Elektrotechnisches Institut Elektrische Antriebe und Grundlagen der Elektroenergietechnik Prof. Dr. P. Büchner

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1 Stellantriebe und Schrittantriebe als Aktuatoren in der Mechatronik Besonderheiten der Stellantriebe Übersicht Die Einteilung von Bewegungen, die von elektrischen Antrieben erzeugt werden sollen, erfolgt in: 1. Rotations- oder Translationsbewegungen, die vorrangig zum Überwinden des Widerstandsmomentes M w der Antriebsstrecke dienen (z. B.: in Be- und Verarbeitungsmaschinen, Werkzeugmaschinen). Die Drehzahlsteuerung dient hier zur Anpassung der vom Motor abgegebenen mechanischen Leistung an die Antriebsstrecke. Der dazu notwendige Drehzahlstellbereich ist oft gering und reicht selten über 1 : 10 hinaus. Da diese Antriebsaufgabe oft die Hauptaufgabe eines Antriebssystems ist, der noch andere Aufgaben zugeordnet sind, wird z. B. vom Hauptantrieb einer Werkzeugmaschine gesprochen. Der Schwerpunkt bei der Auslegung liegt auf dem guten Wirkungsgrad der Energiewandlung. 2. Rotations- oder Translationsbewegungen, die vorrangig zur Positionierung von Werkstücken, Werkzeugen oder Maschinenteilen in der Antriebsstrecke dienen (z. B. Antriebe für Roboterachsen, Vorschubantriebe von Werkzeugmaschinen, Walzenanstellung in Walzgerüsten). Antriebe dieser Kategorie heißen Stellantriebe. Stellantriebe benötigen einen extrem hohen Drehzahlstellbereich (bis 1 : 10000). Bei ihnen liegt der Schwerpunkt bei der Auslegung in einer guten Genauigkeit und Dynamik ( = Güte) des Bewegungsvorgangs (Motion Control). AKT-V5erg.doc 10/2005 Bü 1

2 Anforderungen an Servoantriebe Elektrotechnisches Institut Der Leistungsbereich ist auf etwa 30 kw nach oben begrenzt. Da Servoantriebe nicht für Dauerbetrieb entworfen werden, sondern normalerweise im Aussetzbetrieb mit oft auch sehr geringen relativen Einschaltdauern (ED, t r ) betrieben werden, ist eine Angabe der Leistung nicht vorrangig. Entscheidender ist das vom Servoantrieb abgegebene Bemessungs-Drehmoment M b und die kurzzeitige Drehmomentüberlastung (M max /M b ) in Kombination mit der maximalen Drehzahl N max sowie dem Drehzahlstellbereich, der für Servoantriebe beide Drehrichtungen und die Drehzahl Null einschließen muss. Eine Angabe, bis zu welcher unteren Drehzahl welche Rundlaufgenauigkeiten möglich sind, sollten Prospektangaben ergänzen. Für die Lage- oder Winkelpositionierung sind Angaben über die Auflösung der Position wichtig. Folgende Bemessungsdaten können für aktuelle Servoantriebe als Richtwerte angesehen werden: Bemessungs-Drehmoment M b : bis 200 Nm (in Grenzfällen auch 500 Nm) Drehmomentüberlastbarkeit M max /M b : hohes Beschleunigungsvermögen (dω/dt max = M max /J ges ), woraus als Merkmal für die Konstruktionen der Bewegungsachsen folgt, dass die Motoren selbst und die angeschlossene Konstruktion (Getriebe, Kupplungen) möglichst trägheitsarm (FI klein) und möglichst steif ausgeführt sein sollen. hohe dynamische Grenzleistung mit der Definition (Änderung der Leistung L = M max dω /dt max ) obere Drehzahl N max : min -1 Auflösung der Position der Motorwelle: max Schritte entspricht untere Drehzahl für einen ausreichenden Rundlauf: 0.01 min -1 Reproduzierbarkeit einer Linearbewegung nach dem Getriebe: 0.1 µm AKT-V5erg.doc 10/2005 Bü 2

