Antriebstechnik

Feldbus an Bord

28.09.2006 | Redakteur:

Für bestimmte Antriebs- und Positionieraufgaben werden Schrittmotoren geschätzt, weil sie äußerst robust, wartungsfrei und einfach zu implementieren sind.

Bei Schrittmotoren entspricht jeder Schritt einem exakt vorgegebenen Winkel. So lassen sich präzise Positionierungen ohne aufwändige Wegstreckenerkennung und Lageregelung leicht kostengüns-tig realisieren. Die Elektronik zählt alle Schritte im Links- und Rechtslauf und kennt daher immer die genaue Position. Bei Bedarf erfüllt ein zusätzlicher Encoder die Funktion der Rückmeldung von Lage-Ist-Positionen, sofern die Leistungsansteuerung mit einer Drehüberwachungselektronik ausgestattet ist. Durch den Vergleich von Soll- und Ist-Position des Motors lässt sich beispielsweise eine mechanische Überlastung erkennen. Wird bei der Drehmomentauslegung von Schrittmotorlösungen ein Sicherheitsfaktor bis etwa 20% berücksichtigt sind diese absolut zuverlässig, weil bei Lastschwankungen keine „Schrittverluste“ und somit Positionsfehler auftreten können.Weil schon mit geringen Drehzahlen ein hohes Drehmoment zur Verfügung steht, das sich über die Drehzahl abbaut, lassen sich bei besten Rundlaufeigenschaften die Drehzahl- und Kraftanforderungen vieler Applikationen ohne zusätzliches Getriebe realisieren. Ebenso markant ist das hohe Haltemoment, selbst wenn der Schrittmotor spannungslos ist. Hier tritt beim Abschalten des Ständerstroms, wegen der Wirkung des Läufermagneten, eine feste Läuferstellung (Rastmoment) ein.Physikalisch bedingt bieten Schrittmotoren je nach Bauart unterschiedlich mikrofeine Auflösungen mit entsprechender Präzision. Um hier den Schaltungs- und Verdrahtungsaufwand zu reduzieren hat Berger Lahr zu den bis vor wenigen Jahren noch allgemein favorisierten 5-phasigen Motorvarianten, die 3-Phasen-Schrittmotoren entwickelt. Diese lassen sich mit Auflösungen von 200 bis 1000 Schritten beziehungsweise elektronisch geregelt im Micro-Step-Modus mit 2000 bis 10 000 Schritten pro Umdrehung betreiben. Gleichzeitig wurde durch die optimierte Innengeometrie der neuen Motoren und moderne Magnetmaterialien eine höhere Leistungsdichte erreicht. Mit 50% mehr Drehmoment im Vergleich zu herkömmlichen Schrittmotoren in vergleichbarer Baugröße genügt in der Anwendung häufig ein kleinerer Motor, um die gestellten Drehmomentanforderungen zu erfüllen.Schrittmotorendstufe hat Netzteil bereits integriertFür die Ansteuerung der 3-Phasen-Schrittmotoren hat Berger Lahr, orientiert nach ökonomischen Gesichtpunkten, die Schrittmotor-Endstufe SD3 (Stepper Drive 3-Phasen) entwickelt. In kompakter Bauform sind Netzteil und Netzfilter bereits integriert, wobei die Netzspannung zwischen 115 und 230 V umschaltbar ist. Durch Verwendung von Serienbauteilen aus Leistungselektroniken anderer Antriebsvarianten steht dem Anwender eine kostengünstige und leistungsfähige Komplettlösung in identischer Gehäuseabmessung mit 2,5 und 6,8 A (mit Lüfter) für den Einsatz der Schrittmotortechnologie zur Verfügung.Neu in der Produktfamilie sind nun zwei Gerätearten mit integrierter Feldbustechnik – je nach Ausführung mit Can-open (Kommunikationsprofil DS 301, Geräteprofil DSP 402) und Modbus (RTU-Protokoll) oder mit Profibus (DP V0). Ebenfalls an Bord ist eine Dreh-überwachung und die für die Schrittmotorverstärker SD3 28 charakteristische Sicherheitsfunktion „Sicherer Halt – Power Removal“. Sie schaltet das Motordrehmoment sicher ab und realisiert die Steuerfunktion „Stillsetzen im Notfall“ (EN 60204-1) für Stopp-Kategorie 0 (Stillsetzen durch sofortiges Abschalten der Energie zu den Maschinen-Antriebselementen) und Stopp-Kategorie 1 (gesteuertes Stillsetzen, wobei die Energie zu den Maschinen-Antriebselementen beibehalten wird, um das Stillsetzen zu erzielen). Damit werden die Sicherheitsstufen SIL 2 nach IEC61508 erreicht. Außerdem verhindert diese Sicherheitsfunktion den unerwarteten Wiederanlauf.Stepper-Antriebe für frühe DrehmomentanforderungDie oft auch als Stepper bezeichneten Antriebe sind überall dort ideal, wo kleine Winkelschritte, definierte Drehzahlen und Drehrichtungsänderungen sowie exakte Positionierungen und hohe Wiederholgenauigkeit benötigt werden. Ihre guten Gleichlaufeigenschaften ermöglichen konstante Bewegungsabläufe. Vor allem mit den Betriebsarten der neuen Feldbus-Gerätevarianten lassen sich auch individuelle Bewegungsdesigns realisieren. So ist moderne Schrittmotortechnik prädestiniert für unterschiedlichste Anforderungen, von der Handhabung über Pick-and-place-Aufgaben oder Zuführungen bis hin zum Positionieren von Zustellachsen wie etwa Formatverstellungen.Ein repräsentatives Beispiel ist die Realisierung der Zustellbewegungen von Druckwalzen in Flexodruck-Maschinen. In acht Farbwerken sind 40 Antriebe enthalten. Dort wird der Installations-, Verkabelungs- und Inbetriebnahmeaufwand zu einem wesentlichen Entscheidungskriterium bei der Wahl der Antriebsform. Außerdem bieten Schrittmotoren in Ex-geschützter Ausführung von Berger Lahr das notwendige Haltemoment, um die Druckwalzen nach erfolgter Zustellung 100%ig ruhig in Position zu halten. Im Vergleich zu einer über Regelung gehaltenen Position entsteht dadurch eine erheblich bessere Druckqualität.Ähnliche Anforderungen stellt das Positionieren der Schneidmesser in Papier-Schneidemaschinen. Je nach Maschinenbreite gilt es dort bis zu 20 Messer mit hoher Genauigkeit auf individuelle Bahnbreiten einzustellen. Alle Achsen werden über Feldbus angesteuert. Das hohe Drehmoment der Schrittmotoren spart an dieser Stelle mechanische Getriebe und damit erheblichen Platz in der Maschine.Unkompliziert und komfortabelSchrittmotoren sind nicht nur zuverlässig und mit relativ geringem Aufwand für Installation, Inbetriebnahme und Steuerung verbunden, sondern gleichzeitig robust und langlebig. Sie besitzen keine Bürsten und sind deshalb weitgehend wartungsfrei. Auf Grund der spezifischen Eigenschaften erfreut sich diese Antriebstechnik heute mehr denn je höchster Akzeptanz und Verbreitung. Dafür spricht besondes in Zeiten zunehmender Globalisierung nicht allein der Preis. Wo Maschinen und Anlagen immer häufiger auch an weniger industrialisierten Standorten betrieben werden ist einfache, unkomplizierte Technik willkommen. Wie die angeführten Beispiele zeigen, unterstützt die integrierte Feldbustechnik die einfache Applikation und bietet zusätzlichen Komfort.