Umstieg auf DC-Antriebe: Zuverlässige Alternative zu AC-Servos in der industriellen Motion Control

Wechselstrom (AC)-getriebene Servosysteme sind nicht mehr die einzige zuverlässige Option für industrielle Motion Control, da Fortschritte bei Gleichstrom (DC) Schritt- und Servomotoren und -Antrieben robuste Alternativen bieten. Während viele traditionelle Niedervolt-DC-Antriffe die Anforderungen rauer Werksumgebungen nicht bewältigen können, ändern moderne Hochleistungsantriebe diese Situation zum Besseren.

Unterschiede zwischen Schritt- und Servomotoren

Bevor man AC- mit DC-Systemen vergleicht, gibt es wichtige Unterschiede zwischen Schritt- und Servomotoren. Die Anwendungslücke zwischen Schritt- und Servomotoren und -Antrieben schließt sich schnell, da Fortschritte in der Schrittantriebsgenauigkeit ihre Verwendbarkeit stark erhöhen. Dennoch schließen wesentliche Leistungsunterschiede den Einsatz von Schrittmotoren in den anspruchsvollsten Anwendungen aus.

Am bemerkenswertesten liefern Schrittmotoren hohes Drehmoment bei niedriger Drehzahl, dieses nimmt jedoch mit steigender Drehzahl erheblich ab. Servomotoren hingegen halten konstantes Drehmoment über das gesamte Drehzahlspektrum, was sie hervorragend für die Ausführung von Sicherheitsfunktionen wie sicherheitsbegrenztes Drehmoment (SLT) und Geschwindigkeit (SLS) mit aktivem Bremsen macht.

Schrittmotoren bieten Mittel für Safe-Torque-Off (STO) Sicherheitssteuerung und können typischerweise Open-Loop betrieben werden, was bedeutet, dass kein Encoder oder Resolver erforderlich ist. Servomotoren liefern höhere Drehzahl, Beschleunigung und Genauigkeit als Schrittmotoren, kosten aber mehr und erfordern einen Encoder für präzise Positionierrückführung.

Moderne Schrittmotoren: Annäherung an analoge Leistung

Obwohl technisch diskret aufgrund ihrer inkrementellen Bewegungen bei jedem konsistenten Puls, nähern sich die 50 bis 100 Pole pro Umdrehung moderner Schrittmotoren der Leistung analoger kontinuierlicher Positionierung und Geschwindigkeit. Dies macht Schrittmotoren zu einer brauchbaren Alternative zu Servomotoren in vielen Anwendungen.

Vorteile moderner Niedervolt-DC-Antriebe

Während mittel- bis hochspannungs AC-Frequenzumrichter und Servoantriebe viele Bedürfnisse auf einem typischen Werksboden erfüllen, ist AC-Strom manchmal für bestimmte Anwendungen nicht verfügbar oder inakzeptabel. Am bemerkenswertesten betrifft dies batteriebetriebene und menschliche-Kontakt-Anwendungen, wie Magnetresonanztomographie (Abbildung 1), bei denen Roboter oder Cobots eingesetzt werden.

Zusätzlich können moderne Niedervolt-DC-Antriebe (Abbildung 2) andere Anwendungen verbessern, da sie kompakter und effizienter als traditionelle AC-Systeme sind, schnelle Motor-Beschleunigung und -Verzögerung bieten und typischerweise weniger kompliziert zu konfigurieren sind. Im Gegensatz zu Consumer-Geräten sind sie industriell gehärtet, um extremen Temperaturen, Vibrationen und elektrischem Rauschen standzuhalten.

Sicherheitsfunktionen

Bei Einsatz in Sicherheitssystemen können Ingenieure die hardverdrahtete STO-Funktionalität von Niedervolt-Schrittantrieben nutzen, um Drehmoment- oder kraftproduzierende Energie direkt vom Motor abzuschneiden. DC-Servoantriebe sind sicherheitsbereit mit konfigurierbarem SLT und SLS. Diese Antriebe bieten eine Motordaten-Sammelschnittstelle, die kompatiblen Controllern ermöglicht, Motorstatus gemäß der Programmierumgebung zu verarbeiten und darauf zu reagieren. Eine SPS, die mit dem Antrieb kommuniziert, steuert die Motorbewegung durch software-eingebettete Technologieobjekte für nahtlose Integration mit dem Rest des Automatisierungssystems (Abbildung 3).

Wartungsarmut und Langlebigkeit

DC-Schrittantriebe und -motoren enthalten relativ wenige Komponenten, während elektronisch kommutierte DC-Servomotoren den Vorteil haben, keine Verschleißteile wie Lüfter oder Bürsten zu besitzen. Diese Attribute helfen sowohl DC-Schritt- als auch Servosystemen, über lange Zeiträume mit minimaler Wartung standzuhalten. Beide Antriebstypen eignen sich gut für eine breite Palette von variablen Drehzahl-, Positionier-, Synchronachsen- und Getriebeanwendungen.

In vielen Fällen schauen Ingenieure und Designer zuerst auf traditionelle AC-Antriebe für industrielle Anwendungen. Aber extra-niedervoltige industrielle DC-Schritt- und Servoantriebe bieten zuverlässige und hochkonfigurierbare Motorsteuerung und erfüllen, wenn sie richtig ausgewählt sind, industrielle Anwendungsbedürfnisse.

Dieser Artikel wurde von Kevin Wu, SIMATIC Motion Controller Product Marketing Manager für Siemens Industry, Norcross, GA verfasst. Für weitere Informationen besuchen Sie hier.