Auswahl der besten Stromversorgung für Ihre Schritt- oder Servomotoranwendung

Für Bewegungssteuerungsanwendungen gelten im Vergleich zu den meisten Anwendungen einige besondere Anforderungen. Zwei davon sind besonders einzigartig: 1) Sie haben einen Spitzenstrombedarf, der im Vergleich zum Durchschnittsbedarf typischerweise sehr hoch ist, und 2) die Motoren fungieren oft eher als Generator als als Last und pumpen Strom in die Stromversorgung, statt sie zu entnehmen es (regenerierte Energie oder „Regeneration“).

Wenn Sie eine Gleichstromversorgung für Ihre Schritt- oder Servomotoranwendung benötigen, haben Sie die Wahl zwischen drei Typen: 1) ungeregelte lineare Massenversorgungen; 2) geregelte PWM-Schaltnetzteile (SMPS oder PWM-Umschalter); oder 3) hybride, geregelte Resonanzmodusversorgungen.

In diesem Artikel werden die technischen Überlegungen erläutert, die speziell für die Bewegungssteuerung gelten, und die drei Arten von Netzteilen verglichen.

Bei der Auswahl einer Stromversorgung ist es wichtig, die besonderen Anforderungen einer Bewegungssteuerungsanwendung zu berücksichtigen. Bei Beschleunigungen können motorische Antriebe schnell große Mengen an Leistung aufnehmen. Darüber hinaus können Motoren beim Abbremsen eine Rückspeisung erzeugen und Strom zurück in die Stromversorgung speisen (dh sie fungieren als Generatoren), was bedeutet, dass die Stromversorgung den daraus resultierenden Spannungsanstieg bewältigen muss. Hochdynamische Bewegungsanwendungen (solche mit großen Trägheitslasten, schnellen Beschleunigungen/Verzögerungen und hohen Spitzengeschwindigkeiten) stellen hohe und schnelle Stromanforderungen an die Stromversorgung.

Bei der Auswahl des besten Netzteils sind viele weitere wichtige Faktoren zu berücksichtigen, die nicht speziell mit der Bewegungssteuerung zusammenhängen. Einige davon sind besonders wichtig für OEM-Maschinenkonstrukteure, die die Kosten ihres Produkts minimieren und einen zuverlässigen Betrieb unter einer Vielzahl von Betriebsbedingungen gewährleisten möchten.

Erforderliche Leistung (Spitze und Durchschnitt): Eine Pumpanwendung, die im Allgemeinen mit einer festen oder sich langsam ändernden Drehzahl und einem festen Drehmoment läuft, verbraucht eine Spitzenleistung, die ziemlich nahe an der durchschnittlichen (Dauer-)Leistung liegt. Eine Pick-and-Place-Maschine hingegen weist mit vielen Starts und Stopps bei hoher Beschleunigung einen weit über dem Durchschnitt liegenden Spitzenleistungsbedarf auf. Für ein gut konzipiertes System müssen Sie die Spitzen- und Durchschnittsleistungsaufnahme aller Achsen zusammen berücksichtigen (was normalerweise nicht einfach die Summe der Anforderungen der einzelnen Achsen ist). Eine mehrachsige Maschine mit Achsen mit überlappenden Bewegungsprofilen (dh die Achsen können gleichzeitig beschleunigen) benötigt wahrscheinlich viel mehr Spitzenleistung als Maschinen, bei denen sich jeweils nur eine Achse bewegt.

DC-Ausgangsspannungspegel: Angenommen, Sie wollen die niedrigsten Gesamtkosten für die mechanische Leistung, die Ihre Anwendung benötigt, und Sie verwenden Motoren im Bereich von 100 bis 750 Watt (Bruchteil-PS), dann liegt die optimale Spannung bei 65–85 Volt Gleichstrom. Viele Menschen möchten eine 24-Volt-Stromversorgung verwenden, weil diese sehr leicht zu finden ist oder weil ihre Anwendung bereits 24 Volt benötigt (für Sensoren und andere Komponenten). Viele Motoren können mit einer 24-Volt-Stromversorgung betrieben werden. Warum also nicht 24 Volt verwenden? Der Hauptgrund dafür ist, dass die Erhöhung der vom Motor bereitgestellten Busspannung (bis zu einem bestimmten Punkt) die kostengünstigste Möglichkeit ist, mehr Motorleistung zu erhalten. Die mechanische Leistung von der Welle eines Motors bei einer bestimmten Drehzahl ist die Drehzahl multipliziert mit dem Drehmoment. Die maximale Drehzahl eines Motors hängt direkt von seiner Versorgungsspannung ab. Das Drehmoment, das Sie von einem Motor erhalten können, ist proportional zum Strom, den Sie durch seine Wicklungen fließen lassen, der wiederum auch durch die Versorgungsspannung begrenzt ist. Um also die maximale Leistung aus einem bestimmten Motor (Drehzahl × Drehmoment) herauszuholen, muss die zugeführte Spannung erhöht werden. Bei jeder gegebenen Spannung dreht sich ein Motor schneller, wenn die Statorspulen des Motors weniger Kupferdrahtwindungen aufweisen. Und mit weniger Windungen können Sie dickere Drähte verwenden, die einen geringeren Widerstand haben und mehr Strom pro Volt liefern.

