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Encoder Magnetische Multiturn-Encoder für Schrittmotoren

| Autor/ Redakteur: Jörg Paulus* / Jan Vollmuth

Schrittmotoren rücken in Sachen Performance näher an deutlich aufwändigere Servoantriebe heran. Möglich machen dies neue magnetische Stepper Kits, die sich als montagefreundliche Feedbacksysteme in marktgängige Motoren integrieren lassen. Sie liefern absolute Positionsdaten und Multiturn-Funktionalität zu attraktiven Kosten – energieautark und wartungsfrei.

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Kompakt und montagefreundlich: Mit ein paar Handgriffen sind die Stepper Kits von Posital in einem beliebigen Schrittmotor installiert.
Kompakt und montagefreundlich: Mit ein paar Handgriffen sind die Stepper Kits von Posital in einem beliebigen Schrittmotor installiert.
(Bild: Posital)

Echte Klassiker: Schrittmotoren gehören zu den populärsten und kostengünstigsten Basis-Komponenten, wenn es um offene Regelkreise zur Positionssteuerung geht. Die einfach und kompakt aufgebauten Gleichstrommotoren haben einen breiten Anwendungsbereich, von kleinen Werkzeugen und Geräten über Drucker bis hin zu Fahrzeugen. Im industriellen Umfeld werden sie etwa für klassische Positionieraufgaben in Maschinen oder für schnelle Pick-&-Place-Prozesse genutzt.

Positionieren in kleinsten Schritten

Gesteuert werden sie über das schrittweise rotierende elektromagnetische Feld der Statorspulen: Der Rotor bewegt sich mit jedem Impuls um einen klar definierten Schritt bzw. Winkelversatz vorwärts. Üblich sind bis zu 200 Schritte pro Umdrehung, wobei auch Motoren mit 400 oder mehr Schritten erhältlich sind. Durch Mikroschrittbetrieb ist ein Auflösungsvermögen von unter 0,1 Grad erreichbar.

Obwohl Schrittmotoren prinzipiell ohne Feedback-System positionieren können, kommen oft einfache optische Inkrementalgeber zum Zug: Diese Low Cost Encoder gleichen typische Schwachstellen der Schrittmotoren aus. Durch Erfassen und Bereitstellen von Winkelwerten kompensieren sie Schrittverluste, etwa durch zu hohe Lastmomente.

Magnetische Feedback-Systeme für Schrittmotoren

Stepper Kit: Footprint in Anlehnung an die NEMA-Vorgaben (im Bild mit lötfreier JST-Verbindung).
Stepper Kit: Footprint in Anlehnung an die NEMA-Vorgaben (im Bild mit lötfreier JST-Verbindung).
(Bild: Posital)

Was mit den inkrementalen Kits angestoßen wurde, setzt der Kölner Sensor-Hersteller Posital mit den neuen Stepper-Kits konsequent fort. Die auf der SPS 2018 vorgestellten magnetischen Feedback-Systeme wurden ursprünglich für Servo-Antriebe konzipiert. Die handlichen Montage-Kits bieten Absolut- und Multiturn-Funktionalität in einem energieautarken, batterielosen und von Rechenpower getriebenen Gesamtpaket, speziell abgestimmt auf die spezifischen Vorgaben für Schrittmotoren. Die Stepper Kits heben das Performance-Level deutlich an: Das Ergebnis reicht von besserem Rundlaufverhalten über mehr Transparenz bei den Steuerungsprozessen bis zu mehr Qualität bei der eigentlichen Positionieraufgabe.

Die Kits lassen sich in allen marktgängigen Schrittmotoren installieren. Dabei greifen die Vorgaben des US-Verbandes NEMA (National Electrical Manufacturers Assocation), die traditionell die Normung bei Stepperantrieben bestimmt. Footprint und mechanische Anbindung sind so ausgelegt, dass die Posital-Kits als direkter Drop-In-Ersatz für die klassischen Inkremental-Encoder genutzt werden können. Quasi aus dem Stand ermöglichen die Stepper Kits, wahlweise mit M12-Steckern und JST-Verbindungen sowie mit Nabendurchmessern von 4 bis 10 mm erhältlich, das Aufrüsten von Schrittmotoren zu vollwertiger absoluter Positionssteuerung bei gleichzeitiger Multiturn-Fähigkeit.

Kleines Paket, schnell montiert

Absolutgeber können einer Weg- und Winkelposition jederzeit einen eindeutigen Positionswert zuordnen und diesen sicher speichern – auch bei Stromausfall. Während sie beim Singleturn-Betrieb einen Messbereich von 360 Grad überwachen, erfolgt das Multiturn-Monitoring über eine Vielzahl von Rotationen.

Wiegand-Sensoren: Autarkes Energy-Harvesting-System für den batterielosen Betrieb des Rotationszählers bei Multiturn-Einsätzen.
Wiegand-Sensoren: Autarkes Energy-Harvesting-System für den batterielosen Betrieb des Rotationszählers bei Multiturn-Einsätzen.
(Bild: Posital)

Bei den magnetischen Stepper Kits, die mit 17-Bit-Singleturn- und 16-Bit-Multiturn-Auflösung aufwarten, sind sämtliche Komponenten in einem kompakten Elektronikpaket mit 37 mm Durchmesser untergebracht. Das Paket wird mit zwei Schrauben auf der Welle des Motors fixiert. Während die Hall-Sensoren über das rotierende Magnetfeld die Singleturn-Position erfassen, werden die Umdrehungen über einen energieautarken Rotationszähler festgehalten. Für Power sorgen Impulse aus einem von Posital selbst gefertigten Wiegand-Draht für cleveres Energy-Harvesting.

BUCHTIPPDas Buch „Industriesensorik“ beschreibt die Entwicklung und die praktische Anwendung der wichtigsten Sensoren. Durch anwendungsbezogene Fehleranalysen von Messsystemen, Sensoren und Sensorsystemen, jeweils ergänzt durch viele detaillierte, vollständig durchgerechnete Anwendungsbeispiele, eignet sich das Buch nicht nur für Studenten, sondern auch für Ingenieure und Techniker verschiedener Fachrichtungen.

Die kontaktfreie, weil magnetische Abtasttechnik verfügt – außer dem Permanentmagnet – über keine beweglichen Teile, ist extrem stoß- und vibrationsresistent und trotzt Schmutz oder Feuchtigkeit. Der integrierten elektronischen Kalibrierfunktion reicht es, wenn die Motorwelle kurz mit konstanter Geschwindigkeit gedreht wird. Dabei werden die für jeden Motor individuellen Eigenheiten erfasst und in der Software hinterlegt. Als Schnittstellen stehen SSI und BiSS C zur bidirektionalen Kommunikation bereit.

Jörg Paulus ist General Manager, Sales – Europe, bei Posital in Köln
Jörg Paulus ist General Manager, Sales – Europe, bei Posital in Köln
(Bild: Posital)

Mit den neuen Stepper-Kits will Posital nicht nur den OEM-Markt ansprechen, sondern primär den Anwender: Die kostengünstigen Kits lassen sich einfach nachrüsten und verwandeln einen simplen Schrittmotor in ein Kraftpaket.

* Jörg Paulus, General Manager, Sales – Europe, Posital, Köln

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