3 Mechanische Anpassung des Getriebes für Stellantriebe Annahmen: starres Einmassensystem aus Motor, Getriebe und Antriebsstrecke (J M, J G, J A, ω M, ω A, ) Übersetzungsverhältnis: i = ω M / ω A Getriebeträgheitsmoment ist in J A enthalten der Antrieb wird ohne Reibung betrieben (M w = 0) Übersetzungsverhältnis i = ω M /ω A dω M mm Mw = Jges Bewegungsgleichung: dt Für M w = 0 ergibt sich die ausführliche Bewegungsgleichung m = m = J dω + J ω dω = J + J 1 dω M A M M M dyn M A M A 2 dt ωm dt i dt 2 Motor (J M ) M M, ω M ω A Antriebsstrecke (J A ) Unter der Annahme, dass die Werte für i 0 und dω M /dt 0 sind, kann eine Extremwertbetrachtung von m M (i) angestellt werden. Dazu wird zuerst die Gleichung mit i multipliziert. 1 dωm mm i= JM i+ JA i. Die Ableitung von m M i nach i ergibt: dt d{mm i} 1 dmm 2 JA = 0 = JM JA J 2 M = JA 1/i0 i0 =. di i dt J AKT-V5erg.doc 10/2005 Bü 3 M

4 Zahlenbeispiel Eine Antriebsstrecke mit der Trägheit J A = 10 Nms 2 /2π soll vom Stillstand auf die Drehzahl N A = 500 min -1 beschleunigt werden. Das benötigte Reibungsmoment soll vernachlässigt werden (M A = 0!). Als Motor steht ein Stellmotor mit Regelverhalten zur Verfügung, der eine Trägheit von J M = 1 Nms 2 /2π besitzt. Die maximale Solldrehzahl beträgt 4000 min -1 und das Begrenzungsmoment M beg = 100 Nm. Als Getriebeübersetzungen stehen zur Verfügung: i = N M /N A : 2.00; 3.16; 5.00; 7.00 Berechnen Sie die Hochlaufzeiten t an des leerlaufenden Regelantriebs mit allen Getrieben. Allgemein gilt: t an 2π Jges N = M beg Getriebes berechnet werden müssen. soll, wobei die Trägheit J ges und die Drehzahl N soll unter Beachtung des Tabelle der Ergebnisse für N A = 500 min -1 ; J A = 10 Nms 2 /2π; J M = 1 Nms 2 /2π und FI = J ges /J M ; N soll max = 4000 min -1 Übersetzung i i 0 = N soll / min J ges / Nms 2 /2π factor of inertia FI t an / s AKT-V5erg.doc 10/2005 Bü 4

5 Daraus folgt das optimale Übersetzungsverhältnis i o, mit dem sich ein minimales Motormoment bei gegebenem Trägheitsfaktor FI für eine gewünschte Beschleunigung des Antriebs oder eine minimale Anlaufzeit t an bei gegebenem Motormoment M M ergibt. Das minimale Motormoment ergibt sich dann zu dω m M dyn0 = mm0 = 2 JM, (FI = 2). Dieser Fall entspricht dem Fall der Anpassung in der elektrischen Welt dt (R i = R a ), wenn die maximale Leistung an den Abnehmer abgegeben werden soll. Achtung, beim Entwurf von Stellantrieben ist auf mechanische Anpassung zu achten! Konstruktionen von Stellantrieben Ausführung der Stellmotoren in schlanker Bauform ( Nudelholzmotoren ) Integration von Stellglied (Umrichter) und Motor in den Antriebsstrang Integration der Drehzahl und Lagemesser in den Stellmotor (platzsparend und kostengünstig) Der Trend führt hin zu bürstenlosen wartungsarmen Antrieben mit PM-SM in der Ausführung als BLDC-Motor oder als fremdgeführter DS-Synchronantrieb. Kostenvorteile bietet der PM-Gleichstrommotor nur noch bei Antrieben mit kleinen Drehmomenten (< 1 Nm). Schrittantriebe halten bestimmte Einsatzgebiete bei harten Kostenvorgaben, geringeren Drehmomenten (< 10 Nm) und nicht zu hohen Drehzahlen (< 1500 min -1 ) besetzt (Servoantriebe im KFZ). Es ist immer auch an den Direktantrieb ohne Getriebe und den Linear-Direktantrieb zu denken, der große Steifigkeiten des mechanischen Systems verspricht. AKT-V5erg.doc 10/2005 Bü 5

