei bestimmten Schrittfrequenzen und relativ langen Einschwingzeiten führen.
Schrittmotoren verbrauchen, ungeachtet der Lastzustände, Strom und tendieren daher zum Heißlaufen. Geschwindigkeitsverluste sind relativ hoch und können zu überhöhter Erhitzung führen. Zudem sind sie meist lärmend, insbesondere bei hoher Geschwindigkeit. Die Leistung bei niedriger Geschwindigkeit kann nur grob geschätzt werden, sofern der Mikroschrittbetrieb genutzt wird, und die Motoren eignen sich nicht optimal für Hochgeschwindigkeitsanwendungen, da sie eine fortlaufend höhere Spannung erfordern, um den Strom rechtzeitig zu ändern, sobald die Geschwindigkeit erhöht wird.
Jüngste Fortschritte bei Schrittmotoren
Schrittmotoren sind seit den 1960er Jahren populär, was allerdings nicht bedeutet, dass die Technologie auf demselben Stand geblieben ist. In den letzten Jahren wurden stetige Verbesserungen hinsichtlich mehrerer Aspekte der Schrittmotoren und ihren Steuersystemen vorgenommen, insbesondere die Erfindung des Mikroschrittbetriebs in den 1970er Jahren, gefolgt von handelsüblichen Controllern zehn Jahre später. Im Folgenden nur vier der letzten Tendenzen in der Entwicklung von Schrittmotoren.
Schrittmotorsteuerung mit geschlossener Schleife
Die Einführung leistungsstarker, preisgünstiger Mikrocontroller und einer vektor- oder feldorientierten Regelung haben zu Bewegungssteuerungen geführt, die Schrittmotoren mit Geberrückführung antreiben können, was in einer Schrittmotorsteuerung mit geschlossener Schleife resultiert, wodurch einige der oben genannten Probleme gelöst werden können.
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Die Vorteile einer Schrittmotorsteuerung mit geschlossener Schleife umfassen eine deutlich verbesserte Laufruhe und einen reduzierten Energieverbrauch im Vergleich zu Schrittmotoren mit offener Schleife, sowie ein sehr viel höheres Drehmoment bei niedriger Geschwindigkeit verglichen mit herkömmlichen dreiphasigen bürstenlosen Servomotoren. Zudem können Systeme mit geschlossener Schleife Positionsfehler durch ausgelassene Schritte erkennen und korrigieren.
Anwendungen für den Einsatz von Schrittmotoren mit geschlossener Schleife umfassen Halbleiteranlagen, Robotik, Textilmaschinen, Test- und Prüfsysteme sowie Spulmaschinen.
Miniatur-Schrittmotoren für tragbare Geräte
Ein Trend, der auf alle Elektronikgeräte übergreift – von Steckverbindern über Akkus bis hin zu Motoren – ist der unaufhaltsame Übergang zu kleineren und leichteren Geräten. Desktop-Computer sind nun am Körper tragbar und eine Ausrüstung, die früher ihren eigenen Platz in Anspruch nahm, wird heute auf einem Rollwagen umhergeschoben. Dies wiederum treibt die Entwicklung immer kleinerer Komponenten voran – und Schrittmotoren bleiben davon nicht verschont.
Abbildung 2: ein Miniatur-Schrittmotor mit Linearantrieb und integrierter Linse. (Quelle: Elabz)
Winzige Schrittmotoren führen zu einem entsprechend winzigen mechanischen Zubehör. Abbildung 2 zeigt den Aufbau eines Miniatur-Schrittmotors mit integrierter Leitspindel, die als Linearantrieb fungiert, um die Laserlinse in ein HP DVD-Laufwerk zu bringen. Der gesamte Aufbau lässt sich passgenau auf ein 10-Cent-Stück legen und hat einen Durchmesser von nur 17,9 mm!
Vernetzte Schrittmotorbaugruppen
In der modernen automatisierten Herstellung werden mehrere Arbeitszellen verwendet, die über den gesamten Fabrikboden verteilt sind und über programmierbare Controller angetrieben werden, die über ein industrielles Netzwerkprotokoll wie Fieldbus, Ethernet oder CAN kommunizieren. Das Netzwerk ermöglicht die einfache Übertragung wichtiger und zeitkritischer Daten und Informationen zwischen den verschiedenen verteilten Steuerungen, um eine fest geschlossene und doch unabhängige Steuersystemarbeitszelle zu erhalten.
Das unaufhörliche Streben nach mehr Effizienz, einfacherer Verkabelung, modularer Skalierbarkeit, vereinfachter Fehlerbehebung und kleinerer Größe bringt den Trend mit sich, die Intelligenz in der Signalkette soweit wie möglich nach unten zu drücken. Dies wiederum hat zur Entwicklung integrierter Schrittmotorlösungen geführt, die Schrittmotor, Encoder (falls für den Betrieb mit geschlossener Schleife erforderlich), Motorantrieb und Netzwerkschnittstelle in einer einzigen Einheit vereinen.
