Schrittmotoren effizient ­betreiben

Schrittmotoren sind in vielen Branchen zu Hause. Die Closed-Loop-Produktfamilien vereinen die Vorteile von Servoantrieben mit den Stärken von Schrittmotoren.Distrelec Schuricht

Schrittmotoren kommen in zahlreichen Branchen zum Einsatz. „Entsprechend der vielfältigen Anwendungs­bereiche gibt es inzwischen eine Fülle von Produkten, die für Anwender durchaus verwirrend sein kann“, schildert Ruud Vertommen, technischer Fachberater bei Distrelec. Das technische Fachpersonal des Elektronikdistributors erleichtert seinen Kunden mit einer anwendungsspezifischen Beratung die Wahl des richtigen Produktes. „Dabei geben wir selbstverständlich auch Tipps für einen effizienten Betrieb von Schrittmotoren.“

Fakt ist: Wer sich für die richtigen Produkte entscheidet, spart beim Einsatz von Schrittmotoren Energie, Zeit und Geld. Dabei gibt es laut Vertommen einige einfache Grundregeln: Zum Beispiel sollten Anwender überdimensionierte Aktuatoren vermeiden. Oft kann ein kleinerer und günstiger Motor dieselbe Auf­gabe erledigen. Ein wichtiger Faktor ist zudem der passende ­Motion Controller – er sorgt dafür, dass alle Aufgaben möglichst schnell erledigt werden. Nicht zuletzt sollten Anwender auch alle überflüssigen Funktionen weglassen.

Damit die Schrittmotoren eine günstige Investition bleiben, sollten Zusatzkosten, zum Beispiel durch externe MOSFETS, möglichst vermieden werden. Im konkreten Fall helfen dabei Produkte, in denen diese Basis-Schaltungen bereits integriert sind. So hat Distrelec mit dem TMC-239 des Hersteller Trinamic einen Schrittmotortreiber im Programm, der einen MOSFET für Ströme bis zu 1,5 A enthält. „Das ist für viele Anwendungen völlig ausreichend“, erläutert Vertommen. „Der Anwender erhält zwei Komponenten zu einem Preis, Beschaffungsaufwand und Kosten für eine externe Lösung entfallen.“

Generell kennzeichnen sich die Lösungen von Trinamic durch viele integrierte Funktionen. Ein Beispiel dafür sind die Schrittmotor-Module des Unternehmens, die Motion Controller mit Treibern kombinieren. Sie eignen sich sowohl für den Betrieb in der geschlossenen als auch in der offenen Regelschleife (Closed/Open Loop), also mit und ohne Positionsrückmeldung. Neu sind die Closed-Loop-Produktfamilien TMCM-1310 und TMCM-­1311. Sie vereinen die Vorteile von Servoantrieben mit den Stärken von Schrittmotoren. „Die sichere und exakte Positionierung ohne Sensorik ist einer der wesentlichen Eigenschaften von Schrittmotoren, hat aber auch Nachteile“, erklärt Vertommen. „Denn bei Überlast geht die Positionsinformation verloren, da der Rotor nicht mehr mit dem Drehfeld Schritt hält.“ Servo-­Systeme hingegen erfordern bei Anwendungen mit großen Losbrechmomenten oder hohen Drehmomentanforderungen im ­unteren Drehzahlbereich zusätzliche Getriebe und damit mehr Bauraum.

Die Module der Reihe TMCM-1310x kombinieren die positiven Eigenschaften beider Welten: Es stehen aus dem Stand heraus hohe Drehmomente bei kleinem Bauraum zur Verfügung. Distrelec Schuricht

Effizienz bei Schrittmotoren mit Encoder steigern

Die Module der Reihe TMCM-1310x kombinieren die positiven Eigenschaften beider Welten: Es stehen aus dem Stand heraus hohe Drehmomente bei kleinem Bauraum zur Verfügung. Die Einheiten liefern bei maximal 48 V dauerhaft bis zu 2,8 A Phasen­strom und verfügen über Schutz- und Diagnosefunktionen. Auflösungen von bis zu 256 Mikroschritten pro Vollschritt sind möglich. Die Module unterscheiden sich lediglich in den Interfaces: Das TMCM-1310 wird über Ethercat gesteuert und ist damit eine Closed-Loop-Schrittmotor-Lösung, die auch kritischen Echtzeitanforderungen standhält. Das TMCM-1311 dagegen kann mit der Trinamic Motion Control Language (TMCL ) im Stand-alone-Betrieb Programme ausführen und lässt sich vom PC oder von einer SPS über eines der unterstützen Bussysteme steuern. Als Schnittstellen stehen CAN, RS485 und USB zur Verfügung.

„Die Module sind auf einen effizienten Betrieb von Schrittmotoren mit Encodern ausgelegt“, so Vertommen. „Durch das Positions-Feedback werden Abweichungen erfasst und der Strom entsprechend nachregelt, sodass der Aktuator wieder auf die Zielposition zurückkehrt.“ Das spart einerseits Energie und macht andererseits Kühlmaßnahmen unnötig, weil der Motor weniger erhitzt.

Ohne Encoder für den Betrieb in der offenen Schleife

Nach demselben Prinzip funktioniert die Coolstep-Technologie von Trinamic – mit dem Unterschied, dass sie sich auch in offener Regelschleife, also mit Schrittmotoren ohne Encoder nutzen lässt. „In nahezu allen neueren Trinamic-Modulen ist Coolstep integriert“, erläutert Vertommen. „Es handelt sich dabei um ein sensorloses Verfahren, bei dem die hochauflösende Lastmessung in den Treiber integriert ist.“ Mithilfe der so gewonnenen Informationen lässt sich die Stromzufuhr lastgerecht und intelligent regeln. Der Motor bekommt so immer nur so viel Strom, wie er tatsächlich benötigt. „Die Besonderheit der Coolstep-Technologie liegt darin, dass keine zusätzliche Sensorik benötigt wird und sie mit allen gängigen Schrittmotoren funktioniert“, betont der Fachberater von Distrelec.

Überdimensionierung vermeiden

Die neue Technologie lässt sich problemlos und einfach in bestehende Anlagen integrieren. Die Vorteile: Geringere Verlustleistung, hohe Motorleistung, höhere Systemsicherheit, keine Sensorik und nicht zuletzt eine verbesserte Energieeffizienz, die zu geringeren Betriebskosten führt. Coolstep nutzt außerdem auch das Drehmoment besser. „Typischerweise wird das Drehmoment bei Applikationen mit offenen Schrittmotoren um bis zu 100 % überdimensioniert“, erläutert Vertommen. „So sollen Schrittverluste vermieden werden.“ Weil mit Coolstep ein Positions-Feedback möglich ist, lässt sich im Falle einer Abweichung der Soll- von der Ist-Position der Motorstrom kurzfristig stark erhöhen. Diese Überbestromung macht dem Motor nichts aus, ermöglicht aber bei Bedarf für kurze Zeit ein höheres Drehmoment. Somit ist unter Umständen auch der Einsatz von kleineren Motoren möglich. Dabei profitiert der Anwender von geringeren Anschaffungs- und Betriebskosten.

(mf)