6 Konstruktionen von Stellantrieben Elektrotechnisches Institut Querschnitt eines Stellmotors (PM-SM) Vergleich von Trägheit und Masse der Arten von Stellmotoren Besonders geeignet: Permanenterregte DS-PM-SM (Geringe Erwärmung und hoher Wirkungsgrad, Wegfall des störanfälligen und wartungsintensiven Kommutator-Bürsten-Systems gegenüber der Gleichstrommaschine, erheblich höhere Zuverlässigkeit des Stellantriebs). AKT-V5erg.doc 10/2005 Bü 6

7 Antriebslösungen für Stellantriebe Elektrotechnisches Institut 1. Servoantrieb mit feldorientierter Regelung und DS-ASM oder DS-PM-SM NSR MSR N-Stellbereich: 1 : 200 U d i s N-Genauigkeit, M statisch: ±0.01 % 3 C d SRM dynamisch: ±0.30 % M-Anregelzeit: ms BrCh PI PI i s IGR M-Linearität: ±4 % M-Wiederholbarkeit: ±5 % i q,i d ϑ BrCh: Bremschopper SRM: Stromkomponentenmodell i d soll PI i q soll N-Reg. ω NSR: Netz-SR, MSR: Motor-SR soll 2. Servoantrieb mit elektronisch kommutiertem Gleichstrommotor (BLDC) PM-DS-SM mit NSR MSR Läuferlagegeber (LL) U d i s M Block- oder Sinusbestromung 3 BrCh C d U-Zwischenkreis für kleine Leistungen I-Zwischenkreis für größere Leistungen (Stromrichtermotor) ϕ soll PI L-Reg. ϕ ist ω soll ω ist PI N-Reg. PI I-Reg. AKT-V5erg.doc 10/2005 Bü 7 # LL IGR

8 Antriebslösungen für Stellantriebe Elektrotechnisches Institut 3. Servoantrieb mit PM-Gleichstrommotor und Vier-Quadaten-Pulssteller 3 NSR BrCh C d M Vier-Quadranten-Steller U-Zwischenkreis mit BRCh o. Rückspeisung im NSR kaskadierte Lage-, Drehzahl und Stromregelungen ω ist # PI i ist i soll Ansteuerung PI Encoder oder Resolver als Drehzahl- und Lagesensor ω soll P ϑ soll -ϑ ist 4. Servoantrieb mit Schrittmotor in einer offenen Steuerkette AKT-V5erg.doc 10/2005 Bü 8

9 Antriebslösungen mit Schrittantrieben Schrittmotor (Stepper motor): Elektrotechnisches Institut - Sind speziell für Stellaufgaben konstruierte elektrische Maschinen kleiner Leistung, die definierte Schritte mit einem Schrittwinkel α S (α S 0, ) ausführen können. - werden zur schnellen und exakten Positionierung mechanischer Systeme eingesetzt. - werden mit einem Wechselrichter gespeist (gezieltes Ein- und Ausschalten einzelner Wicklungen mit elektrischen Impulsen sprungförmig umlaufendes Magnetfeld) Vorteile des Schrittmotors: - kostengünstig für kleine Vorschubgeschwindigkeiten - hohe Positionierungsgenauigkeit - Ansteuerung erfolgt in einer Steuerkette, kein Wegmess-System erforderlich Nachteile des Schrittmotors: - begrenzter Drehzahlsprung ( Start-Stopp-Frequenz) - kleine Leistung - Startfrequenz und damit Beschleunigung begrenzt AKT-V5erg.doc 10/2005 Bü 9

