Ein Gleichstrommotor mit Positionserfassung wird als Servomotor bezeichnet. Typisch für DC-Servomotoren sind der gleichmäßige, schwingungsfreie Betrieb, ein weiter Geschwindigkeitsbereich und hohe Drehmomente bei geringer Geschwindigkeit. Um die Eigenschaften bestmöglich zu nutzen, benötigt man eine Motorsteuerung mit proportionaler, integraler und differentieller (PID-) Regelung und geeigneten Filtern. Der Servomotor bietet viele Vorteile wie gute Dynamik, schnelles Ansprechen, hohe Momente bei kleinen Drehzahlen, geringe Wärmeentwicklung und wenig Vibration.
DC-Servomotoren benötigen eine Betriebsspannung bis zu 12 VDC. Die Rotationsgeschwindigkeit des Motors ist direkt proportional zur Spannung, das Vorzeichen bestimmt die Stellrichtung. Zur wiederholbaren Positionierung ist ein zusätzliches Messsystem erforderlich.
Bürstenloser DC-Motor
Zunehmend setzt PI elektronisch kommutierte, bürstenlose DC-Motoren ein. Hohe Drehmomente erreichen dabei optimierte Hohlwellen oder Torquemotoren. Gleichzeitig kann damit der Antriebsstrang bei gleichbleibendem Stellweg kürzer gebaut werden, denn die Antriebswelle ist innerhalb des Motors untergebracht.
DC-Motoren mit ActiveDrive
DC-Motorantriebe haben verschiedene Vorteile, z. B. gute dynamische Eigenschaften mit einem weiten Regelbereich, hohes Drehmoment bei geringen Drehzahlen, geringe Wärmeerzeugung und Vibrationsarmut bei hoher Positionsauflösung. Die Kosten für einen leistungsfähigen linearen Verstärker sind jedoch üblicherweise höher als bei Schrittmotoren. Das ActiveDrive System reduziert diesen Aufwand erheblich, indem ein im PWM-Modus (Pulsweitenmodulation) getriebener Servoverstärker mit im Motorgehäuse integriert ist. Die Betriebsspannung von meist 24 V für ActiveDrive Motoren wird von einem separaten Netzteil bereitgestellt, das bereits im Lieferumfang enthalten ist. Das ActiveDrive Konzept hat viele Vorteile:
- Höherer Wirkungsgrad durch Ausschaltung von Leistungsverlusten zwischen Verstärker und Motor
- Geringere Kosten, kompakterer Aufbau und höhere Zuverlässigkeit, weil kein extern verkabelter Verstärker benötigt wird
- Vermeidung von Störstrahlung, weil Verstärker und Motor zusammen in einem geschirmten Gehäuse montiert sind
Schrittmotorantriebe
Im Gegensatz zu DC-Motoren nehmen Schrittmotoren nur diskrete Positionen innerhalb einer Umdrehung ein. Da diese Schritte einen konstanten Abstand haben, kann über deren Anzahl eine Position kommandiert werden, ohne dass ein Positionssensor erforderlich ist. Üblich sind 200 bis 1000 Vollschritte pro Motorumdrehung. Die tatsächlich erreichbare Schrittweite wird von der Schrittmotorsteuerung bestimmt, die je nach Ausführung bis zu mehrere Hunderttausend Mikroschritte zwischen den Vollschritten elektronisch interpoliert.
PI setzt laufruhige 2-Phasen-Schrittmotoren ein. Schrittmotoren haben eine hohe Lebensdauer und sind im Vergleich zu DC-Motoren besonders bei Anwendungen mit geringerer Dynamik und im Vakuum gut geeignet. Ein mechanischer Dämpfer auf der Motorwelle, der gleichzeitig als Handrad dient, unterstützt die Laufruhe. Wenn die Position gehalten werden soll, müssen Schrittmotoren ohne selbsthemmendes Getriebe permanent bestromt werden. Das kann ein Positionszittern zwischen den Schritten und die Erzeugung von Wärme zur Folge haben.
SMC Controller Technologie für geregelte Schrittmotor-Versteller
Die Ansteuerungstechnik der SMC Schrittmotorsteuerungen bewirkt einen besonders ruhigen Lauf der Motoren. Das Ergebnis ist eine sehr hohe Positionsauflösung, gleichmäßiger Vorschub und ein weiter Dynamikbereich der Geschwindigkeit und Beschleunigung. Die Effizienz der SMC Steuerungen ist sehr hoch, was die Erwärmung der Motoren vermeidet. SMC Controller basieren auf einem 32-Bit-Prozessor mit hochauflösenden Endstufen, die eine Positionsauflösung bis in den Nanometerbereich ermöglichen. In Kombination mit Hochpräzisionsmechaniken werden gleichmäßige Vorschubgeschwindigkeiten deutlich unter 1 μm/s erreicht. Das Beschleunigungsprofil kann statt linear als sin2-Profil gewählt werden, sodass ruckfreie Beschleunigungs- und Abbremsphasen möglich sind. Wenn eine stabile Langzeitpositionierung gefragt ist, werten SMC Schrittmotorcontroller auch Positionsmesssysteme aus und regeln präzise. Die Auswertung eines analogen 1-V-Spitze-Spitze-Wertes erlaubt die hochgenaue, stufenlose Einstellung der Position, ohne Limitierung durch eine bitgebundene Digitalwandlung.
