Motorsteuerung


Motion Control - Steuern von Schritt-/Stepper- und Servo-Motoren mit dem PC über USB, Ethernet/LAN oder als Einsteckkarte

Motion-Control

In Position gebracht: Schrittmotoren und Servomotoren

Ein Motor wandelt thermische, hydraulische, elektrische u. a. Energieformen um in Bewegungsenergie mit dem Ziel, als Antrieb mechanische Arbeit zu verrichten. Die heute in der Praxis am häufigsten eingesetzten Motoren sind Elektromotoren. Je nach Größe und Leistung finden sie sich in industriellen Maschinen, Automaten, computergesteuerten Werkzeugmaschinen, 3D-, Matrix- und anderen Druckern, im Modellbau, in Haushaltsgeräten sowie im Automobil/Fahrzeug und mehr.

Manche Anwendungen erfordern die Möglichkeit einer Bestimmung der Motorwellen-Drehposition - zum Beispiel für die Positionierung von Druckköpfen, Werkzeugen, Schreib-/Leseköpfen in Laufwerken etc. Die speziellen Motortypen, die hier zum Einsatz kommen, sind Schrittmotoren (englisch Stepper Motor) und Servomotoren. Im Automobil sind heute - neben dem eigentlichen Antrieb - auch viele Servo- und Schrittmotoren zum Betätigen diverser Mechaniken aktiv, wie zum Beispiel Klappen von gesteuerten Heizungs-/Klimaanalagen, Fensterheber, Sitzverstellung, versenkbare Radioantennen und vieles mehr.

Schrittweise: Der Stepper- oder Schrittmotor

Der Schrittmotor besteht aus Stator und Rotor. Der Stator ist dabei der feststehende, nicht drehende Teil des Motors. Der Rotor ist der mit der Welle verbundene Teil des Motors, der sich dreht. Die Drehbewegung wird ausgelöst durch ein rotierendes, elektromagnetisches Feld. Dieses Feld wird erzeugt von Elektromagneten/Spulen, die an definierten Stellen um den Rotor herum im Stator angebracht sind: Ein Strom durch die einzelnen Stator-Spulen erzeugt elektromagnetische Felder. Stärke und Richtung des Stromes, der durch die jeweilige Spule fließt, beeinflussen Richtung und Stärke der einzelnen magnetischen Flüsse. So kann beim Schrittmotor der Rotor schrittweise um einen definierten Winkel oder ein Vielfaches davon gedreht werden (inkl. der Möglichkeit einer elektronischen Schritt-Teilung). Dabei kann der Schrittmotor zu einem Zeitpunkt jedoch immer nur einen Schritt ausführen, wobei alle Schritte gleich groß sind. Für jeden Schritt muss an den Stepper-Motor ein Stromimpuls gesendet werden und löst eine Rotationsbewegung mit fester Winkelgröße aus. Somit ist grundsätzlich eine Kontrolle der Schrittmotor-Position ohne eine Rückkopplung/Rückführsignal möglich ("Open Loop"). Werden Strompulse in schneller Frequenz gesendet, wird aus der Schrittbewegung eine kontinuierliche Drehbewegung. Die Drehgeschwindigkeit ist dabei direkt proportional zur Puls-Frequenz.

Vorteile von Schrittmotoren:

  • Kostengünstig.
  • Einfache Steuerung. Einfache Kontrolle der Rotorposition und der Drehgeschwindigkeit des Rotors.
  • Schnelle Start-/Stopp-Reaktion und einfache Start-/Stopp-Kennlinie. Schnelle Änderung der Drehrichtung.
  • Hohes Drehmoment bei geringer Drehgeschwindigkeit.
  • Hohe Zuverlässigkeit und mechanische Beständigkeit (Motor ohne Bürsten).

Nachteile von Schrittmotoren:

  • Hoher Energiebedarf, Stromversorgung auch bei Stillstand erforderlich.
  • Drehmoment sinkt mit Drehgeschwindigkeit.
  • Schrittverluste bei Störungen oder nicht ausreichendem Drehmoment (d. h. Schritte werden übersprungen wodurch die aktuelle Positions-Information des Rotors verloren geht). Um dies zu verhindern, ist eine Rückkopplung mit Hilfe eines Sensors oder Encoder erforderlich

Alles geregelt: Servomotor

Servomotoren sind Motoren mit einer zusätzlichen Rückführung, die in einem geschlossenen Regelkreis arbeiten ("Closed Loop"). Ein Sensor dient der Positionsbestimmung. Er ermittelt z. B. Drehgeschwindigkeit, Winkelposition der Welle und Beschleunigung. Zusammen mit dem Servoregler entsteht ein klassischer Regelkreis, der die Motor-Bewegung bzw. Position entsprechend vorgegebener Soll-Werte (z. B. Drehzahl, Winkelposition) und anhand der vom Sensor gemeldeten Ist-Werte regelt. Servomotor und Servoregler bilden den Servoantrieb. Der Motor selbst kann im Prinzip jede Art von Motor sein - den Unterschied macht nicht der Motoren an sich, sondern vielmehr seine Steuerung in einem geschlossenen Regelkreis. Elektronische Servomotoren sind meist DC- oder Drehstrommotoren (Synchron- oder Asynchronmotor) und werden von einem Frequenzumrichter angesteuert.

Durch Sensorik und Regelkreis sind Servomotoren sowohl vom Aufbau als auch der Ansteuerung her komplexer, als reine Schrittmotoren ohne Rückführung. Sie haben jedoch auch viele Vorteile, insbesondere bei hohen Lasten. Durch die Regelung kommt es nicht zu ungenauen Positionsanfahrten durch Schrittverluste. Beim Abschalten einer Schrittmotor-Steuerung geht die Information der aktuellen Position verloren. Daher wird häufig nach dem Wiederanschalten eine sogenannte "Referenzfahrt" ausgeführt. Beim Servomotor wird die aktuelle Position vom Sensor in den Regelkreis geliefert. Closed-Loop-fähige Schrittmotoren vereinen die Vorteile von reinen Schrittmotoren mit denen der Servomotoren.

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