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Magnetische Multiturn-­Encoder für Schrittmotoren

01  Montagefreundlich: Mit ein paar Handgriffen sind die Stepper Kits im Schrittmotor installiert

01  Montagefreundlich: Mit ein paar Handgriffen sind die Stepper Kits im Schrittmotor installiert

Schrittmotoren rücken in Sachen Performance näher an deutlich aufwendigere Servoantriebe heran. Möglich machen dies neue magnetische Stepper Kits, die sich als montagefreundliche Feedback-Systeme schnell und sicher in marktgängige Motoren integrieren lassen. Sie liefern absolute Positionsdaten und Multiturn-Funktionalität zu attraktiven Kosten – und das energieautark und wartungsfrei.

02  Footprint und mechanische Anbindung sind so ­ausgelegt, dass sich die neuen Multiturn-Kits als direkter Drop-in für einfache Inkremental-Encoder nutzen lassen

02  Footprint und mechanische Anbindung sind so ­ausgelegt, dass sich die neuen Multiturn-Kits als direkter Drop-in für einfache Inkremental-Encoder nutzen lassen

03  Wiegand-Sensoren erlauben ein autarkes Energy Harvesting für den batterielosen Betrieb des Rotationszählers bei ­Multi­­turn-Einsätzen

03  Wiegand-Sensoren erlauben ein autarkes Energy Harvesting für den batterielosen Betrieb des Rotationszählers bei ­Multi­­turn-Einsätzen

Schrittmotoren gehören zu den populärsten Basiskomponenten, wenn es um offene Regelkreise zur Positionssteuerung geht. Die einfach und kompakt aufgebauten Gleichstrommotoren haben einen breiten Anwendungsbereich, von kleinen Werkzeugen und Geräten über Drucker bis hin zu Fahrzeugen. Im industriellen Umfeld werden sie etwa für klassische Positionieraufgaben in Maschinen oder für Pick-and-place-Prozesse mit hoher Geschwindigkeit genutzt.

Gegenüber Servomotoren, die das High-End-Segment bei E-Antrieben darstellen und mithilfe von komplexer Regelelektronik auf Höchstleistungen in Sachen Beschleunigung, Präzision und Laufverhalten getrimmt werden, fallen Schrittmotoren überaus einfach aus. Dies erklärt auch den eklatanten Preisunterschied: Im Schnitt sind Servomotoren um den Faktor 10 teurer.

Die Steuerung erfolgt – quasi systemimmanent – über das schrittweise rotierende elektromagnetische Feld der ­Statorspulen. Dabei bewegt sich der Rotor mit jedem Impuls um einen klar definierten Schritt bzw. Winkelversatz vorwärts. Üblich sind bis zu 200 Schritte pro Umdrehung, wobei auch Motoren mit 400 oder mehr Schritten erhältlich sind. Durch Mikroschrittbetrieb ist ein Auflösungsvermögen von unter 0,1° erreichbar. Die Schrittgenauigkeit liegt meist im Bereich von einigen Prozent.

Obwohl Schrittmotoren prinzipiell ohne Feedback-System positionieren können, kommen oft einfache optische Inkrementalgeber zum Zug. Diese Low-Cost-Encoder gleichen ­typische Schwachstellen der Schrittmotoren aus. Durch das Erfassen und Bereitstellen von Winkelwerten kompensieren sie Schrittverluste, die etwa durch zu hohe Lastmomente entstehen und zu ungenauer Positionierung führen können.

Drop-in-Ersatz für Inkremental-Geber

Was die inkrementalen Kits bei Schrittmotoren angestoßen haben, setzen die magnetischen Stepper Kits (Bild 1) konsequent fort. Die von dem Kölner Sensorhersteller Posital [1] entwickelten Montagekits, die auf der SPS 2018 Premiere ­hatten, sorgen für frischen Wind im Stepper-Segment. Die ursprünglich für Servoantriebe konzipierten magnetischen Feedback-Systeme, die Absolut- und Multiturn-Funktionalität in einem energieautarken, batterielosen und von ­Rechenpower getriebenen Gesamtpaket garantieren, wurden in knapp zweijähriger Arbeit auf die spezifischen Vorgaben für Schrittmotoren angepasst.