SMC Controller stehen in unterschiedlichen Ausführungen, vom einkanaligen Kompaktgerät bis zu Mehrachsen-Steuerung im 19-Zoll-Gehäuse zur Verfügung.
Abb. 1 zeigt 100 nm Schritte eines Linearverstellers PLS-85 mit 2-Phasen-Schrittmotor ohne zusätzliche Positionsrückmeldung. Diese Schritte führt der Versteller sehr präzise aus. Bei Kommandierung von 25-nm-Schritten (Abb. 2) treten mehr Variationen in den einzelnen Schritten auf. Im Mittel liegen die Abweichungen nur um ±5 nm.
Positionsregelung
Das Positionsverhalten für kleine Schritte kann noch weiter verbessert werden durch die Verwendung einer Positionsregelung, insbesondere wenn zur Auswertung das analoge Ausgangssignal eines hochauflösenden Sensors verwendet wird. SMC Controller können Sensorauflösungen bis 2 nm verarbeiten, die Positionsauflösung ist also nur durch den Sensor vorgegeben. Allerdings sind die Umgebungseinflüsse nicht zu vernachlässigen: Die Schwankung der Umgebungstemperatur um nur 0,01 °C bewirkt bereits eine thermisch bedingte Ausdehnung des Verstellers um etwa 10 nm. Bei Bedarf kommen Ultrapräzisionsversteller zum Einsatz oder spezifische Entwicklungen wie Versteller auf Granitbasis mit entsprechend hochauflösenden Linearencodern.
Abb. 3 zeigt die gemessene kleinste Schrittweite eines LS-110 Verstellers mit Linearencoder. Die 50 nm Auflösung ist deutlich erkennbar in klar abgegrenzten Stufen. Selbst Lastwechsel beeinflussen diese Positionsgenauigkeit nicht.
Geschwindigkeitsregelung
Einer der bestimmenden Parameter für die Auswahl eines Positioniersystems ist die Geschwindigkeit. Oft geht es dabei um die höchste erreichbare Geschwindigkeit, aber einige Anwendungen erfordern eine speziell langsame und gleichmäßige Vorschubbewegung. Das ist sowohl für Schrittmotoren aber auch für DC-Motoren eine große Herausforderung. Die Geschwindigkeitsregelung der SMC Controller erreicht eine hervorragende Geschwindigkeitskonstanz des Verstellers im Bereich von <<1 μm/s. Eine höhere Encoderauflösung verbessert die Ergebnisse noch weiter. Abb. 4 zeigt Messergebnisse eines PLS-85 Verstellers mit integriertem Linearencoder mit 10 nm Auflösung. Die Geschwindigkeit war auf 100 nm/s eingestellt, was einem Vorschub von 360 μm pro Stunde oder ca. 10 mm pro Tag entspricht. Die Bewegung ist sehr gleichmäßig. Die abgebildeten einzelnen Schritte sind auf die Interferometer-Auflösung von 5 nm zurückzuführen.
Die Qualität der Führungen und des Antriebsstrangs limitiert normalerweise die erreichbare Positioniergenauigkeit. Eine Nichtlinearität der Spindelsteigung führt beispielsweise zu einer Abweichung von der kommandierten Position. In einigen Anwendungen ist es wichtig, die absolute Positionsgenauigkeit zu verbessern, während die bidirektionale Wiederholgenauigkeit weniger relevant ist. Die Fehlerkorrektur im SMC Controller speichert die gemessene Abweichung und korrigiert dann die Zielposition entsprechend. Abb. 5 zeigt die Positionsabweichung von 32 μm zwischen Soll- und Ist-Position eines LS-180 über den Stellweg von 100 mm. Die Messung enthält beide Verfahrrichtungen, die bidirektionale Wiederholgenauigkeit liegt im Mittel bei 1,78 μm.
Das Ergebnis zeigt Abb. 6: Die Abweichung ist deutlich verringert und beträgt nur noch um ±1,5 μm. Die Wiederholgenauigkeit kann durch eine Positionsregelung weiter verbessert werden.
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