Schrittmotor mit Servo-Performance

Beobachter inklusive: Mit der im Controller integrierten sensor­losen Regelung entfällt der ­Kostenblock Encoder.Nanotec

Während der Schrittmotor in der Gerätetechnik aufgrund seines günstigen Preises und des im Vergleich zu seiner Größe hohen Drehmoments immer seinen Platz behielt, wurden im Maschinenbau immer mehr Hilfsachsen auf Servosysteme umgestellt. Der Grund: Das mühsame Testen von Anfahr­rampen bei Schrittmotoren, um Resonanzbänder zu vermeiden, sowie die durch das fehlende Feedback schwieri­gere Dimensionierung. Dies machte die in der Anschaffung zwar teureren, aber in der Inbetriebnahme einfacheren Servos attraktiver, gerade für Kleinserien. Das Manko der Schrittmotoren eliminieren inzwischen feldorientiert geregelte, sogenannte Closed-Loop-Schrittmotoren. Kern der Closed-Loop-Technologie sind eine leistungsangepasste Stromregelung und die Rückführung der Steuerungssignale. Der Schrittmotor wird also genauso geregelt wie ein Servomotor: Ein Encoder erfasst die Rotorlage und es werden in den Motorwicklungen sinusförmige Phasenströme erzeugt. Durch die Vektorregelung des Magnetfelds ist gewährleistet, dass das Stator-Magnetfeld immer senkrecht zum Rotor-Magnetfeld steht und die Feldstärke genau dem gewünschten Drehmoment entspricht. Ein Closed-Loop-Schrittmotor ist im Grunde also nichts anderes als ein hochpoliger, bürstenloser DC-Servomotor (BLDC). Alle traditionell mit der Schrittmotortechnik verbundenen Nachteile entfallen, zum Beispiel Resonanzen und übermäßige Wärmeentwicklung. Stattdessen erhält man ein System, das bei 20 bis 50 % der Nenndrehzahl eines Servomotors gleicher Baugröße das zwei- bis dreifache Drehmoment dauerhaft erreicht. Auch bei Überlast verhält sich ein solcher hochpoliger Schrittmotor-Servo wie ein klassischer Servomotor. Das heißt: Bis zu der im Regler eingestellten Stromgrenze wird das Drehmoment entsprechend der Last erhöht. Allerdings geht das im Vergleich zu niedrigpoligen Motoren hohe Dauerdrehmoment mit einer entsprechend verminderten Überlastfähigkeit einher. Die meisten Motoren können dennoch etwa 30 % Spitzenmoment zusätzlich aufbringen. Zum Vergleich: Servomotoren erreichen normalerweise eine zwei- bis dreifache Überlastfähigkeit.

Encoder würden helfen, sind aber zu teuer

Verbunden mit dem günstigeren Preis eines Schrittmotorsystems stellen Closed-Loop-Schrittmotoren eine wirtschaftliche Alternative zu Servosystemen dar. Dennoch haben es Closed-Loop-Systeme nicht geschafft, Open-Loop-Systeme in traditionellen Schrittmotor-Applikationen abzulösen, etwa in der Laborautomatisierung oder bei kleinen CNC-Fräsen. Zwar bietet die Closed-Loop-Technologie auch hier Vorteile, jedoch stehen die Kosten für den Drehgeber einer breiten Verwendung im Wege, die bei kleinen Motoren meist weit über dem Motorpreis liegen. Zudem reicht bei diesen Applikationen meist die Positioniergenauigkeit des Schrittmotors ohne Encoder aus.

Die Genauigkeit des Beobachters ist geschwindigkeits- und motorabhängig: Bei 100 % Drehmoment ist sie exakt; bei 80 % Drehmoment geht der Winkelfehler von 20 % in die Schätzung mit ein.Nanotec