Umgekehrt: Warum nicht wirklich Hochspannung verwenden? Bei Motoren mit mehr als 1–2 PS wäre es unpraktisch, keine Hochspannung zu verwenden, aber bei Motoren mit geringerer Leistung bringt die Verwendung von Hochspannung eine Reihe von Sicherheits- und Regulierungsproblemen mit sich, die die Projektkomplexität erhöhen und die Kosten erhöhen. Bei Verwendung einer Versorgung im 75-V-Gleichstrombereich ist der Strom, der zum Erreichen einer Motorleistung von bis zu 1–2 PS erforderlich ist, nicht hoch genug, um die oben beschriebenen Widerstandsverluste und Probleme mit der Kupferfüllung zu befürchten. Und bei 75 VDC ist es ziemlich einfach und kostengünstig, die elektrischen Sicherheitsvorschriften einzuhalten. Möglicherweise können Sie eine Spannung verwenden, die nicht optimal ist, und dennoch die benötigte mechanische Leistung erhalten, müssen dann aber wahrscheinlich einen größeren und teureren Motor verwenden.

Lastregelung/Ausgangsspannungssteifigkeit: Die Ausgangsspannung von Netzteilen sinkt bis zu einem gewissen Grad, wenn die Belastung des Netzteils zunimmt. Das Ausmaß der Durchhängung hängt von der Art der Versorgung, der Qualität der Konstruktion und der Belastungsmenge ab. Wenn die Ausgangsspannung der Versorgung abnimmt, nimmt die maximal verfügbare Motorwellenleistung ab. Motorantriebe fungieren als Leistungswandler, sodass ein gewisser Spannungsabfall vorübergehend vom Antrieb ausgeglichen werden kann, da er einfach mehr Strom zieht, um den Motorantrieb mit der erforderlichen Leistung zu versorgen. Da jedoch durch die Statik die dem Motor zugeführte Spannung verringert wird, verringert sich auch die maximale Motorleistung.

Netzteile mit zu starkem Spannungsabfall können zu Motorpositions- und Geschwindigkeitsfehlern führen. Bei einem ausreichend hohen Statikverlust verliert ein Schrittmotor Schritte und ein Servo kann aufgrund eines übermäßigen Momentanfehlers abschalten.

Zeilenregulierung: Weltweit gibt es eine große Bandbreite an Nennwechselspannungen; Sie variieren je nach Standort, Tageszeit und Auslastung des Stromnetzes. Geregelte Netzteile verkraften im Allgemeinen alle angemessenen Änderungen der Wechselstromnetzspannung gut – sie haben normalerweise nur sehr geringe Änderungen der Ausgangsspannung. Aber der Ausgang einer ungeregelten Versorgung, wie z. B. einer linearen Massenversorgung, ändert sich proportional zur Änderung der Eingangsleitungsspannung. Wenn Ihre Maschine die volle Ausgangsspannung benötigt, um ihre Zielmotorgeschwindigkeit zu erreichen, und bei voller Netzspannung getestet wurde, kann es sein, dass Sie eine böse Überraschung erleben, wenn die Maschine unter niedrigen Netzbedingungen betrieben wird.

Ein hoher Netzwechselstromzustand kann auch bei Anwendungen ohne Netzregulierung ein Problem darstellen. Die meisten Motorantriebe schützen sich selbst vor Überspannungsbedingungen. Wenn jedoch die DC-Busspannung einer ungeregelten Versorgung aufgrund einer hohen AC-Leitung ansteigt, arbeitet Ihr Antrieb nun näher an seiner Überspannungsgrenze. Dies verringert den Designspielraum in Bezug auf regenerative Energie, da die Regeneration auch dazu führt, dass die vom Motorantrieb erfasste Spannung erhöht wird.

