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Ethercat-Controller macht Schritt- zu Servomotoren

Bild 1. Im offenen Regelkreis wird der Schrittmotor mit einer 20-%-Sicherheitsreserve dimensioniert, damit er die maximal nötige Last sicher bewegen kann; im Closed-Loop-Betrieb benötigt der Motor die Sicherheitsreserve nicht – das spart Energie

Bild 2. Eine intelligente Motorsteuerung übernimmt Steuerungsaufgaben am Slave und lässt sich über eine Ethernet-Schnittstelle auch alternativ als einfach zu wartende Mini-SPS einsetzen

Bild 3. Mehr als 80 % der Motoren werden in Anwendungen mit unterschiedlichen Lasten eingesetzt, sodass die ClosedLoop-Technologie durch hohe Energieeinspar-potentiale auch zur Ressourcen- und Umweltschonung beiträgt

Die Entscheidung, ob sie eine Klemme oder eine intelligente Steuerung verwenden, um Schrittmotoren in ein Feldbussystem zu integrieren, fällt Entwicklern oft schwer. Für die Intelligenz am Slave spricht, dass sich so die Performance der Gesamtlösung steigern lässt. Darüber hinaus eignen sich intelligente Controller auch als Mini-SPS in einer autarken Maschine.

Ethercat erfordert als Master-Slave-Technologie nicht unbedingt intelligente Antriebslösungen, da alle Steuerungsaufgaben von der Master-SPS übernommen werden. Kommt dieses Bussystem zum Einsatz, genügt es, den Schrittmotor an eine marktübliche Ethercat-Klemme anzuschließen, die mit den Klemmen der Master-SPS verbunden sind. Diese Lösung stößt an ihre Grenzen, wenn der Motor mehr leisten soll, als klassische Stellaufgaben in unkritischen Umgebungen. Da Ethercat unter anderem gerne für dynamische Mehrachsanwendungen, wie Handling-Systeme oder Verpackungsmaschinen, eingesetzt wird, ist dies keine Seltenheit.

Für mehr als klassische Stellaufgaben
In solchen Fällen bieten sich intelligente Motorcontroller, wie das Modell N10 von Nanotec, an, die durch moderne Regelungsverfahren die Motorleistung steigern können. Im Gegensatz zu „dummen“ Klemmen bieten sie Funktionen, welche die Qualität der Gesamtlösung heben. Ein Punkt ist die Genauigkeit, mit welcher der Strom der Motorstränge gemessen wird. Sie ist für die interne Stromregelung verantwortlich.
Die auf der Dsp-Drive-Technologie basierenden digitalen Signalprozessoren des Motorcontrollers N10 regeln softwarebasiert den Strom. Diese flexible Stromregelung ist der große Unterschied zu den bisherigen Stromsteuerungsverfahren über handelsübliche Mikroschritt-Treiber-IC oder über standardmäßig digitale Leistungsansteuerungen, die die Vorgabe des Sollstroms nur mit 6 Bit bis 8 Bit auflösen. Bei der Dsp-Drive-Technologie misst der Prozessor hingegen die vom Motor zurückkommenden Ist-Ströme mit hoher Auflösung und passt den Strom dann an die Sinuskurve an. Der Schrittmotor läuft dadurch in allen Drehzahlen wesentlich ruhiger und die Verluste reduzieren sich. Das energieeffiziente Verhalten wirkt sich positiv auf die Performance aus.

Dezentrale Verteilung der Aufgaben
Besonders bei mehrachsigen Lösungen werden Steuerungsaufgaben oft ins Feld verlagert. Verfügt die Motorsteuerung über genügend IO, können neben den Motoren zum Beispiel auch Sensoren angeklemmt werden, um so einen eigenen Regelkreis zu fahren. Die Master-SPS sendet dann nur noch den Startimpuls an die Steuerung und erhält von dieser eine Rückmeldung entsprechend der eingestellten Parameter.
Zunehmend wird von Steuerungen im Netzwerk verlangt, dass sie nicht nur eingehende Ablaufsignale an den Schrittmotor weiterleiten, sondern auch Funktionen wie Positionsrückmeldung und dynamische Fehlerkorrektur unterstützen. Als State of the art gilt hier die feldorientierte Regelung – auch Closed-Loop genannt.

Steuerung im geschlossenen Kreis
Es gibt verschiedene Closed-Loop-Verfahren, wobei im Schrittmotorbereich meist nur die Korrektur der Position über den Lageregler implementiert ist. Jedoch erlaubt nur das „echte“ Closed-Loop in Form der Sinuskommutierung, bei der die Lastanpassung schon im unterlagerten Stromregler vorgenommen wird, eine dynamische Fehlerkorrektur ohne Zeitverzögerung. Das heißt, dass während
der Fahrt nicht nur Schrittwinkelfehler kompensiert, sondern bis etwa 2 000 min -1 auch Lastwinkelfehler während eines Vollschritts „just in time“ korrigiert und nachgeführt werden. Nur so erreichen Schrittmotoren ein ähnlich dynamisches Verhalten wie Servomotoren.
Schrittmotorsteuerungen benötigen dafür allerdings einen Encoder-Eingang. Ohne einen solchen Eingang muss eine übergeordnete SPS die Auswertung des 5-V-TTL-Schaltkreises übernehmen und den Takt des Clock-Eingangs nachregeln (Bild 1).