10 Aufbau von Schrittmotoren - Grundsätzlichen Aufbau wie Synchronmotor aber mit sehr kleiner mechanischer Zeitkonstante - Arbeitsweise nach dem Reluktanzprinzip (unterschiedliche Induktivitäten in Längs- u. Querachse des Schrittmotors) oder mit Permanenterregung (siehe Synchronantriebe). Bild: Prinzipieller Schrittmotorenaufbau als Einständertyp oder Mehrständertyp AKT-V5erg.doc 10/2005 Bü 10

11 Ständeraufbauvarianten (als Einständer- oder Mehrständerausführung) 1) Mit ausgeprägten Zähnen und jeweils eigener Wicklung pro Zahn (Mindestens drei Wicklungen für eine eindeutige Drehrichtung) 2) Als Klauenpoltyp (einfache Ringspule im Umfang und abwechselnd Zähne mit elektrisch erregten N- und S-Polen) a) b) c) N S a) Mehrständer-Klauenpoltyp b) Einständer-Reluktanztyp c) Einständer-Hybridtyp mit Mikroverzahnung AKT-V5erg.doc 10/2005 Bü 11

12 Läuferaufbau: Viele Läufervarianten bekannt, die sich aber auf drei Grundtypen zurückführen lassen: - Reluktanztyp (Reluktanzschrittmotor, Variable-reluctance motor, VR-Motor): unerregter Läufer, nur magnetische Vorzugsrichtungen (Zähne und Nuten). Die Zähnezahl im Läufer ist ungleich der Zähnezahl im Ständer. Vorteile: Einfacher Aufbau, kostengünstig Nachteile: Vergleichsweise geringes Drehmoment, kein Rastmoment (Weicheisenkern bildet selbst keine magnetischen Pole aus), geringer Wirkungsgrad, größere Schwingungsneigung Bild: Prinzipieller Aufbau eines VR-Schrittmotors (Reluktanztyp) - Permanentmagnettyp: Zylindrischer, permanentmagneterregter Läufer mit radialer Magnetisierung. Vorteile: Große Haltemomente Nachteil: Große Schrittwinkel (Es kann nur eine begrenzte Zahl von magnetischen Polen nebeneinander angeordnet werden) Bild: Prinzipieller Aufbau eines PM-Schrittmotors AKT-V5erg.doc 10/2005 Bü 12

13 - Hybridtyp (Hybridschrittmotor): Axial magnetisierter Läufer, der von zwei gezahnten Polkappen umschlossen ist. Beide Polkappen sind um eine halbe Polteilung verdreht, so dass sich immer ungleichnamige Pole anziehen. Bild: Prinzipieller Aufbau eines Hybridschrittmotors Vorteile: Vereint die Vorzüge von Reluktanz- und Permanentmagnet-Schrittmotor, energetisch günstigste Motor mit höchsten Leistungsparametern, auch Mikroschrittbetrieb möglich durch weitere Verzahnung des Läufers (s. Foto) am weitesten verbreitet AKT-V5erg.doc 10/2005 Bü 13

14 Wichtige Kenngrößen des Schrittmotors Elektrotechnisches Institut Startfrequenz f A0 : Die Frequenz, bei der antriebsdynamische Vorgänge (Hochlauf, Stillsetzen) oder Start-Stopp-Betrieb ohne Schrittverlust ausgeführt werden kann. maximale Startfrequenz f A0,max bei M L = 0 Betriebsfrequenz f B, für den ein kontinuierlichen Betrieb mit f B > f A maximale Frequenzänderung f/ t max : Die Frequenzänderung, um von der Startfrequenz zur Betriebsfrequenz oder von der Betriebsfrequenz zum Stillstandsfrequenz zu kommen Typische Parameter von Schrittmotoren: Parameter Klauenpol-Schrittmotor Reluktanz- Schrittmotor Hybrid- Schrittmotor Schrittwinkel α s / Haltemoment M H /cnm max. Startfrequenz f A0,max / khz max. Betriebsfrequenz f B0,max / khz AKT-V5erg.doc 10/2005 Bü 14

