Schrittmotoren sind heute in automatisierten Prozessen allgegenwärtig. Sie finden sich in Werkzeugmaschinen, in Verpackungs- und Förderanlagen, in der Nahrungsmittelindustrie und im Automobilbau. Sie bewegen Druckköpfe und Scanner oder treiben Roboter an – immer wenn mit hoher Präzision positioniert werden muss, können Schrittmotoren ihre Stärke ausspielen. Da der Rotor durch ein gesteuertes, schrittweise rotierendes elektromagnetisches Feld gedreht wird und diesem exakt folgt, kann man auf Sensoren zur Positionsrückmeldung verzichten. Auf diese Weise lassen sich Positionssteuerungen sehr einfach und kostengünstig realisieren. In diesem Funktionsprinzip liegt aber zugleich auch der größte Nachteil der Schrittmotoren begründet: Durch das Fehlen der Rückmeldung wird der Motor ständig mit einem hohen Konstantstrom beaufschlagt. Denn das Haltemoment muss hinreichend groß sein, um Schrittverluste zu vermeiden. Zur Absicherung von Lastspitzen und Toleranzen muss man ein solches System deutlich überdimensionieren, obwohl die elektromagnetisch induzierte Haltekraft nie dauerhaft benötigt wird. Die Folge ist eine entsprechend hohe Verlustleistung und ein starkes Aufhitzen des Motors.

Ruud Vertommen, technischer Fachberater und Experte für Automation beim Katalog- und Onlinedistributor Distrelec, kennt diese Problematik und empfiehlt professionellen Anwendern zur Steuerung von Schrittmotoren die innovativen Treiberbausteine des Motorsteuerungsspezialisten Trinamic. „Der TMC262 ist der erste Schrittmotortreiber, der die Effizienz des Motors automatisch optimiert“, erläutert Vertommen. „Die vom Hersteller entwickelte Cool-Step-Technologie verbindet die Vorteile eines Schrittmotors mit der Charakteristik eines Gleichstrommotors, nämlich der Anpassung des Energieverbrauchs an die Last.“

Schrittmotortreiber mit hochauflösender Lastmessung

Ermöglicht wird dies durch die Integration einer hochauflösenden Lastmessung in den Schrittmotortreiber. Unter Verwendung der so gewonnenen Informationen lässt sich die Stromzufuhr des Schrittmotors lastgerecht und intelligent regeln. Der Motor bekommt so immer nur so viel Strom, wie er tatsächlich benötigt. „Der besondere Clou dieser Technologie liegt darin, dass keine zusätzliche Sensorik benötigt wird und sie mit allen gängigen Schrittmotoren funktioniert“, betont Vertommen. Die neue Technologie lasse sich so problemlos und einfach in bestehende Anlagen integrieren. Die Vorteile, von denen die Anwender profitieren, liegen auf der Hand: Geringere Verlustleistung, optimale Motorleistung, höhere Systemsicherheit, keine Sensorik und nicht zuletzt eine verbesserte Energieeffizienz, die zu einer spürbaren Reduktion der Betriebskosten führt. Der Schrittmotortreiber ist der erste Treiberbaustein des Herstellers mit Cool-Step-Funktionalität. Er bietet eine Auflösung von 256 Mikroschritten pro Vollschritt, 60 V Betriebsspannung und ein neuartiges Modulationsverfahren für die Stromregelung, das für überlegene Laufruhe, Dynamik und Präzision sorgt. Neben den Treiberbausteinen von Trinamic hat Distrelec mit dem TMCM-1110 Step Rocker auch eine komplette, universell einsetzbare Schrittmotorsteuerung im Programm. Wie fast alle Produkte aus dem Sortiment des Elektronikspezialisten, ist auch die Motorsteuerung innerhalb von 24 Stunden ab Stückzahl 1 lieferbar.

Universelle und kostengünstige Steuerungsplattform

Zum Betrieb der Schrittmotorsteuerung sind lediglich ein Netzteil, ein 2-Phasen bipolar Schrittmotor und ein PC nötig. Der eingesetzte Treiber sorgt für hohe Laufruhe und Präzision. Erreicht wird dies durch eine hohe Mikroschrittauflösung und ein patentiertes PWM-Schema, das für einen optimalen Nulldurchgang und eine saubere Sinusform der Spannung sorgt. Ebenfalls integriert sind bereits die sensorlose Lasterkennung sowie die bereits beschriebene lastabhängige Stromanpassung Cool Step zum energieeffizienten Betrieb des Schrittmotors. Der eingebaute Motion-Controller, der für die Rampen- und Pulserzeugung zuständig ist und die Positionierung übernimmt, lässt sich über USB oder RS-485 ansteuern. „Da der Controller bis zu drei Schrittmotortreiber gleichzeitig ansteuern kann, lässt sich durch Anschluss von zwei weiteren Treibern über Takt- und Richtungssignale (S/D) sehr einfach eine 3-Achs-Steuerung aufbauen“, erläutert Vertommen. Zusätzlich erleichtert wird die Programmierung durch unterschiedliche Softwareoptionen. Der Step Rocker lässt sich über die vom Hersteller entwickelte Programmiersprache TMCL über die PC-basierte Entwicklungsumgebung TMCL-IDE ansteuern. Damit ist es möglich, die Schrittmotorsteuerung durch einzelne Befehle fernzusteuern oder komplette Programme zu erstellen und herunterzuladen. Alternativ lässt sich auch der eingesetzte Samsung Mikrocontroller komplett selbst programmieren. Alle dazu erforderlichen Softwaretools, Bibliotheken und Anwendungsbeispiele stehen unter www.steprocker.com zum kostenlosen Download zur Verfügung.

Schrittmotoren werden „grün“

„Durch die Technologie von Trinamic wird der Einsatz von Schrittmotoren für viele Anwender technisch und wirtschaftlich noch interessanter“, fasst Vertommen zusammen. Neben der Präzision, Zuverlässigkeit und einfachen Anwendung überzeugen Schrittmotoren so auch unter wirtschaftlichen und ökologischen Gesichtspunkten durch eine spürbar verbesserte Energieeffizienz und die Möglichkeit, den Motor sensorlos und mit geringer Verlustleistung bis zu seiner Leistungsgrenze zu nutzen. jg