Schrittmotoren mit geschlossenen Regelkreis in Position halten

| Autor / Redakteur: Peter Vandermeulen, Dietmar Kinn * / Margit Kuther

Schrittmotoren: Ob eine Architektur mit offenem oder geschlossenem Regelkreis zu verwenden ist, ist von dern Anwendung abhängig.
Schrittmotoren: Ob eine Architektur mit offenem oder geschlossenem Regelkreis zu verwenden ist, ist von dern Anwendung abhängig. (Bild: PMD)

Schrittmotoren sind eine gängige Lösung zur Steuerung der Position beweglicher Komponenten. Doch in der Praxis können sie unzureichend sein, etwa wenn die Motorposition unzureichend bekannt ist.

Schrittmotoren sind im Vergleich zu bürstenlosen Motoren kostengünstig. Wichtig ist, dass bei einem Befehl an die Motorsteuerung der Motor tatsächlich dort endet, wo der Benutzer es möchte. Im Prinzip gibt es vier Steuerungsarchitekturen: Schrittmotor mit offenem Regelkreis, Schrittmotor mit Encoder, Schrittmotor mit geschlossenem Regelkreis und den sensorlosen Schrittmotor.

Beim Schrittmotor mit offenem Regelkreis gibt es keine Positionsrückmeldung. Der Motor ist meist überdimensioniert, um die Drehmomentanforderungen stets zu erfüllen. Anwender können jedoch nicht eindeutig erkennen, ob der Motor tatsächlich in die gewünschte Position gebracht wurde.

Beim Schrittmotor mit Encoder stellt der Encoder sicher, dass die Steuerung überprüfen kann, ob sich der Motor in der gewünschten Position befindet. Wenn nicht, kann die Steuerung sie anpassen. Entweder in Echtzeit während der Bewegung, wenn Positionsfehler erkannt werden, oder nach der Bewegung. Dadurch lässt sich die Motorgröße reduzieren, da der Encoder einen Hinweis auf ein Positionsproblem gibt.

Beim Schrittmotor mit geschlossenem Regelkreis wird der Encoder als Rückführungsquelle in einer Positionsschleife verwendet und passt die Drehmomentanforderungen in Echtzeit an. Der Encoder wird auch in einer Stromschleife verwendet, um den elektrischen Winkel für den Motor zu bestimmen. Häufige Bezeichnungen für diese Architektur sind Closed Loop Stepper, Steuerung oder Servo Stepper.

Die Architektur des sensorlosen Schrittmotors verwendet keinen Encoder. Sie leitet die Rotorposition etwa über das Erfassen der Back-EMF-Spannung an einer passiven Phase oder das Messen der Stromanstiegszeiten ab. Dies garantiert jedoch nicht, dass sich der Motor tatsächlich an der richtigen Stelle befindet. Diese Erfassungsmethode liefert für unternehmenskritische Anwendungen möglicherweise keine ausreichende Information über die Motorposition.

Typische Schrittmotorarchitekturen (Open Loop) treiben den Motor mit einem konstanten Wicklungsstrom ohne Bezug zur Belastung oder die tatsächliche Motorposition an. Beim Schrittmotor mit offenem Regelkreis ist ohne Vorhandensein einer Positionsrückmeldung nicht gewährleistet, dass sich der Motor in der Nähe der Zielposition befindet (großer Positionsfehler).

Es gibt allerdings Encoder-lose Überziehungserkennungstechnologien, die diesen Informationsmangel überwinden sollen, die tatsächliche Motorposition jedoch nicht überwachen. Darüber hinaus sind geberlose Überziehungserkennungstechniken bekanntlich schwierig zu implementieren, da Abhängigkeiten sowohl von der für den Betrieb dieser Technik erforderlichen Mindestgeschwindigkeit als auch von der Belastung des Motors (die dynamisch sein kann) bestehen.

In einem typischen Schrittmotor ist der Positionsfehler proportional zur Belastung, die durch Reibung bei stationären Geschwindigkeiten und durch Trägheit beim Beschleunigen und Abbremsen dominiert wird. Im Laufe der Zeit und unter dynamischen Lastbedingungen kann sich diese Situation jedoch beispielsweise durch die Alterung von Riemen, Lagern, etc ändern.

Natürlich könnte man einen bürstenlosen Motor anstelle eines Servoschrittmotors verwenden, aber im Allgemeinen sind bürstenlose Motoren teurer und bieten gleichzeitig eine geringere Drehmomentdichte (Drehmoment dividiert durch die Motorgröße) als Schrittmotoren.

