3 Möglichkeiten zur Steuerung von Motoren für präzise Bewegungen bei der Positionierung von Förderbändern

Eric Rice | 15. November 2018

Motoren dienen als integrale Bestandteile von Bewegungssteuerungssystemen für Industrieförderanlagen. Typischerweise arbeiten Förderanwendungen entweder mit konstanter oder variabler Geschwindigkeit und erfordern lediglich eine Geschwindigkeitsregelung durch einen Hauptantriebsmotor. Positionierungsförderer, wie sie beispielsweise für automatische Kontrollwaagen verwendet werden, erfordern eine präzisere Steuerung. Bei diesen Anwendungen muss der Hauptantrieb das Positionierungsband mit mittlerer bis hoher Präzision starten und stoppen.

Während Gleich- und Wechselstrommotoren häufig zur Aufrechterhaltung der Geschwindigkeitskontrolle bei Förderanwendungen mit fester oder konstanter Geschwindigkeit eingesetzt werden, bieten Schritt- und Servomotoren präzisere Positionierungsmöglichkeiten für Förderbänder, die eine präzisere Bewegung erfordern. Schrittmotoren sind oft der Motor der Wahl, während Servomotoren zahlreiche Vorteile für anspruchsvollere Bewegungen bieten.

Schrittmotoren arbeiten normalerweise im offenen Regelkreis und bieten die Vorteile der Einfachheit, der hervorragenden Positionierung und der Wirtschaftlichkeit. Wenn Schrittmotoren mit geschlossenem Regelkreis jedoch mit einem Feedback-Mechanismus – etwa einem integrierten hochauflösenden Encoder – konfiguriert sind, liefern sie Geschwindigkeits- und Positionsinformationen zurück an den Antrieb/die Steuerung. Das hohe Drehmoment und die schnelle dynamische Reaktion von Systemen mit geschlossenem Regelkreis erfüllen die Anforderungen leistungsstarker Positionierungsförderer.

Geschwindigkeit, Drehmoment, Genauigkeit und Größe sind wichtige Parameter, die bei der Auswahl des richtigen Motors für eine Förderbandanwendung berücksichtigt werden müssen. Motorenlieferanten können das Fachwissen und die Werkzeuge bereitstellen, um Sie bei der Auswahl des richtigen Designs für Ihre Anwendung zu unterstützen.

Nachdem Sie den richtigen Motor spezifiziert haben, folgt als nächstes die Auswahl einer geeigneten Motorsteuerungsmethode. Hier sind drei der beliebtesten Methoden zur Steuerung von Schritt- und Servomotoren, die bei der Positionierung von Förderbändern verwendet werden.

1. Pulskontrolle

Die digitale Impulssteuerung, auch Schritt- und Richtungssteuerung genannt, ist eine gängige Methode zur Steuerung von Schritt- oder Servomotoren. Die digitale Impulssteuerung ist eine gute Option, wenn die primäre SPS oder Steuerung in der Maschine über einen oder mehrere Hochfrequenzausgänge verfügt, beispielsweise 20 Kilohertz (kHz) oder mehr.

Für die Schritt- und Richtungssteuerung ist eine Mindestimpulsausgangsfrequenz von 20 kHz erforderlich. Während viele Benutzer möglicherweise 100 kHz oder mehr verwenden möchten (viele Controller bieten Frequenzen von bis zu 2 oder 3 Megahertz oder MHz), erhöhen diese Hochfrequenzausgänge die Systemkosten. Verwenden Sie Ausgänge mit niedrigerer Frequenz, indem Sie einen Schrittantrieb oder einen integrierten Schrittmotor mit Microstep-Emulation implementieren. Dieser leistungsstarke Fortschritt in der Schrittmotortechnologie ermöglicht einen reibungslosen Mikroschrittbetrieb, selbst wenn Motoren Niederfrequenz-Impulsausgänge verwenden.

Abbildung 1: Dieses Impulssteuerungsdiagramm zeigt, wie die Primärsteuerung SCHRITT- und RICHTUNGSsignale an die Motorachse ausgibt.

