Closed-Loop-TechnologieTechnology-Paper

Closed-Loop-fähige Schrittmotoren vereinen die Vorteile der Schritt- und der Servomotor-Technologie. Sie sind lauf-ruhiger und resonanzärmer als Schrittmotoren, bieten eine Positionsrückmeldung und –kontrolle, kurze Einschwing- und Ausschwingzeiten und weisen keinen Schrittverlust mehr auf. Sie sind eine Alternative zum Schrittmotor, wenn Ener-gieeffizienz, Laufruhe und hohe Lasttoleranz gefragt sind.

Das Closed-Loop-Verfahren wird auch als Sinuskommutie-rung über Encoder mit feldorientierter Regelung bezeichnet. Kern der Closed Loop Technologie ist die leistungsan-gepasste Stromregelung sowie die Rückführung der Steuerungssignale.Über die Signale des Encoders wird die Rotorlage erfasst und es werden in den Motorwicklungen sinusförmige

Es gibt Schrittmotoren, die sich zwar mit dem Closed-Loop-Fähnchen schmücken und mit Encoder arbeiten, aber keine feldorien-tierte Regelung mit einer sinuskommutierten Stromregelung bieten. Sie überprüfen nur die Schrittposition, können Schrittwinkelfeh-ler aber nicht während des Betriebs korrigieren. Echtes Closed Loop mit feldorientierter Regelung kompensiert Schrittwinkelfehler während der Fahrt und korrigiert Lastwinkelfehler innerhalb eines Vollschritts.

Gegenüber Servo-Motoren haben sie Vorteile durch ein hohes Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen, kurze Einschwingzeiten, korrektes Positionieren ohne Nachpendeln sowie einen günstigeren Preis bei oft kleinerer Baugröße.

Closed Loop in Kürze erklärt: http://de.nanotec.com/dc_408_technologie_closedloop.html

Phasenströme erzeugt. Durch die Vektorregelung des Magnetsfelds ist gewährleistet, dass das Statormagnetfeld immer senkrecht zum Rotormagnetfeld steht und die Feld-stärke genau dem gewünschten Drehmoment entspricht. Der in den Wicklungen so gesteuerte Strom sorgt für eine gleichmäßige Motorkraft und führt so zu einem besonders ruhig laufenden Motor, der sich genau regeln lässt.

gClosed-Loop-Technologie

gWas ist Closed Loop?

gEchtes / Pseudo Closed Loop

Open Loop vs. Closed Loop

Controller Schrittmotor Last

Open Loop: keine Positionskontrolle, Fehlerkorrektur nicht möglich

Regler SchrittmotorController

Closed Loop: Positionskontrolle mit feldorientierter Regelung

W X

Last

Sensor

Die klassischen Schrittmotoren sind zuverlässige, kosten-günstige Antriebe, die dort eingesetzt werden, wo feste Positionen anzufahren sind. Sie arbeiten im Takt-Richtungs-Modus, auch als Open Loop bezeichnet. Dabei handelt es sich um einen offenen Regelkreis, bei dem die Steuersignale nicht zurückgeführt werden. Als Einschränkung gilt deshalb

Energieeffizienz

Überlast

Lebenserwartung

Resonanzen

Im offenen Regelkreis wird der Schrittmotor so dimensioniert, dass er die maximal nötige Last sicher bewegen kann. Normalerweise wird deshalb mindestens eine Sicherheit von 20% eingerechnet, die in der Applikation dann als Energie „verschwendet“ wird. Verringert sich die Last, kann der Open Loop Motor nicht darauf reagieren und verschwendet noch mehr Energie.

Bei 20% Sicherheitsreserve und der Auslegung auf eine Bandlast von z.B. 20 kg über-schreitet ein Zusatzgewicht von nur 5 kg die Leistungsreserve und der Open-Loop-Antrieb bleibt ohne Meldung stehen. Der Closed-Loop-Schrittmotor kann dagegen mit seiner Überlastreserve diese Last problemlos antreiben.

Durch die effiziente Regelung des Stroms entsteht weniger Verlustwärme im Motor, er bleibt erheblich kühler. Durch die geringere Erwärmung werden auch die Motorlager geschont.