Performance Motion Devices bezeichnet die Architektur der Schrittmotorsteuerung im geschlossenen Regelkreis als „2-Phasen-Bürstenlos“-Motor. Dies ergibt sich aus der Tatsache, dass Schrittmotoren 2-Phasen-Motoren sind, und bürstenlose Motoren üblicherweise Positionsschleifen verwenden, im Gegensatz zu 2-Phasen-Mikroschrittmotoren, die keinen Positionsschleifen verwenden.

Closed loop step motor: Beim Schrittmotor mit geschlossenem Regelkreis passt der Encoder die Drehmomentanforderungen in Echtzeit an.
Closed loop step motor: Beim Schrittmotor mit geschlossenem Regelkreis passt der Encoder die Drehmomentanforderungen in Echtzeit an. (Bild: PMD)

Kontrolle dank einer Positionsschleife

Das Hinzufügen einer Positionsschleife zur Architektur erfordert, dass eine Positionsrückführung durch eine Form eines Positionsgebers mit minimaler Auflösung hinzugefügt wird. Mit der Kenntnis der vorliegenden Position des Motors erzielt die Steuerung nun zwei wesentliche Verbesserungen:

  • Das Berechnen des entsprechenden Motorstroms: Eine Positionsschleife kann verwendet werden, um den entsprechenden Motorstrom (Drehmoment) zu berechnen, um Positionsfehler aufgrund von Reibungs- oder Trägheitslasten zu kompensieren.
  • Das Berechnen eines Motorstrom-Phasenwinkels: Da der Rotorwinkel bekannt ist, kann die Steuerung einen Motorstrom-Phasenwinkel berechnen, der das Drehmomentverhalten optimiert und das abgegebene Drehmoment vorhersehbar macht.

Die neue Schrittmotorarchitektur mit geschlossenem Regelkreis kann die Motorgröße und -kosten reduzieren, die Motoreffizienz und -genauigkeit verbessern sowie Lärm, Wärme und Wartung reduzieren.

Open Loop Step-Architekturen: Schrittmotor mit offenem Regelkreis ohne Positionsrückmeldung.
Open Loop Step-Architekturen: Schrittmotor mit offenem Regelkreis ohne Positionsrückmeldung. (Bild: PMD)

Motorgröße, Effizienz und Genauigkeit

Open Loop Step-Architekturen können einen verlorenen Schritt nicht erkennen, da es keine Rückmeldung gibt. Der Motor wird überdimensioniert (oft um den Faktor 2 oder mehr), um die Drehmomentmarge zu erhöhen. So ist sichergestellt, dass keine Schritte verloren gehen. Das Verwenden eines Encoders, der einen verlorenen Schritt erkennen kann, führt zu einer Reduzierung der Drehmomentmarge, was einen wesentlich kleineren Motor ermöglicht.

Beim Schrittmotor mit Encoder kann die Steuerung überprüfen, ob sich der Motor in der gewünschten Position befindet.
Beim Schrittmotor mit Encoder kann die Steuerung überprüfen, ob sich der Motor in der gewünschten Position befindet. (Bild: PMD)

Der Antrieb des Schrittmotors über den Nennstrom hinaus ist für kurze Zeiträume möglich, weil der Nennstrom einem Dauerstrom entspricht. Dies bedeutet, dass dem Positionskreis ein zusätzliches Drehmoment zur Verfügung steht, wenn der Überbedarf intermittierend ist. Das zusätzliche Drehmoment ermöglicht ebenfalls die Auswahl eines kleineren Motors.

In puncto Effizienz ist festzuhalten, dass die Optimierung der Motorstromphase durch die Steuerung für einen gegebenen Strom das größtmögliche Drehmoment erzeugt. Gleichzeitig wird dabei viel weniger elektrische Energie verbraucht, um die gleiche Menge an mechanischer Energie zu erzeugen.

Der sensorlose Schrittmotor verwendet keinen Encoder, sondern versucht, die Rotorposition mit anderen Mitteln abzuleiten.
Der sensorlose Schrittmotor verwendet keinen Encoder, sondern versucht, die Rotorposition mit anderen Mitteln abzuleiten. (Bild: PMD)

Positiv auf die Genauigkeit der Position und Geschwindigkeit wirkt sich aus, dass der Positionsfehler kleiner ist, da die Positionsschleife kontinuierlich ein Drehmoment steuert, um einen eventuellen Positionsfehler zu kompensieren.