Unterstützung der Regenerationssteuerung: Alle Elektromotoren erzeugen eine Gegenspannung (Gegen-EMK), wenn sie ein Drehmoment entgegen der Bewegungsrichtung erzeugen (z. B. beim Abbremsen). Diese Regeneration pumpt Strom zurück in die Versorgung und erhöht die Gesamtbusspannung. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, mit diesem umgekehrten Stromfluss umzugehen.

Sie können Kapazitäten parallel zum Versorgungsausgang hinzufügen, um als Reservoir zu fungieren, das diese regenerierte Energie aufnimmt und zur späteren Wiederverwendung speichert, wenn Strom aus der Versorgung entnommen werden muss. Ein großer Ausgangskondensator nimmt Platz ein, ist relativ teuer und hat im Vergleich zu anderen elektronischen Bauteilen eine relativ kurze Lebensdauer. Das Problem der Lebensdauer kann durch die Wahl eines Kondensators mit einer deutlich höheren Nennspannung als der Nennversorgungsspannung gemildert werden. Wenn Ihre Achse oder Maschine eine erhebliche Rückspeisung erzeugt, müssen Sie möglicherweise einen speziellen Rückspeisekreis in Betracht ziehen, um den Strom durch einen Lastwiderstand zu leiten und die überschüssige Energie abzubrennen. Sie können auch einen separaten Ausgangskondensator mit zugehöriger „Sperrdiode“ und/oder einen Rekuperationssteuerkreis mit zugehörigem Last-„Brems“-Widerstand integrieren. Der Kondensator fungiert passiv, um einen Teil der regenerierten Energie zu absorbieren (und bei Bedarf wieder bereitzustellen).

Diese zusätzlichen Komponenten (Abbildung 1) verursachen zusammen mit der erforderlichen Verkabelung höhere Kosten, eine komplexere Verkabelung und nehmen mehr Platz im Schaltschrank ein. Darüber hinaus kann der Bremswiderstand so heiß werden, dass er ein Sicherheitsrisiko darstellt, und es können Maßnahmen erforderlich sein, um Verletzungen des Benutzers zu verhindern. Der Ausgangskondensator benötigt möglicherweise eine zusätzliche Schaltung, um zu verhindern, dass der Einschaltstrom Ihren Leistungsschalter beim Einschalten auslöst, sowie eine Schaltung, um die gespeicherte Energie beim Ausschalten abzulassen.

Größe/Stellfläche: Größe und/oder Formfaktor sind für die meisten Maschinenbauer wichtig und das Netzteil für die Bewegungssteuerung ist häufig eine der größten Komponenten in einem Schaltschrank. Elektronische Schränke oder Gehäuse (insbesondere wenn sie für raue Umgebungen ausgelegt sind) sind teuer, sodass kleinere Vorräte und weniger Komponenten den Platzbedarf und die Kosten senken.

Einschaltstromschutz: Der Einschaltstrom ist der anfängliche, momentane Strom, den eine Komponente aufnimmt, wenn sie zum ersten Mal eingeschaltet wird. Ungeladene Kondensatoren verbrauchen zu Beginn des Ladevorgangs viel Strom. Der Einschaltstrom für ein Gleichstromnetzteil kann um ein Vielfaches größer sein als der stationäre Eingangsstrom. Ohne Einschaltstrombegrenzungsschaltungen können Netzteile beim Einschalten ordnungsgemäß dimensionierte Schutzschalter auslösen oder Sicherungen durchbrennen.

Kosten: OEM-Maschinenbauer können besonders sensibel auf Kosten reagieren, da diese mit zunehmendem Maschinenvolumen an Bedeutung gewinnen. Es ist wichtig, die Kosten und den Arbeitsaufwand zu berücksichtigen, die mit der Integration zusätzlicher elektrischer Komponenten (z. B. eines externen Rekuperationssteuerkreises, einer Sperrdiode, eines Bremswiderstands oder zusätzlicher Kondensatoren) verbunden sind.

Ungeregelte, lineare Netzteile– Das Bulk-Linear-ungeregelte Netzteil ist eines der einfachsten Netzteile auf dem Markt und besteht aus drei Hauptkomponenten:

Transformator: Der Primärtransformator wandelt die Eingangs-AC-Netzspannung in eine alternative AC-Spannung um (typischerweise den endgültigen, gewünschten DC-Spannungspegel). Sie nehmen viel Platz ein und ihre Stahllamellen und Kupferwicklungen sind schwer.