Die im Open Loop auftretenden Resonanzfrequenzen sind u.a. abhängig von äußeren Lasten (je größer die Drehmomentreserve desto größer ist auch die Resonanzanregung), und können den Motor zum Stillstand bringen. Im Closed Loop Modus wird dem Motor immer nur soviel Energie zugeführt, wie er für die externe Last benötigt, die resonanzanregende Drehmo-mentreserve ist also nicht vorhanden, so dass praktisch keine Resonanzen mehr auftreten.

die fehlende Positionsrückmeldung, weil beispielsweise durch Überlast entstandener Schrittversatz oder Schrittverlust nicht erkannt wird. Darüber hinaus ist bei kleineren Frequenzen das Resonanzverhalten stark ausgeprägt, eine kleine Last-erhöhung oder Drehmomentspitze lässt den Motor Schritte verlieren oder außer Tritt fallen, bis hin zum Stillstand.

gVorteile gegenüber Standard-Schrittmotoren

n Kein Zukauf und Einkalkulieren einer Sicherheitsreserve (üblich bis zu 50%) erforderlich

n Höherer Wirkungsgrad bei Lastschwankungen und kein Stehenbleiben bei Überlast

n energieeffizienter Betrieb durch intelligente Stromregelung

n Praktisch resonanzfrei

n Längere Lebensdauer der Lager durch geringere Erwärmung und wenig Schwingung

n Kürzere Beschleunigungszeiten, da auch bei hohen Drehzahlen ein hohes Drehmoment erreicht wird

n Präzise Positionierung durch Kontrolle und Korrektur

Closed Loop Schrittmotore sind eine Weiterentwicklung der klassischen Schrittmotor-Technologie. Die Einschränkungen und Nachteile klassischer Schrittmotoren wurden eliminiert:

Open Loop

Open Loop

Open Loop

Open Loop

Closed Loop

Closed Loop

Closed Loop

Closed Loop

Closed-Loop-Schrittmotoren von Nanotec stellen in vielen Fällen eine Alternative zu Servoantrieben dar, etwa bei Aufwickel-Anwendungen oder Bandantrieben. Nicht nur die Drehzahl und die Position sind genau regelbar, son-dern wie typischerweise für Aufwickel-Anwendungen erforderlich, das Drehmoment (Torque Mode). Closed-Loop-

Schrittmotoren vereinen damit die Vorteile beider Welten. So erreicht man nicht nur das höchste maximale Drehmo-ment, den besten Wirkungsgrad und die beste Dynamik, sondern auch die geringste Drehmomentwelligkeit und eine ausgezeichnete Laufruhe.

gVorteile gegenüber Servo-Motoren

n bei Drehzahlen bis 500 U/min ein hohes Drehmoment gefordert ist und eine kompakte, günstige Lösung gesucht wird, die ohne Getriebe auskommt,

n eine schnelle Inbetriebnahme ohne aufwändiges Tuning gefordert ist,

n Last bei Stillstand in Position gehalten werden muss, beziehungsweise

n das für Servomotoren typische Ein- und Ausschwingverhalten (Hunting), das gerade bei variablen Lasten und Pulsationen auftritt, zu für die Anwendung intolerablen Schleppfehlern führt. Servomotoren überfahren bei plötzlichen Lastveränderungen ihre Position und müssen dann nachkorrigiert werden.

Closed-Loop-fähige Schrittmotoren sind dann eine Alternative, wenn:

Der Closed-Loop-Schrittmotor wirkt im Drehmoment-Modus analog wie eine Feder, wobei die Federkraft-Kennlinie über ein Poti eingestellt werden kann. Der Motor liefert also eine stabile Kraft, auch wenn der Motor im Stillstand gegen die Kraft arbeitet. Sobald die Kraft abnimmt, beginnt der Motor zu drehen proportional zur abnehmenden Kraft bis zum eingestellten Strom- und Drehmoment-Wert. Der Closed-Loop-Schrittmotor ist damit ideal für jede Art von Aufwickel-, Spann- und Pressaufgaben.