15 Ansteuerung von Schrittmotoren Ansteuertechniken: Unipolar- und Bipolarbetrieb. Elektrotechnisches Institut Unipolare Erregung (rechts): Für einfache Ansteuerungen. Am Mittelabgriff der Spule liegt die Versorgungsspannung fest an, und wird abwechselnd immer an ein Spulenende nach Masse gezogen. Die Entregung der Wicklung kann hierbei nur sehr langsam erfolgen. Geringer Schaltungsaufwand da nur eine Schalttransistor. Für kleinere Drehmomente und Drehzahlen, bevorzugt in älteren Ausführungen Bipolare Erregung (links): Spulen werden mit einer H-Brücke für jede Motorwicklung mit bipolaren Transistoren und Freilaufdioden im Vier-Quadranten-Betrieb umgepolt. Relativ hoher Schaltungsaufwand, bevorzugt in moderneren Ausführungen. AKT-V5erg.doc 10/2005 Bü 15

16 1. Vollschrittbetrieb von Schrittmotoren (Normalbetrieb) + - T 1 T 4 Phase A T 2 T 5 T 3 T 8 Phase B Phase A T 7 T 6 Es werden immer zwei nebeneinander liegende Spulenpaare gleichzeitig bestromt. Es ergeben sich vier unterschiedliche Schritt- positionen (siehe Schaubild) pro Umlauf. 2. Vollschrittbetrieb (Wavedrive-Betrieb): Hier wird immer nur ein Spulenpaar bestromt. Die Leistungsaufnahme und damit auch das S N Drehmoment sind im Vergleich zum Normalbetrieb geringer. Die resultierenden vier Schrittpositionen liegen zwischen denen aus 1). Schrittwinkel im Vollschrittbetrieb: i A Φ 1 Phase B 2 π α S =, m = Strangzahl 2m Φ S1 + U d i A S2 i B AKT-V5erg.doc 10/2005 Bü 16

17 HALBSCHRITTBETRIEB T 1 T 2 T 5 T 7 T1 T3 S1 = 0 T2 T4 S1 = 1 3. Halbschritt-Betrieb: Kombination aus Normalund Wavedrive-Betrieb. Es wird wechselweise eine, bzw. zwei Spulen bestromt. T 4 Phase A T 3 T 8 Phase B T 6 T5 T6 S2 = 0 T 7 T 8 S2 = 1 Schritt Es ergeben sich 8 Schrittpositionen. Daher kommt die Bezeichnung Halbschritt, da der physikalische Schrittwinkel des Motors halbiert wird. Schrittwinkel im Halbschrittbetrieb: π 2m α S =, Kennlinien von Schrittmotoren Startfrequenz f A von Belastung M L Leerstartfrequenz von FI Betriebsfrequenz f B von Belastung M L AKT-V5erg.doc 10/2005 Bü 17

18 z Elektrotechnisches Institut t Betriebsverhalten von Schrittantrieben α/α s z α/α s t t t Kenngrößen des Schrittmotors sind seine Startfrequenz f A, seine maximale Startfrequenz f A0m bei M L = 0 und seine Betriebsfrequenz f B, wobei f B > f A ist. Die Startfrequenz kennzeichnet die Frequenz, bei der antriebsdynamische Vorgänge (Hochlauf, Stillsetzen) ohne Schrittverlust ausgeführt werden können. So erfolgt z.b. der Hochlauf des Antriebs aus dem Stillstand mit einer Startfrequenz f A, die danach auf die wesentlich höhere Betriebsfrequenz f B anwachsen kann, wenn eine bestimmte maximale Frequenzänderung f/ t max eingehalten wird. z α/α s 2 t 1 0 t AKT-V5erg.doc 10/2005 Bü 18