Vollweg-Brückengleichrichter: Der Brückengleichrichter ist eine Anordnung von Dioden (normalerweise in einem Gehäuse), die die negative Halbwelle der AC-Ausgangsspannung des Transformators in eine positive Spannung umwandelt. Der Ausgang des Gleichrichters hat die doppelte Frequenz des Eingangswechselstroms, jedoch nur positive Polarität.

Kondensator: Die Kapazität speichert Energie, sodass die Ausgangsspannung nicht zu stark absinkt, selbst wenn Sie während der Phase des Wechselstromeingangs, in der die Spannung niedrig ist, Strom aus der Versorgung ziehen.

Bulk-Linear-Netzteile bieten eine Reihe von Vorteilen. Sie sind einfach, elektrisch leise und stellen eine leicht verfügbare Stromquelle dar. Zu den Nachteilen gehört eine stärkere Spannungswelligkeit als bei den meisten Konstruktionen, da die AC-Eingangsspannung relativ lange deutlich unter der DC-Ausgangsspannung liegt. Wenn die Spannung zu stark absinkt, verfügt der Schritt- oder Servomotor nicht über genügend Spannung, um sich mit der erforderlichen Geschwindigkeit zu drehen.

Diese Netzteile sind relativ groß und schwer, was den Einbau in eine kompakte Maschine erschwert. Nicht alle Bulk-Linear-Netzteile sind gut für die Rückspeisung geeignet. Die von einem Motor zurückgegebene Energie lädt den Ausgangskondensator auf und erhöht so die DC-Ausgangsspannung.

Bulk-lineare ungeregelte Netzteile (Abbildung 2) sind in der Regel „nüchterne“ Geräte und verfügen nicht über zahlreiche nützliche Funktionen anderer Netzteile, wie z. B. Diagnose-LEDs oder die Entladung gespeicherter Energie beim Ausschalten. Außerdem sind die meisten Bulk-Linearversorgungen nicht gekapselt, sodass Sie eine Art Gehäuse anfertigen müssen, wenn in Ihrer Anwendung ein Schutz vor Stößen für den Benutzer oder ein mechanischer Schutz der Schaltkreise wichtig ist.

Geregelte Schaltnetzteile – Ein geregeltes Schaltnetzteil (Abbildung 3) umfasst eine Steuerelektronik, die die Ausgangsspannung unabhängig von der Last auf dem angegebenen Niveau hält. Schalter enthalten aktive Schaltkreise und sind komplizierter als ihre massenlinearen, ungeregelten Gegenstücke. Schalter regeln ihre DC-Ausgangsspannung aktiv mithilfe einer Technik namens „Pulsweitenmodulation“ (PWM) und Rückkopplung.

Der Vorteil von Schaltnetzteilen besteht darin, dass sie unabhängig von der Last eine nahezu konstante Spannung erzeugen, da sie über aktive Schaltkreise zur Regelung der Ausgangsspannung verfügen. Solange Sie sie innerhalb ihres angegebenen Strombereichs verwenden, werden Sie unter Last keinen großen Spannungsabfall feststellen. Dies kann einen erheblichen Leistungsvorteil gegenüber unregulierten Netzteilen bieten.

Umschalter haben ein kleineres Volumen und sind leichter als ungeregelte Netzteile. Ihre Transformatoren sind deutlich kleiner und die Ausgangskapazität ist viel geringer. Die meisten Schaltnetzteile akzeptieren direkt einen weiten Bereich von AC-Eingangsspannungen, normalerweise 100 bis 240 VAC, mit Netzfrequenzen von 50 bis 60 Hz. Ein ordnungsgemäß spezifizierter Umschalter löst im Allgemeinen keine Leistungsschalter aus, wenn der Strom eingeschaltet wird. Die meisten Umschalter verfügen außerdem über eine Art Überlastschutz; Sie schalten sich automatisch ab, wenn die Last zu anspruchsvoll ist, und liefern keinen Gleichstrom-Ausgangsstrom, bis Sie den Wechselstrom-Eingangsstrom zum ersten Mal aus- und wieder einschalten.

Schaltnetzteile haben mehrere Nachteile. Switcher haben im Allgemeinen eine geringe Spitzenkapazität. Bewegungsanwendungen erfordern Spitzenleistung für die Dauer der Beschleunigung der Last; Dies dauert normalerweise viel länger als die Zeit, die ein Schaltnetzteil Spitzenleistung liefern kann. Im Vergleich zur Ausgangsregelung eines Umschalters wird der Spannungsabfall einer ungeregelten Bulk-Linear-Versorgung normalerweise als Nachteil angesehen; Es ermöglicht Ihnen jedoch, für kurze Zeiträume wesentlich mehr Leistung zu ziehen (gut geeignet für Beschleunigungsabschnitte eines Bewegungsprofils).