A2 Aufwickeln des Trägermaterials über Torque-Modus

A1 Abwickeln der Etiketten Vorratsspule über Torque-Modus

A3 Etikettenspender

S1 KantensensorS2 Etikettenkantefür Triggersensor

A4 Transportbandfür Fördergut

C

Antrieb C könnte optional noch die Druckaufgabe ausführen

F=5N

I1

I2

I3

I4

Md

n

Dre

hmom

ent

Last

Drehzahl

I1

I2

I3

I4

v - Md (current)

konst. Zugspannung

Brake

n Mehrachsanwendungen (seriell, Ethernet, EtherCAT, CANopen)

n Stellaufgaben mit Lastschwankungen

n Wickelanwendungen

n Bandantrieb (Start/Stopp, Positionieren)

n Dosierpumpen, Abfüllanlagen

n Halbleiterbestückung

n Wafer-Produktion

n Textilmaschinen/Industrie-Nähmaschinen

n Robotik

n Prüf- und Inspektionssysteme

n Anwendungen, bei denen es auf laufruhigen Betrieb, kurze Einschwingzeit und genaue Positionierung ankommt

Linearachse (für Bearbeitung, Bestücken, usw.)

Dezentrale Durchflussregelung

Transportband

Aufwickeln und Verlegen

g Ideale Anwendungsgebiete für Closed Loop Schrittmotoren:

START

Input1 GNDGND AnalogInput6 +20V+20V

3

3

1

1

2

2

+20VGNDa) Input 6b) Input 6

v = 0,5 m/s

p = 4

b

s0

h

F = 10N +/-25%

+20V In 3

a)

A1

A2

b)

Out 3 GNDGND+5V +UBAna GND GND

3

2

1

+

X3 Motor Communication

X2 Power Motor

+UB+

GND

+UB

GND

X11

X12

X10 USB

Input 1 (Start or Error)

Input 6 (Limit Switch orclock in Clok/Dir Mode)

Input

0%outout 1 out 2

100%

exte

rn in

tern

X21

Con

nect

or

Net

wor

k

X5 External I/O

X8 +5V+UB +5V

X9 a

nalo

g

2

2(BCD)( 1 )

( 2 )

( 3 )

( 7 )

( 10 )

2 2

R6

- Limit Switch- busy- ready- Rotation monitoring

20 1 2 3

3 4 5

Input 2 - 5 (Drive Profil)

pull/up out3 X14

X4 Motor I/O

- - - - - - -

- - - - - - - - - - - - - -

- - - - - - -

- - - - - - -

input 1 input 2 input 3 input 4 input 5 input 6

X1 Power In

X20

conn

ecto

rco

mm

unic

atio

nne

twor

k

x7 CAN

www.nantotec.com

X6 RS485

ZIB2 - PDX - N

GND+UBGND+UBGND+UBGNDANAOUT3OUT2OUT1GNDIN6IN5IN4IN3IN2IN1

GNDIN1IN2IN3IN4IN5IN6

GNDOUT1OUT2OUT3

ANAGND

GND+TX+

TX-RX-

RX+CAN+CAN-GND

UB_extGND

1 2 output R18

1

1

2 3 4 5 6

S1

R19

R20

D8

1 2 3 4 5 6

weon

SIL

ABS

CP21

02DC

F07X

1104

+

0611001 6W

101

2 2><

2 2><

C2

START

b) Input 6

Input 1

S1

4

5 (on)

GND

a) Input 6

+20V

PD4-N59 Plug & Drive Schrittmotor mit Closed Loop

Servomotor DB57 mit Steuerung und Getriebe

Preis Motor ca. 250,00 109,00

Preis Steuerung ca. 156,00

Preis Getriebe ca. 65,00

Gesamtpreis in € 250,00 330,00

Nanotec Electronic GmbH & Co. KG, Kapellenstraße 6, D-85622 Feldkirchen b. München, Tel. ++49 89 900 686-0, Fax ++49 89 900 686-50Email: info@nanotec.de, www.nanotec.de

gVergleich (Beispiel)