Ein klassischer Schrittmotor mit Encodern, Antrieb und Controller kann 20 oder mehr Kabelverbindungen umfassen, was die Fehlerwahrscheinlichkeit erhöht. Der neue Ansatz bietet dem Originalhersteller (Original Equipment Manufacturer, OEM) zahlreiche Vorteile, einschließlich schnellere Installation, geringere Wahrscheinlichkeit von Elektrorauschen, kleinere Grundfläche, niedrigere Installationskosten und erleichterte Fehlerbehebung. Die Vorteile für den Endbenutzer schließen eine höhere Zuverlässigkeit, einen einfacheren Austausch, längere Betriebszeiten und verbesserte Leistungsfähigkeit ein.
Dennoch gibt es einige wenige Nachteile. Die Anfangsinvestition für einen integrierten Schrittmotor ist höher, so auch die Ersatzkosten, da die gesamte Einheit ausgetauscht werden muss, selbst wenn nur eine einzige Komponente defekt ist. Viele Hersteller integrierter Schrittmotoren entlasten ihre Motoren leicht, um die erzeugte Hitze zu mindern, die Hauptauslöser einer elektronischen Störung ist. Darüber hinaus ist die Auswahl an integrierten Schrittmotoren im Vergleich zu ihren nicht integrierten Gegenstücken eher begrenzt.
Fehlertolerantes Design
Viele Schrittmotoren werden in sicherheitskritischen Anwendungen betrieben, wo bereits der kleinste Fehler in einer katastrophalen Systemstörung resultieren kann. Bespiele sind in der Luftfahrt, Medizin, im Transport, Militär und der Kernenergie zu finden. Es gibt zahlreiche Methoden, die Wahrscheinlichkeit einer solchen Störung herabzusetzen, einschließlich des Entwurfs fehlertoleranter Designs – dank der ein System beim Ausfall eines seiner Bauteile weiterhin einwandfrei funktionieren kann – sowie redundante Designs, bei denen der Betrieb in zwei oder mehreren duplizierten Systemen gewährleistet wird.
Für Großanlagen könnten duplizierte Systeme in Betracht gezogen werden, was allerdings für viele Anwendungen mit begrenzten Platzverhältnissen nur schwer realisierbar sein kann. Aus Sicht des Schrittmotors umfasst die Fehlertoleranz folgende Funktionen:
- höhere Redundanz, wobei identische Motorsegmente an derselben Welle verwendet werden,
- elektrisch isolierte Phasen zur Vermeidung von Kurzschlüssen zwischen den Phasen,
- magnetisch entkoppelte Wicklungen zur Vermeidung von Leistungsverlusten im Falle einer Störung der anderen Phasen sowie
- physisch voneinander getrennte Phasen zur Vermeidung einer Fehlerübertragung an die angrenzenden Phasen und für eine verbesserte Wärmeisolation.
Ein jüngst erzielter Fortschritt in diesem Bereich ist die Entwicklung eines fehlertoleranten zweiphasigen Miniaturschrittmotors, der mit vier Wicklungen ausgestattet ist, die unabhängig voneinander sind, aber üblicherweise standardmäßig miteinander verbunden sind. Bei fehlertoleranten Designs sind die vier Wicklungen dennoch elektrisch voneinander getrennt, was zweiphasige Schrittmotoren mit physisch und elektrisch isolierten Phasen schafft.
Die Wicklungen sind nur teilweise magnetisch gekoppelt. Die redundante Konfiguration führt im Vergleich zu einer Standardkonfiguration zu einer Reduzierung des Drehmoments von rund 30 Prozent. Eine Erhöhung des Phasenstroms kann dies kompensieren. Viele Miniaturmotoren sind auf Anwendungen wie medizinische Geräte, Luft- und Raumfahrt sowie Fotonik zugeschnitten.
Integrierte Schaltungen für die Schrittmotorsteuerung
Arrow bietet eine Vielzahl an Lösungen zur Steuerung von Schrittmotoren. Texas Instruments z. B. bietet den neuen DRV8800 – einen 2A-Schrittmotorantrieb mit 1/16-Mikroschritt-Indexer und AutoTune-Funktion, die Schrittmotoren auf die optimale Stromregelungsleistung einstellen und Motorveränderungen sowie Verschleiß kompensieren.
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Auch Microchip hat ein umfangreiches Portfolio zu bieten, einschließlich Entwicklungskits für Schrittmotorantriebe wie die dsPICDEM MCSM-Entwicklungsplatine, die auf die Steuerung von uni- und bipolaren Schrittmotoren im Betrieb mit offener oder geschlossener Schleife ausgerichtet ist. Es wird eine Software zum Antrieb von Motoren in offener oder geschlossener Schleife mit vollständigen oder variablen Mikroschritten bereitgestellt sowie eine graphische Benutzeroberfläche (GUI) zur Steuerung von Schrittbefehlen, Eingabe von Motorparametern und Betriebsarten.
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