Alle Elektromotoren erzeugen regenerative Energie, wenn sie ein Drehmoment mit entgegengesetztem Vorzeichen zur Bewegungsrichtung liefern. Der Motor gibt diese Energie an den Gleichspannungsausgang des Netzteils zurück und erhöht so die Spannung. Schaltnetzteile verfügen nicht über eine ausreichende Ausgangskapazität oder einen separaten Bremskreis, um diese Energie aufzunehmen und/oder abzuleiten.

Obwohl also PWM-Schaltnetzteile eine Reihe von Nachteilen für den Einsatz in Bewegungsanwendungen haben, können sie erfolgreich sein, insbesondere in Anwendungen mit kontinuierlicher Belastung (z. B. Pumpen und Mischer) im Gegensatz zu Anwendungen mit höherem Spitzenbedarf (z. B. Achsmaschinen mit häufigen Motorbeschleunigungen und -verzögerungen).

Hybrid-Netzteile für die Steuerung von Schritt- oder Servomotoren – Um die typischen Spitzenlasten bewältigen zu können, müssen Umschalter deutlich überdimensioniert werden. Um zuverlässig zu funktionieren, benötigen Umschalter außerdem fast immer einige zusätzliche, vom Benutzer bereitgestellte Schaltkreise.

Bulk-lineare Netzteile können die hohe Spitzenleistung liefern, die normalerweise für Bewegungsanwendungen erforderlich ist (allerdings mit einem Abfall der Ausgangsspannung), und sie verfügen aufgrund ihrer typischerweise großen Ausgangskapazität über eine moderate Rückspeisekapazität.

Eine RDFC-Versorgung könnte für die Bewältigung großer Spitzenlasten ausgelegt sein. Bei einem RDFC schalten sich die Schalttransistoren nur dann ein und aus, wenn sie sich in einem „stromlosen“ oder „spannungsfreien“ Zustand befinden. Beim gebräuchlicheren PWM-Umschalter schalten die Transistoren mit voller Leistung und ihr Siliziumchip muss viel Wärme abführen. Aus diesem Grund führt jede über die Dauernennleistung hinausgehende Leistungsaufnahme zu einer schnellen Erwärmung der Transistoren auf ein schädliches Niveau.

Beim Resonanzmodus-Umschalter verbrauchen die Transistoren viel weniger Leistung, sodass die thermische Grenze bei dieser Art der Versorgung die thermische Grenze des Transformators ist. Der Transformator hat viel mehr thermische Masse als das Silizium im Inneren der Transistoren und kann daher viel höhere Spitzenlasten und länger andauernde Spitzen absorbieren.

Wenn Sie einen Resonanzmodus-Umschalter mit einer ausreichenden Ausgangskapazität und einem Regenerationsregler kombinieren, erhalten Sie ein Hybrid-Netzteil, das sich ideal für Bewegungssteuerungsanwendungen eignet. Dieses Hybriddesign (Abbildung 4) vereint alle Vorteile der PWM-Schaltversorgung mit den Vorteilen der Bulk-Linear-Versorgung.

Dieses Design ermöglicht es Ihrer Anwendung außerdem, deutlich mehr als den Nennspitzenstrom zu ziehen, ohne dass es zu einer Abschaltung kommt. Das Überschreiten des Spitzenstroms führt zu einem gewissen Spannungsabfall, ein Spannungsabfall kann jedoch akzeptabel sein, wenn dadurch mehr Strom für Momente mit hohem Drehmomentbedarf bei niedrigerer Drehzahl bereitgestellt werden kann.

Hoffentlich haben Sie jetzt ein gutes Verständnis für die verschiedenen Arten von Netzteilen und deren Vor- und Nachteile für Bewegungssteuerungsanwendungen. Sowohl ungeregelte Bulk-Linear- als auch geregelte Schaltnetzteile sind weit verbreitet, haben jedoch bei Bewegungssteuerungsanwendungen einige Nachteile.

Die Hybrid-Resonanzmodus-Architektur vereint die besten Eigenschaften der anderen Netzteile und eignet sich ideal für die Bereitstellung von Gleichstrom für Servo- und Schrittmotorantriebe.

Dieser Artikel wurde von Abe Amirana, Direktor, Teknic (Victor, NY) verfasst. Weitere Informationen finden Sie hier.

Dieser Artikel erschien erstmals in der Dezemberausgabe 2020 des Motion Design Magazine.

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