Geschlossener KreislaufSchrittmotorenhaben das Leistungs-Kosten-Verhältnis in vielen Motion-Control-Anwendungen verändert. Der Erfolg der VIC-Closed-Loop-Progressivmotoren eröffnet zudem die Möglichkeit, teure Servomotoren durch kostengünstige zu ersetzen.SchrittmotorenIn immer mehr anspruchsvollen industriellen Automatisierungsanwendungen verändern technologische Fortschritte das Preis-Leistungs-Verhältnis zwischen Schrittmotoren und Servomotoren.
Schrittmotoren versus Servomotoren
Servosteuerungssysteme sind üblicherweise in Anwendungen mit Drehzahlen über 800 U/min und hoher Dynamik leistungsfähiger. Schrittmotoren eignen sich besser für Anwendungen mit niedrigeren Drehzahlen, geringer bis mittlerer Beschleunigung und hohem Haltemoment.
Worauf basiert also diese allgemeine Meinung über Schrittmotoren und Servomotoren? Lassen Sie uns dies im Folgenden genauer analysieren.
1. Einfachheit und Kosten
Schrittmotoren sind nicht nur günstiger als Servomotoren, sondern auch einfacher in Betrieb zu nehmen und zu warten. Schrittmotoren sind im Stillstand stabil und halten ihre Position (auch bei dynamischer Belastung). Wird jedoch für bestimmte Anwendungen eine höhere Leistung benötigt, müssen teurere und komplexere Servomotoren eingesetzt werden.
2. Struktur
SchrittmotorenDrehen Sie schrittweise, indem Sie Magnetspulen verwenden, um einen Magneten schrittweise von einer Position zur nächsten zu ziehen. Um den Motor 100 Positionen in eine beliebige Richtung zu bewegen, erfordert die Schaltung 100 Schrittvorgänge am Motor. Schrittmotoren nutzen Impulse für inkrementelle Bewegungen und ermöglichen so eine präzise Positionierung ohne Rückkopplungssensoren.
Die Bewegungsmethode des Servomotors ist anders. Er verbindet einen Positionssensor – einen Encoder – mit dem magnetischen Rotor und erfasst kontinuierlich die genaue Position des Motors. Der Servo überwacht die Differenz zwischen der tatsächlichen und der Sollposition des Motors und passt den Strom entsprechend an. Dieses geschlossene Regelsystem hält den Motor im korrekten Bewegungszustand.
3. Drehzahl und Drehmoment
Der Leistungsunterschied zwischen Schritt- und Servomotoren ergibt sich aus den unterschiedlichen Motorkonstruktionen.SchrittmotorenSchrittmotoren haben eine deutlich höhere Polzahl als Servomotoren. Daher erfordert eine volle Umdrehung eines Schrittmotors deutlich mehr Wicklungsstromwechsel, was bei steigender Drehzahl zu einem rapiden Drehmomentabfall führt. Zudem kann der Schrittmotor bei Erreichen des maximalen Drehmoments seine Drehzahlsynchronisationsfunktion verlieren. Aus diesen Gründen sind Servomotoren in den meisten Hochgeschwindigkeitsanwendungen die bevorzugte Lösung. Im Gegensatz dazu ist die höhere Polzahl eines Schrittmotors bei niedrigeren Drehzahlen von Vorteil, da der Schrittmotor dann einen Drehmomentvorteil gegenüber einem Servomotor gleicher Größe bietet.
Mit zunehmender Geschwindigkeit nimmt das Drehmoment des Schrittmotors ab
4. Positionierung
Es gibt wichtige Unterschiede zwischen Schrittmotoren und Servomotoren bei Anwendungen, bei denen die genaue Position der Maschine jederzeit bekannt sein muss. Bei offenen Bewegungsanwendungen mit Schrittmotoren geht die Steuerung davon aus, dass sich der Motor stets im korrekten Bewegungszustand befindet. Tritt jedoch ein Problem auf, beispielsweise ein blockierter Motor aufgrund eines festsitzenden Bauteils, kann die Steuerung die tatsächliche Position der Maschine nicht mehr ermitteln, was zu einem Positionsverlust führen kann. Das geschlossene Regelsystem des Servomotors bietet einen Vorteil: Wird er durch ein Objekt blockiert, erkennt es dies sofort. Die Maschine stoppt und verliert nie ihre Position.
5. Wärme- und Energieverbrauch
Schrittmotoren mit offenem Regelkreis verwenden einen festen Strom und geben viel Wärme ab. Die Regelung mit geschlossenem Regelkreis liefert nur den für die Drehzahlregelung benötigten Strom und vermeidet so das Problem der Motorerwärmung.
Vergleichszusammenfassung
Servosteuerungssysteme eignen sich am besten für Hochgeschwindigkeitsanwendungen mit dynamischen Lastwechseln, wie beispielsweise Roboterarme. Schrittmotorsteuerungen hingegen eignen sich besser für Anwendungen mit geringer bis mittlerer Beschleunigung und hohem Haltemoment, wie beispielsweise 3D-Drucker, Förderbänder, Unterachsen usw. Da Schrittmotoren günstiger sind, können sie die Kosten von Automatisierungssystemen senken. Motion-Control-Systeme, die die Eigenschaften von Servomotoren nutzen, müssen beweisen, dass diese teureren Motoren Gold wert sind.