Virtueller Drehgeber ersetzt realen Encoder

Um auch bei preissensitiven Applikationen die Vorteile einer feldorientierten Rege­lung nutzen zu können, hat Nanotec eine sensorlose Regelung für Schrittmotoren entwickelt, bei der ein virtueller Encoder im Controller die aktuelle Position und Geschwindigkeit des Rotors ermittelt. Solche sensorlosen Systeme sind bei BLDC-Motoren schon seit einigen Jahren vor allem bei Lüftern und Pumpen im Einsatz, die keine Positionsregelung benötigen. Alle sensorlosen Systeme nutzen den Effekt, dass der Motor im Betrieb ­eine Gegenspannung (Gegen-EMK) induziert, die direkt proportional zur Geschwin­digkeit ist. Die einfachste sensorlose Ansteuerung ist die direkte Messung der Gegen-EMK, wenn eine Spule im Kommutierungszyklus gerade nicht bestromt ist. Diese Methode erfordert im Vergleich zu einer Standard-Ansteuerung jedoch eine spezielle Hardware und funktioniert erst ab etwa 10 bis 20 % der Motor-Nenndrehzahl stabil. Darunter ist die induzierte Gegen-EMK als Mess-Signal zu niedrig. Deshalb haben sich in anspruchsvolleren Anwendungen sogenannte Beobachter etabliert. Grundlage eines Beobachters bildet ein möglichst exaktes Modell des Motors, das parallel zum realen Motor aus den bekannten Eingangsgrößen wie der eingestellten PWM (Pulsweitenmodulation) die nicht direkt messbaren Größen berechnet, wie Geschwindigkeit oder Gegen-EMK sowie den idealen Wicklungsstrom. Die berechneten Wicklungsströme vergleicht der Controller mit den real gemessenen Strömen in jedem Zyklus mit 32 kHz. Anhand des so ermittelten Beobachterfehlers regelt der Controller die internen Größen des Motor­modells permanent nach. Auf diese Weise erhält man auch für die nicht gemessenen Größen – wie die Geschwindigkeit – eine korrekte Schätzung.

Obwohl diese Methode nur funktioniert, weil sich die Reaktion der Wicklung durch die induzierte Spannung geschwindigkeitsabhängig ändert, sind die direkt gemessenen Größen auch bei kleineren Geschwindigkeiten noch gut messbar. So erhält man einen virtuellen Drehgeber, der ab etwa 100 U/min die Positions- und Drehzahlinformation mit der gleichen Präzision wie ein realer optischer oder magnetischer Drehgeber liefert.

Entscheidend für die Qualität des beobachterbasierten Reglers ist ein möglichst adäquates Modell des Motors, sowohl was die mathematischen Formeln betrifft als auch die jeweiligen Motorkonstanten. Für die Nanotec-Entwickler galt es, ein ausreichend präzises mathematisches Modell des Motors zu finden, das auch in einem kleinen Mikroprozessor im Regelungszyklus von 32 kHz komplett berechnet werden kann. Prinzipiell ist der Schrittmotor dem BLDC-Motor mathematisch ähnlich, allerdings hat er nur zwei statt der bei BLDC-Motoren üblichen drei Phasen und weist durch die ­hohe Polzahl bei höheren Geschwindigkeiten einige Besonderheiten im Modell auf: Schrittmotoren sind bei höheren Drehzahlen im Feldschwächebereich zu betreiben, das heißt der Motor wird nicht mehr mit 90° elektrisch kommutiert, sondern mit einem Winkel bis knapp unter 180°. Ein ebenfalls wichtiges Kriterium für den praktischen Einsatz eines sensorlosen Reglers ist die Identifikation der Para­meter für das Modells. BLDC-Regler benötigen viele motorabhängige Parameter, die oft nicht auf den üblichen Datenblättern angegeben sind und daher mühsam ermittelt werden müssen. Das gilt auch für Systeme, die keine richtige sensorlose Regelung implementieren, sondern nur eine Blockade-Erkennung oder eine vereinfachte Regelung implementiert haben, die den Nennstrom des Motors lastabhängig reduziert. Auch in diesen Fällen sind immer motorabhängige Schwellenwerte zu konfigurieren. Das Sensorless-System kommt dagegen mit wenigen Parametern aus, die der Controller zudem per Autosetup ermittelt. Je nach Motortyp ergibt sich dann zwischen 100 und 250 U/min eine Drehzahl- und Positionsinformation, die genauso präzise ist wie die eines optischen Encoders mit 500 oder 1 000 Inkrementen. Ergo: Die Regelung erfolgt mit der gleichen Qualität und mit dem gleichen Drehmoment. Auch unter diesem Schwellenwert funktioniert die sensorlose Regelung noch bis zu etwa 10 bis 25 U/min, jedoch mit gerin­gerer Genauigkeit und damit geringerem Drehmoment.