Herausgekommen sind dabei kostengünstige Montagekits, die das Performance-Level bei Schrittmotoren deutlich anheben. Das Ergebnis reicht von besserem Rundlauf über mehr Transparenz bei den Steuerungsprozessen bis zu mehr Qualität bei der eigentlichen Positionieraufgabe.

Konzipiert sind die Stepper Kits so, dass sie sich schnell und sicher in gängigen Schrittmotoren installieren lassen. Dabei greifen die Vorgaben des US-Verbandes Nema (National Electrical Manufacturers Assocation), die traditionell die Normung bei Stepperantrieben bestimmen – auch wenn längst mehr als 90 % der Motoren in dieser Kategorie in Asien gefertigt werden. Footprint und mechanische Anbindung sind so ausgelegt, dass die Kits als direkter Drop-in-Ersatz für klassische Inkremental-Encoder genutzt werden können (Bild 2). Aus dem Stand ermöglichen sie das Aufrüsten von Schrittmotoren zu absoluter Positionssteuerung bei gleichzeitiger Multiturn-­Fähigkeit – ein Novum im Markt.

Absolutgeber können einer Weg- und Winkelposition jederzeit einen eindeutigen Positionswert zuordnen und diesen sicher speichern – auch bei Stromausfall. Während sie beim Singleturn-Betrieb einen Messbereich von 360° überwachen, erfolgt das Multiturn-Monitoring über eine Vielzahl von Rotationen.

Bei den magnetischen Stepper Kits, die mit 17-bit-Singleturn- und 16-bit-Multiturn-Auflösung aufwarten, sind sämtliche Komponenten in einem kompakten Elektronikpaket (Durchmesser 37 mm) untergebracht. Ein paar Handgriffe genügen, um das Paket – nebst kleinem Permanentmagnet, der auf der Welle fixiert wird – im Motor zu montieren. Während die Hall-Sensoren über das rotierende Magnetfeld die Singleturn-Position erfassen, werden die Umdrehungen über einen energieautarken Rotationszähler festgehalten. Statt Batteriepower sorgen dabei Impulse aus einem von Posital in Eigenregie gefertigten Wiegand-Draht für cleveres Energy Harvesting (Bild 3).

Magnetische Abtast­technik – einfach robust

Die von Posital seit Jahren als Alternative zu optischen Systemen forcierte magne­tische Abtasttechnik entpuppt sich auch bei den Stepper Kits als Plus. Die kontaktfreie Messtechnik verfügt – außer dem Permanentmagnet – über keine beweglichen Teile, ist stoß- und vibrationsresistent und lässt sich auch von Schmutz oder Feuchtigkeit nicht aus der Spur bringen. Nutzerfreundlich ist auch die integrierte elektronische Kali­brierfunktion. Es reicht, die Motorwelle kurz mit kon­stanter Geschwindigkeit zu drehen. Dabei werden die für jeden Motor individuellen Eigenheiten erfasst und in der Software hinterlegt.

Als Schnittstellen wurden SSI und das fortschrittli­chere „BiSS C“ zur bidirektionalen Kommunikation implementiert. Beide sind Open-Source-Interfaces, die sich über einfache Computer auslesen lassen.

Mit den neuen Stepper-Kits spricht Posital nicht nur den OEM-Markt, sondern gezielt auch die Anwender an. „Die Kits lassen sich einfach nachrüsten, was aus einem ‚simplen‘ Schrittmotor im Handumdrehen ein ‚echtes Kaliber‘ macht“, so Christian Leeser, CEO von Fraba-Posital. „Unsere größte Herausforderung besteht darin, dem Markt aufzu­z­eigen, welches Potenzial bzw. wie viel Luft nach oben ein klassischer Schrittmotor hat.“ (mh)


Literatur:
[1] Fraba-Posital, Köln: www.posital.com


Jörg Paulus ist als General Manager Sales – ­Europe für Posital in Köln tätig.

Autor:
Jörg Paulus ist als General Manager Sales – ­Europe für Posital in Köln tätig.