Motorwärme, Lärm und Lebensdauer

Die überschüssige elektrische Leistung in der Open-Loop-Architektur wird als überschüssige Motorwärme abgeführt. Der Motor wird in einem geschlossenen Kreislaufsystem viel weniger Wärme erzeugen, da der größte Teil der elektrischen Energie in kinetische Energie anstelle von thermischer Energie umgewandelt wird. Der Betrieb im geschlossenen Regelkreis reduziert die Anzahl der Vibrationen und führt zu einer Lärmreduzierung. Der Schrittmotor hat eine längere Lebensdauer, da er bei niedrigeren Temperaturen läuft. Die Open-Loop-Architektur hat dagegen eigene Vorteile wie Rüstzeit, Systemstart, Kosten, Platz und Wartung:

Einrichten, Systemstart und Wartung

Da keine Positionsschleife vorhanden ist, lässt sich die Zeit für die Abstimmung des Positionsschleifens einsparen. Dies gilt auch für die Zeit, die mit der Neueinstellung der Schleife verbunden ist, wenn sich die mechanische Belastung ändert.

Die Closed-Loop-Architektur erfordert, dass der Motor einen „Wake and Shake“-Prozess durchführt, bevor die Positionierung erfolgen kann, um die richtigen Kommutierungswinkel zu bestimmen. Das wird nicht gut funktionieren in Systemen, in denen die Motorlast bei niedrigen Anfangsgeschwindigkeiten groß ist. Das Verfahren „Aufwachen und Schütteln“ ist in der Open-Loop-Architektur nicht erforderlich, was ein Vorteil bei Systemen mit signifikanter Belastung beim Start ist.

Die Existenz des Positionsgebers kann bis zu acht zusätzliche Drähte hinzufügen, die an die Steuerung zurückgeschickt werden müssen und den kritischen Raum innerhalb der Maschine einnehmen können. Das Motorkabel ist noch vorhanden, aber die Abschirmung ist nicht so kritisch, da es kein Gebersignal gibt, das durch PWM-Rauschen beschädigt werden könnte.

Die Wartung ist vereinfacht, da es weniger Komponenten im System gibt, die zu pflegen sind.

Fazit: Welche Schrittmotor-Architektur ist die Richtige?

Die Entscheidung, eine Schrittmotorarchitektur mit offenem oder geschlossenem Regelkreis zu verwenden, ist anwendungsabhängig und basiert auf den oben genannten Überlegungen. Wenn die Belastung des Motors sehr deterministisch ist, wird die Möglichkeit eines „verlorenen Schrittes“ reduziert. In diesem Fall kann der Positionsfehler als Funktion der Belastung geschätzt werden, wodurch die Positionsgenauigkeit bekannt wird und die Verwendung einer offenen Architektur möglich ist.

Bei Medizinprodukten und anderen kritischen Geräten ist dies jedoch möglicherweise noch keine ausreichende Garantie, und die Notwendigkeit, einen Encoder hinzuzufügen, um sicherzustellen, dass die Position jederzeit bekannt ist, wird immer wichtiger.

Wenn die resultierende Positionsgenauigkeit akzeptabel ist, gilt die nächste Überlegung der Motoreffizienz. Wenn das System beispielsweise eine Batterie als Stromversorgung verwendet, ist der verbesserte Wirkungsgrad einer Closed-Loop-Lösung von Vorteil, auch wenn die Positionsgenauigkeit der Open-Loop-Lösung ausreichend sein kann. Möglicherweise befindet sich der Motor in einer Umgebung, in der die erhöhte Wärmeenergie oder das erhöhte Geräusch die vom offenen Regelkreis emittierten Pegel nicht tolerierbar oder erwünscht sind.

Betrachtet man den globalen Satz von Schrittmotoranwendungen, so stellen die Schrittmotorarchitekturen mit offenem Regelkreis 99% der Systeme dar. Schrittmotoren werden in kostenempfindlichen Anwendungen eingesetzt, die eine weniger genaue Positionierung tolerieren. In Wirklichkeit erfordern also nur eine Handvoll Schrittmotoranwendungen die Genauigkeit und Effizienz von Closed-Loop-Architekturen.

Der Konstrukteur sollte jedoch auch berücksichtigen, dass die Nettokosteneinsparungen durch den Einsatz eines kleineren Motors die Mehrkosten eines Encoders überwiegen können, so dass eine Closed-Loop-Architektur auch in Anwendungen von Vorteil sein kann, in denen man normalerweise diese Notwendigkeit nicht berücksichtigen würde.

* Peter Vandermeulen ist Vice President Sales/Marketing, Performance Motion Device, bei PMD in Westford, MA, USA.

* Dietmar Kinn ist Product Manager Semiconductor bei Endrich Bauelemente in Nagold.

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