Schrittmotoren mit Closed-Loop-Regelung
Der Schrittmotor mit integrierter elektronischer Steuerung entspricht einem zweiphasigen bürstenlosen Gleichstrommotor und kann Positions-, Drehzahl- und DQ-Regelungen sowie weitere Algorithmen ausführen. Ein Singleturn-Absolutwertgeber dient zur Closed-Loop-Kommutierung und gewährleistet so optimales Drehmoment bei jeder Drehzahl.
Niedriger Energieverbrauch und kühl bleiben
VIC-Schrittmotoren sind äußerst energieeffizient. Im Gegensatz zu Open-Loop-Schrittmotoren, die stets mit vollem Strom laufen und dadurch Hitze und Lärm verursachen, ändert sich der Strom entsprechend den tatsächlichen Bewegungsbedingungen, beispielsweise beim Beschleunigen und Abbremsen. Ähnlich wie bei Servomotoren ist die Stromaufnahme dieser Schrittmotoren proportional zum tatsächlich benötigten Drehmoment. Da Motor und integrierte Steuerplatine kühler laufen, erreichen VIC-Schrittmotoren höhere Spitzendrehmomente, vergleichbar mit Servomotoren.
Auch bei hohen Geschwindigkeiten benötigen VIC-Schrittmotoren weniger Strom
Dank der Fortschritte in der Closed-Loop-Technologie können Schrittmotoren nun auch Hochleistungs- und Hochgeschwindigkeitsanwendungen erschließen, die bisher ausschließlich Servomotoren vorbehalten waren.
Schrittmotoren mit Closed-Loop-Technologie
Was wäre, wenn die Vorteile der Closed-Loop-Servotechnologie auf Schrittmotoren angewendet werden könnten?
Könnten wir eine mit Servomotoren vergleichbare Leistung erzielen und gleichzeitig die Kostenvorteile von Schrittmotoren nutzen?
Durch die Kombination von Regelungstechnik wird der Schrittmotor zu einem umfassenden Produkt, das die Vorteile von Servo- und Schrittmotoren zu niedrigen Kosten vereint. Da geregelte Schrittmotoren deutliche Leistungssteigerungen und eine höhere Energieeffizienz bieten, können sie in immer mehr anspruchsvollen Anwendungen teurere Servomotoren ersetzen.
Nachfolgend wird ein Beispiel eines VIC-integrierten Schrittmotors mit eingebetteter Closed-Loop-Steuerung gezeigt, um die Leistung sowie die Vor- und Nachteile von Schrittmotoren mit Closed-Loop-Technologie zu erläutern.
Exakt abgestimmte Leistungsanforderungen
Um ein ausreichendes Drehmoment zur Überwindung von Störungen und zur Vermeidung von Schrittverlusten sicherzustellen, müssen Schrittmotoren mit offenem Regelkreis in der Regel ein Drehmoment von mindestens 40 % über dem anwendungsspezifischen Wert gewährleisten. Schrittmotoren mit geschlossenem Regelkreis haben dieses Problem nicht. Sollten diese Schrittmotoren aufgrund einer Überlastung blockieren, halten sie die Last ohne Drehmomentverlust. Sie arbeiten auch nach Beseitigung der Überlast weiter. Das maximale Drehmoment ist bei jeder Drehzahl gewährleistet, und der Positionssensor stellt sicher, dass kein Schrittverlust auftritt. Schrittmotoren mit geschlossenem Regelkreis können daher exakt auf die Drehmomentanforderungen der jeweiligen Anwendung abgestimmt werden, ohne dass eine zusätzliche 40-%-Marge erforderlich ist.
Bei Schrittmotoren mit offenem Regelkreis ist es aufgrund des Risikos von Schrittverlusten schwierig, hohe Momentandrehmomentanforderungen zu erfüllen. Im Vergleich zu herkömmlichen Schrittmotoren erreichen VIC-Schrittmotoren mit geschlossenem Regelkreis eine sehr hohe Beschleunigung, geringe Betriebsgeräusche und geringe Resonanz. Sie können mit deutlich höheren Bandbreiten arbeiten und erzielen eine hervorragende Leistung.
Kein Schrank
Toda integriert die Antriebssteuerplatine in den Motor, wodurch der Verkabelungsaufwand reduziert und die Implementierungslösung vereinfacht wird. Mit Toda können Sie Maschinen ohne Schaltschränke bauen.
Die Integration von Elektronik in Schrittmotoren reduziert die Komplexität
Dank der Closed-Loop-Technologie bieten Closed-Loop-Schrittmotoren dem Anwender höchste Genauigkeit und Effizienz mit der Leistung eines Servomotors und den niedrigen Kosten eines Schrittmotors. Kostengünstigere Schrittmotoren erobern zunehmend Anwendungen, die sonst von teuren Servomotoren dominiert würden.
Veröffentlichungszeit: 10. April 2023