Die Konfiguration dieses Steuerungsschemas (siehe Abbildung 1 oben) umfasst die Verbindung des Impulsausgangs der SPS mit dem Schritteingang des Motorantriebs oder des integrierten Motors. Ein zweiter, impulsloser Ausgang ist mit dem Richtungseingang verbunden. Die Anzahl und Frequenz der an den Schritteingang übertragenen Impulse bestimmen die Verfahrlänge bzw. Geschwindigkeit des Förderers. Das Signal (High oder Low) am Richtungseingang bestimmt die Fahrtrichtung – vorwärts oder rückwärts. Für ein reibungsloses Starten und Stoppen des Förderers muss die SPS/Steuerung die Impulsfrequenz schrittweise erhöhen und verringern, um gleichmäßige Beschleunigungen und Verzögerungen zu erzeugen. Ohne diese Fähigkeit ruckelt das Förderband beim Starten und Stoppen.

2. Geschwindigkeitsregelung mit Analogeingang

Die Verwendung einer Variation diskreter Eingangs-/Ausgangssignale (I/O) mit einem oder zwei digitalen Eingängen plus einem analogen Eingang ist ein weiteres beliebtes Schema zur Steuerung von Schritt- und Servomotoren mit Positionierungsförderern.

In dieser Konfiguration ist Run/Stop der erste digitale Eingang. Wenn Run/Stop eingestellt ist, erreicht der Motor automatisch die Zielgeschwindigkeit und läuft mit dieser. Wenn der Run/Stop-Eingang zurückgesetzt wird, bremst der Motor bis zum Stillstand ab. Da Motorbeschleunigung und -verzögerung bei der Inbetriebnahme der Achse in der Software konfiguriert werden, werden sie von der Achse automatisch gesteuert. Ein zweiter digitaler Eingang kann die Richtung steuern (vorwärts/rückwärts).

Während die Zielgeschwindigkeit des Motors in der Software auf einen festen Wert konfigurierbar ist, entscheiden sich viele Benutzer dafür, die Geschwindigkeit mit einem analogen Signal zu steuern (siehe Abbildung 2 unten).

Abbildung 2: Dieses Geschwindigkeitssteuerungsdiagramm zeigt, wie die Primärsteuerung die digitalen Signale RUN/STOP und DIRECTION sowie ein ANALOG-Signal als Geschwindigkeitsreferenz für die Motorachse bereitstellt.

Diese Option bietet dem Maschinenkonstrukteur viel mehr Flexibilität. Indem die Motorachse so konfiguriert wird, dass ihre Zielgeschwindigkeit entsprechend dem Spannungspegel am Analogeingang der Motorachse ins Verhältnis gesetzt wird, kann der Maschinenkonstrukteur die Zielgeschwindigkeit des Förderers für verschiedene Prozessbedingungen genau steuern. Einige Bedingungen erfordern möglicherweise, dass das Förderband schneller läuft als andere. Viele Antriebe und integrierte Motoren verfügen über mindestens einen Analogeingang, der 0 bis 5 Volt oder bis zu +/- 10 Volt akzeptiert. Die analoge Geschwindigkeitsregelung ist eine effektive Methode zur Steuerung der Position und Geschwindigkeit des Förderers mit einer minimalen Anzahl von E/A-Punkten. Dieses Steuerungsschema lässt sich einfach in der Primärsteuerung programmieren.

3. Netzwerkkontrolle (verteilte Kontrolle)

Die Netzwerksteuerung bietet dem Benutzer die größte Flexibilität, insbesondere für diejenigen, die einige der Steuerungsfunktionen lieber auslagern möchten. Die Netzwerksteuerung (siehe Abbildung 3 unten) umfasst eine permanente serielle oder Feldbusverbindung zwischen der Primärsteuerung und dem Motorantrieb oder integrierten Motor. Diese Verbindung ersetzt alle oder die meisten diskreten E/A-Signale, die in den beiden vorherigen Methoden verwendet wurden.

Abbildung 3: Dieses Netzwerksteuerungsdiagramm zeigt die Netzwerkverbindung zwischen der Primärsteuerung und der Motorachse. Die Netzwerkverbindung kann eine serielle Schnittstelle wie RS-232, RS-485 oder Ethernet oder ein Industriestandardprotokoll wie EtherNet/IP, Modbus oder CANopen sein.

