Closed Loop Technologie

Closed-Loop-fähige Schrittmotoren vereinen die Vorteile der Schritt- und der Servomotor-Technologie. Sie sind laufruhiger 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 Energieeffizienz, Laufruhe und hohe Lasttoleranz gefragt sind. 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.

Das Closed-Loop-Verfahren wird auch als Sinuskommutierung über Encoder mit feldorientierter Regelung bezeichnet. Kern der Closed Loop Technologie ist die leistungsangepasste Stromregelung sowie die Rückführung der Steuerungssignale. Über die Signale des Encoders wird die Rotorlage erfasst und es werden in den Motorwicklungen sinusförmige Phasenströme erzeugt. Durch die Vektorregelung des Magnetsfelds ist gewährleistet, dass das Statormagnetfeld immer senkrecht zum Rotormagnetfeld steht und die Feldstärke 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.

Echtes/Pseudo Closed Loop

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

Vorteile gegenüber Standard-Schrittmotoren
(Ein Klick auf die Grafik startet die Animation)

Die klassischen Schrittmotoren sind zuverlässige, kostengünstige 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 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 Lasterhöhung oder Drehmomentspitze lässt den Motor Schritte verlieren oder außer Tritt fallen, bis hin zum Stillstand.

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

  • Kein Zukauf und Einkalkulieren einer Sicherheitsreserve (üblich bis zu 50%) erforderlich
  • Höherer Wirkungsgrad bei Lastschwankungen und kein Stehenbleiben bei Überlast
  • energieeffizienter Betrieb durch intelligente Stromregelung
  • Praktisch resonanzfrei
  • Längere Lebensdauer der Lager durch geringere Erwärmung und wenig Schwingung
  • Kürzere Beschleunigungszeiten, da auch bei hohen Drehzahlen ein hohes Drehmoment erreicht wird
  • Präzise Positionierung durch Kontrolle und Korrektur

Vorteile gegenüber Servo-Motoren

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, sondern 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 Drehmoment, den besten Wirkungsgrad und die beste Dynamik, sondern auch die geringste Drehmomentwelligkeit und eine ausgezeichnete Laufruhe.

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.

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

  • bei Drehzahlen bis 500 U/min ein hohes Drehmoment gefordert ist und eine kompakte, günstige Lösung gesucht wird, die ohne Getriebe auskommt,
  • eine schnelle Inbetriebnahme ohne aufwändiges Tuning gefordert ist,
  • Last bei Stillstand in Position gehalten werden muss, beziehungsweise
  • 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.

Ideale Anwendungsgebiete für Closed Loop Schrittmotoren:

  • Mehrachsanwendungen (seriell, Ethernet, EtherCAT, CANopen)
  • Stellaufgaben mit Lastschwankungen
  • Wickelanwendungen
  • Bandantrieb (Start/Stopp, Positionieren)
  • Dosierpumpen, Abfüllanlagen
  • Halbleiterbestückung
  • Wafer-Produktion
  • Textilmaschinen/Industrie-Nähmaschinen
  • Robotik
  • Prüf- und Inspektionssysteme
  • Anwendungen, bei denen es auf laufruhigen Betrieb, kurze Einschwingzeit und genaue Positionierung ankommt

Preisvergleich

Preis-Vergleich zwischen Motor (Closed Loop) mit integrierter Steuerung und einem Brushless DC-Motor mit Steuerung und Getriebe (Beispiel)

PD4-N59 Motor mit integrierter SteuerungDB59 Bürstenloser DC-Motor mit Controller und Getriebe
Preis Motor250.00 €90.00 €
Preis Controller250.00 €
Preis Getriebe40.00 €
Gesamtpreis250.00 €380.00 €

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