Je nach Motortyp liefert die sensorlose Regelung ab etwa 100 U/min eine Drehzahl- und Positions­information, die genauso präzise ist wie die eines optischen Encoders.Nanotec

Bei höheren Drehzahlen hingegen funktioniert das sensorlose System sogar besser als ein Drehgeber, dessen Rundlauf-Toleranz immer einen sinusförmigen Winkelfehler verursacht. Bei Standard-Dreh­gebern ohne eigene Lagerung können diese Fehler bis zu ±1° betragen, was im Closed-Loop-Betrieb bei höheren Geschwindigkeiten zu Vibrationen führt. Der Fehler des virtuellen Encoders liegt bei höheren Geschwindigkeiten dagegen in derselben Größenordnung wie der Schrittwinkelfehler des Motors (±0,09°). Zudem liefern Encoder immer digitale, diskrete Positionswerte. Diese Stufung führt vor allem bei geringer Auflösung zu Gleichlaufschwankungen. Der virtuelle Encoderwert ist dagegen kontinuierlich und stetig.

Durch die Regelung mittels Beobachter ist es nicht erforderlich, Motoren mit hoher Induktivität und wegen der höheren Gegen-EMK schlechteren Dynamik zu verwenden. Im Gegenteil: Motoren mit niedriger Induktivität und niedrigem Widerstand – und dadurch hohem Nennstrom – funktionieren besser.

Open-Loop und Closed-Loop kombiniert

Ihren besonderen Reiz erhält die sensorlose Regelung beim Schrittmotor dadurch, dass sie nicht nur für Drehzahl-Applikationen verwendbar ist, sondern in Kombination mit der Open-Loop-Ansteuerung auch für Positionierungen eingesetzt werden kann: Der Beobachter-Algorithmus erkennt, mit welcher Genauigkeit er die Geschwindigkeit noch schätzt. Wird dieses Signal mit sinkender Geschwindigkeit zu unpräzise, wechselt er automatisch in den Open-Loop-Betrieb und kann dann auf 0,9 ° genau positionieren. Da im Open-Loop-Modus normalerweise nur noch wenige Schritte bei geringer Geschwindigkeit gefahren werden, spielen Resonanzen dann keine Rolle mehr. Beim Wiederanfahren aus dem Stillstand reichen wenige Grad, um wieder in den Closed-Loop-Betrieb zu wechseln. So ermöglicht die Sensorless-Technologie, in nahezu allen traditionellen Schrittmotor-Applikationen die Vorteile der feldorientierten Regelung zu nutzen.

Vorteile gegenüber Servo-Motoren

Closed-Loop-Schrittmotoren stellen in vielen Fällen eine Alternative zu Servoantrieben dar, etwa bei Aufwickel-Anwendungen oder Bandantrieben. Nicht nur die Drehzahl und die Position sind genau regelbar, sondern auch das Drehmoment (Torque Mode), wie es typischerweise bei Aufwickel-Anwendungen erforderlich ist. Closed-Loop- Schrittmotoren vereinen damit die Vorteile beider Welten. Im Drehmoment-Modus wirkt der Closed-Loop-Schrittmotor wie eine Feder, wobei die Federkraft-Kennlinie über ein Potentiometer eingestellt werden kann: Der Motor liefert eine konstante Kraft, auch wenn der Motor im Stillstand gegen die Kraft arbeitet. Sobald die Kraft abnimmt, beginnt der Motor zu drehen proportional zur abnehmenden Kraft bis zum eingestellten Strom- und Drehmoment- Wert. Der Closed-Loop-Schrittmotor eignet sich damit für jede Art von Aufwickel-, Spann- und Pressaufgaben.

Closed-Loop-fähige Schrittmotoren sind für Servomotoren eine Alternative, wenn bei Drehzahlen bis 500 U/min ein hohes Drehmoment gefordert ist, eine kompakte, günstige Lösung ohne Getriebe gesucht wird sowie die Last bei Stillstand in Position gehalten werden muss.

(sk)