Viele Antriebe und integrierte Motoren auf dem Markt unterstützen heute Netzwerkschnittstellen für RS-232, RS-485, Ethernet TCP und Ethernet UDP sowie EtherNet/IP, Modbus und CANopen. Jede dieser seriellen Schnittstellen eignet sich für Einzelachsenanwendungen, bei denen der primäre Controller nur eine Achse steuern muss. Allerdings funktioniert RS-232 nicht für Mehrachsenanwendungen, wenn mehr als eine Achse gesteuert wird.

Sobald eine Netzwerkverbindung hergestellt ist, werden alle Befehle vom Primärcontroller an die Motorachse über die Netzwerkverbindung gesendet. Die genauen Details der Befehle variieren je nach Verbindungsmethode. Zu Diskussionszwecken konzentriert sich dieser Artikel auf das Senden von SCL-Befehlen (Si Command Language) über eine RS-232- oder RS-485-Verbindung.

Einfache und benutzerfreundliche SCL-Befehle werden mit zwei Buchstaben definiert und folgen einer einfachen Syntax, die von Programmierern leicht übernommen werden kann. Die Syntax zum Streamen eines SCL-Befehls über eine RS-232- oder RS-485-Verbindung kann wie folgt dargestellt werden:

FL20000

In diesem Beispiel lautet der Befehl FL, was für Feed To Length steht und einen inkrementellen oder relativen Bewegungsbefehl darstellt. Die Zahl 20000 ist der Distanzparameter für diesen Befehl und gibt 20.000 Bewegungsschritte an. Bei einem Schrittmotor entspricht jedes Inkrement einem Schritt, während bei einem Servomotor jedes Inkrement einer Encoderzählung entspricht. Das Symbol am Ende der Zeichenfolge symbolisiert einen Wagenrücklauf (ASCII 13), der das Ende der Befehlszeichenfolge kennzeichnet. Nach Erhalt dieser Befehlszeichenfolge bewegt die Motorachse das Förderband um eine Strecke von 20.000 Inkrementen vorwärts.

Der SCL-Befehlssatz enthält zusätzliche Befehle für Geschwindigkeit, Beschleunigung und Verzögerung sowie für Bewegungen sowohl in Vorwärtsrichtung (positiv) als auch in Rückwärtsrichtung (negativ). In SCL stehen mehr als 100 Befehle zur Verfügung, darunter Befehle für absolute Bewegungen, Referenzfahrten und Registrierungsbewegungen. Ein Wörterbuch der SCL-Befehle finden Sie in der Host Command Reference.

Um auszuwählen, welches der Steuerungsschemata für Ihre Positionierungsfördereranwendung das richtige ist, berücksichtigen Sie die Anforderungen an Position und Geschwindigkeit sowie den Typ und die vorhandenen Funktionen der Primärsteuerung oder SPS, die bereits in Ihrer Maschine vorhanden ist. Das Hinzufügen eines Schritt- und Richtungssteuerungsmoduls zu Ihrer SPS oder Steuerung ist einfach. Wenn die Funktion bereits vorhanden und verfügbar ist, ist die Pulssteuerungsmethode eine gute Wahl. Die Pulssteuerung sorgt für eine genaue Positionierung.

Wenn nur eine einfache Start-/Stopp- und Richtungssteuerung erforderlich ist, ziehen Sie das analoge Steuerungsschema in Betracht. Wie erläutert, ist dieses Schema jederzeit um ein analoges Signal zur Variation der Fördergeschwindigkeit erweiterbar. Beachten Sie, dass die Genauigkeit des Geschwindigkeitssteuerungsschemas zur Positionierung des Förderers (Starten und Stoppen) auf dem Zeitpunkt des Setzens und Zurücksetzens des Start-/Stopp-Eingangs basiert.

Wenn Ihre SPS oder Steuerung schließlich über eine Netzwerkverbindung verfügt, bietet die Netzwerksteuerung eine hochpräzise Positionierung sowie die Möglichkeit, den Status der Motorachse abzufragen. Die Möglichkeit, die Motorachse nach Informationen abzufragen – wie z. B. Motorfehler- und Alarmstatus – kann für die Aufrechterhaltung der Zuverlässigkeit des Maschinenbetriebs von Vorteil sein.

Eric Rice ist Anwendungstechniker und Marketingleiter bei Applied Motion Products. Das 1978 gegründete Unternehmen ist auf hochpräzise und kostengünstige Produkte zur Bewegungssteuerung spezialisiert. Erreichen Sie Rice unter [email protected].

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