Verlustbehafteter Servomotor im unteren Drehzahlbereich
Mit einer Closed-Loop-fähigen Steuerung lässt sich ein Schrittmotor in einem Ethercat- oder CANopen-Netzwerk wie ein Servomotor betreiben (Bild 2). Das ist vor allem im unteren Drehzahlenbereich interessant. Alle niederpoligen Servomotoren mit zwei bis sechs Polpaaren haben ihren höchsten Wirkungsgrad bei über 2 000 min -1. Darunter ist das Drehmoment relativ klein. Servomotoren benötigen daher bei Drehzahlen unter 1 000 min -1 bzw. 200 min -1 ein Getriebe mit einem Übersetzungsverhätnis von mindestens 3 :1 bzw. 10 :1. Da der Getriebewirkungsgrad mit höherer Übersetzung und kleinen Belastungen stark abnimmt, fällt der Gesamtwirkungsgrad eines Servomotors mit Getriebe und 25 % Teillast auf circa 60 % ab.

Demzufolge haben Servomotoren im unteren Drehzahlbereich im Vergleich zu einem Closed-Loop-fähigen Schrittmotor einen um die Getriebeverluste höheren Energiebedarf und die doppelten Beschaffungskosten – bei gleichem Ausgangsdrehmoment durch das Getriebe. Ein Closed-Loop-Schrittmotor ist somit, wenn nur wenig Bauraum zur Verfügung steht und es auf ein hohes Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen sowie eine schnelle Positionierung bei kurzen Distanzen ankommt, nicht nur die günstigere, sondern auch die technisch bessere und energieeffizientere Lösung (Bild 3). Dies gilt beispielsweise für Anwendungen in der Halbleitertechnik, in der Optik, aber auch bei Textil- und Prüfmaschinen. Außerdem werden Prüfanwendungen oft als ideales Feld für Ethercat-Vernetzung gepriesen, da man hier Schnelligkeit benötigt und Automatisierungslösung und Messtechnik über ein gemeinsames Bussystem verbunden werden können.

Breites Einsatzspektrum
Alternative Einsatzgebiete für intelligente Motorcontroller, wie den N10, finden sich in autarken Maschinen, wo solche Steuerungen quasi als Mini-SPS die Aufgabe einer übergeordneten SPS übernehmen können. Voraussetzung dafür ist allerdings, dass sie über genügend IO und eine hohe Prozessorleistung verfügen. Mit einer Prozessorverarbeitung von 32 Bit kann eine Steuerung auf zeitkritische Signale von Eingängen innerhalb von 2 ms reagieren und ist so in der Lage, komplexe Prozessregelungen ohne übergeordnete Steuerung zu übernehmen. Komplette Ablaufprogramme werden dabei auf die Steuerung verlagert, wobei Ethernet-Schnittstellen eine einfache Fernwartung auch über Ländergrenzen hinweg erlauben.

Auch der Software kommt in der Entwicklung von Schrittmotorsteuerungen eine stärkere Bedeutung zu. Dabei geht der Trend zu bewährten Standard-Technologien, wie Web-basierten Oberflächen. Nanotec hat deshalb in die N10-Steuerung einen Webserver integriert. Dadurch lässt sich der Antrieb mittels der Software Nano-IP über eine browserbasierte Oberfläche parametrieren. Dabei kann auf das komplette Object Dictionary zugegriffen werden. Sichtbare Variablen durch den integrierten Scope ermöglichen eine Analyse des Regelverhaltens. Darüber hinaus lässt sich der HTML-Quellcode verändern, um reduzierte Konfigurationsmöglichkeiten für Maschinenbediener bereitzustellen. Werden komplette Ablaufprogramme aufgespielt, etwa im Fall der N10 über das in Nano-IP integrierte, Java-basierte Nano-J, lässt sich eine solche Steuerung auch als Mini-SPS in einer autarken Maschine einsetzen.

Fazit
Ob dumme Klemme oder intelligente Steuerung ist das erste Entscheidungskriterium, wenn es um die Integration eines Antriebs geht. Darüber hinaus empfiehlt es sich, bei der Auswahl der Komponenten auf Homogenität zu achten, denn je umfangreicher die Produktvielfalt ist, umso höher ist die Gefahr von Inkompatibilitäten. Die zeigen sich zum Beispiel gerne, wenn die Parametrisierungssoftware nicht mit der Firmware des verwendeten Motors arbeiten kann und zeitaufwendige, manuelle Anpassungen erforderlich sind.

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Autor: Stephan Huber ist Geschäftsführer der Nanotec Electronic GmbH & Co. KG in Landsham