Schrittmotoren gelten seit Langem als kosteneffiziente und bewährte Antriebslösung, wenn es um bürstenlosen Betrieb und robuste Bewegungsaufgaben geht. Traditionell kommt dabei die Mikroschrittsteuerung im offenen Regelkreis zum Einsatz. Die Anforderungen an leistungsfähige Maschinenlösungen steigen jedoch, sodass sich zunehmend die fortschrittlichere Closed-Loop-Schrittmotortechnologie verbreitet. Entsprechend dafür ausgelegte Motoren finden heute ihren Platz auch dort, wo hohe Beschleunigungen und Zuverlässigkeit gefragt sind, etwa in Textilmaschinen, Spulenwicklern oder der Fertigung elektronischer Baugruppen.
Grundlagen und Unterschiede von Schrittmotoren
Kern eines Schrittmotors ist meist eine Zweiphasen-Konstruktion, bei der die Motorspulen elektrisch angesteuert werden und das Statorfeld erzeugen. Ein typischer 1,8°-Schrittmotor verfügt über 200 Vollschritte pro Umdrehung. In der neuen Motorgeneration für Closed-Loop-Anwendungen werden zunehmend 3,6°-Schritte gewählt. Das Bewegungsprinzip basiert auf dem Zusammenspiel von Rotor- und Statorflusswinkeln, wodurch ein sinusförmiges Kraftprofil entsteht. Mikroschrittbetrieb positioniert den Rotor in eine Gleichgewichtslage – die Tiefe des Krafttals hängt dabei unmittelbar vom Spulenstrom ab. Kommt Bewegung ins Spiel, verschiebt der Controller die Phase des Stators, worauf der Rotor folgt.
Bei der Open-Loop-Technik steht die Einfachheit im Vordergrund, allerdings gehen damit technische Einschränkungen einher. Die Stabilität des Rotors um den Absetzpunkt ist begrenzt, was zu Schwingungen insbesondere bei abrupten Änderungen führen kann. Hinzu kommt eine erhöhte Wärmeentwicklung, da der Motor dauerhaft mit hohem Strom angesteuert werden muss, um Schrittverluste unabhängig von der tatsächlichen Last zu vermeiden. Die Steuerung ist nicht in der Lage, sich dynamisch an den Betriebszustand anzupassen – Effizienzverluste und Erwärmung sind die Folge.
Closed-Loop-Technik: präzise und effizient
Die Einführung der Closed-Loop-Technologie wirkt diesen Nachteilen entgegen. Durch den Einsatz eines Encoders wird die tatsächliche Rotorposition kontinuierlich erfasst. Die Steuerung regelt den Statorstrom adaptiv über eine PID-Schleife, woraus ein effizienterer und dem Bedarf angepasster Stromfluss resultiert. Die Selbsterwärmung des Motors sinkt und das System kann auf Abweichungen sofort reagieren: Positionsfehler lassen sich gezielt kompensieren, der Motor erreicht unabhängig von seiner Grundcharakteristik eine hohe Positionsgenauigkeit – limitiert nur durch die Encoder-auflösung, die heute auch in preisgünstigen Segmenten hohe Werte bietet. In der Intralogistik ist die Maximierung der Lagerkapazität entscheidend. Kompakte Sensoren spielen dabei eine Schlüsselrolle: Höchste Leistung in kompakter Bauform schafft mehr Platz für die Ware, denn die Technik macht sich klein. ‣ weiterlesen
Intralogistik: Neue Baumer ToF-Sensoren machen sich klein
Dynamisch spielt der geschlossene Regelkreis weitere Vorteile aus. Die erzielbaren Beschleunigungen sind im Vergleich zur klassischen Mikroschritttechnik mit offenem Regelkreis etwa zwei- bis dreimal höher. Voraussetzung dafür sind nicht nur die Rückführung und Regelung, sondern auch eine gezielte Verringerung der Rotormasse – etwa durch dünne Scheibenkonstruktionen – und die Erhöhung der Polzahl für maximiertes Drehmoment. Die Steuerung muss hohe Aktualisierungsraten liefern, um Kommutierungswinkel, PID-Schleife und Feldorientierte Regelung (FOC) zeitnah zu steuern. Moderne Steuerungslösungen erreichen bis zu 20.000 Regelzyklen pro Sekunde, was die Praxistauglichkeit auch in schnellen Anwendungen ermöglicht.
Ein Beispiel zeigt, dass ein für den Closed-Loop-Betrieb ausgelegter 3,6°-Schrittmotor innerhalb von 4,25ms aus dem Stillstand auf Maximalgeschwindigkeit und wieder zurück beschleunigt, ohne dass der Positionsfehler nennenswert ansteigt. Tools zur Echtzeitdatenerfassung, wie das Pro-Motion Softwarepaket, liefern dabei eine genaue Analyse des Zusammenspiels von Sollwert, Positionsabweichung und Systemspannung. Digitale Souveränität in der Automation: Fraunhofer IOSB-INA entwickelt einen KI-Assistenten für die SPS-Programmierung. ‣ weiterlesen
Automatisierung neu gedacht
Marktbreite und technische Auswahl
Die Verfügbarkeit hochauflösender, zugleich erschwinglicher Encoder hat die Einstiegshürde für Closed-Loop-Schrittmotoren gesenkt. Während früher hohe Auflösungen nur für Spezialanwendungen infrage kamen, sind sie heute auch wirtschaftlich in breiteren industriellen Segmenten einsetzbar, etwa in der Medizintechnik oder für wissenschaftliche und laborbasierte Geräte, in denen geringe Wärmeentwicklungen und hohe Positioniergenauigkeit entscheidend sind.
Für die Auswahl der passenden Steuerungskomponente sind insbesondere geforderte Aktualisierungsraten ausschlaggebend. Diverse Motion-Control-ICs unterstützen 10.000 und mehr Zyklen pro Sekunde, was ihre Integration in schnelle industrielle Anwendungen ermöglicht. Dies macht die Technologie sowohl für klassische als auch für neue Applikationsbereiche attraktiv – von der Elektronikfertigung bis zum Hochgeschwindigkeitsaktuator.
Die Entscheidung zwischen offenem und geschlossenem Regelkonzept sollte letztlich immer anhand individueller Anforderungen an Beschleunigung, Genauigkeit, Energieeffizienz und Kosten erfolgen. Fortschritte in Motor- und Sensortechnik eröffnen dabei immer neue Gestaltungsmöglichkeiten für die Automatisierung.
