Glossar Positioniersysteme

Teil III - Steuer- und Regelelektronik 

Controller 

In Positioniersystemen erzeugt der Controller elektronische Steuersignale, die dem System Bewegungsbefehle geben. Wenn ein Rückmeldesystem vorhanden ist, werden Istwerte der Position an den Controller zurückgesendet. Dieser vergleicht die Istwerte mit den Sollwerten und erzeugt ein neues Signal, das den Fehler korrigiert.
 
Der Controller sendet die Steuersignale zum Motortreiber. Ein Controller besitzt oft mehrere Funktionen, z.B. Schnittstellen, Eingänge/Ausgänge, Speichern von Bewegungsprogrammen und Verarbeitung der Encoder-Rückmeldung bei Positionierung mit geschlossenem Regelkreis.
 
Der Controller muss wesentlich schneller arbeiten, da er die Steuersignale berechnet und je nach Istwert neue Signale sendet. Die hierfür benötigte Zeit wird Abtastzeit genannt.

DC-Motortreiber 

Treiber für Gleichstrommotoren wandeln ein schwaches Spannungssignal vom Controller (meist +/- 10 V) in Strom um, womit der Motor angetrieben wird.

Digital Signal Processor 

Digitale Signalprocessoren (DSPs) sind speziell für hohe Rechenleistungen konzipierte Chips, die die Anforderungen von komplexen Steueralgorithmen erfüllen. Herkömmliche Prozessoren wären für solche anspruchsvollen Steueraufgaben zu langsam.
 
DSPs sind oft so gebaut, dass Befehle und Daten parallel und nicht sequenziell laufen. Häufig sind die Chips mit einem High-Speed Hardware-Multiplizierer und eigenem Speicher ausgerüstet, wodurch viele Verzögerungen des Datentransfers vermieden werden können.

Getaktete Hochspannungstreiber 

Einfache 4-Phasen-Treiber eignen sich für Basisanwendungen mit geringen Leistungsanforderungen. Bei hohen Geschwindigkeiten wird das Kommutieren des Stromes mit induktiven Lasten schwierig. Bei Anlegen einer Spannung an eine Spule erreicht der Strom (und damit auch das Drehmoment) seinen normalen Wert exponentiell. Bei einer hohen Impulsrate ist die Einschaltphase zu kurz. Der Strom kann den gewünschten Wert in so kurzer Zeit nicht erreichen, was bedeutet, dass auch das erzeugte Drehmoment nur ein Teil des nominalen Wertes beträgt.
 
Drei Faktoren bestimmen die Zeitspanne bis zum Erreichen des Nennstromes: die Induktivität der Spulen, der elektrische Widerstand und die angelegte Spannung.
 
Die Induktivität kann nicht verringert werden, aber die Spannung kann vorübergehend erhöht werden, um den Nennstrom schneller zu erreichen. Eine weit verbreitete Methode ist der Einsatz von getakteten Hochspannungstreibern.
 
Wird z. B. ein Schrittmotor, der nur 2V benötigt kurz mit 20V versorgt, kann der Nennstrom 10-mal so schnell erreicht werden. Sobald der erwünschte Nennstrom erreicht ist, wird der Treiber getaktet, um den Strom auf dem Nominalwert zu halten.

Motortreiber 

Der Motortreiber empfängt die Signale vom Controller und wandelt sie in Leistung um, mit der der Motor angetrieben wird. Bei Schrittmotortreibern kann Voll-, Halb- und Mikroschrittauflösung sowie die erwünschte Leistung gewählt werden.

Schrittmotortreiber - Halbschritt 

Bei Ansteuerung im Halbschrittbetrieb legt der Rotor des Schrittmotors jeweils den halben Weg zwischen zwei Haltepositionen zurück. Dadurch wird die Auflösung erhöht und die Bewegung über den gesamten Drehzahlbereich gleichmäßiger. Nach Abschalten der Stromzufuhr dreht sich der Motor jeweils bis zur nächsten Halteposition weiter.

Schrittmotortreiber - Mikroschritt / Minischritt 

Ein Mikroschrittreiber bewegt den Rotor des Motors um einen bestimmten Winkel zwischen zwei Haltepositionen. Mikroschritt- und Minischrittbetrieb werden zur Verbesserung der Auflösung, zur Vermeidung von Resonanzeffekten und wegen der höheren Laufruhe über den gesamten Drehzahlbereich eingesetzt. Nach Abschalten der Stromzufuhr dreht sich der Motor jedoch auch weiter. Deshalb werden vor allem in Systemen in Z-Ausrichtung Tische mit Bremse eingesetzt.

Schrittmotortreiber - Vollschritt 

Bei Ansteuerung im Vollschrittbetrieb wir der Schrittmotor jeweils von einer Halteposition in die nächste Vollschrittposition bewegt. Nach Abschalten der Stromzufuhr hält der Motor aufgrund seines starken Haltemoments seine Position.

Zentrale und verteilte Architektur 

Controller können so ausgelegt sein, dass ein einziger Mirkoprozessor alle Bewegungsarten steuert. Oder Controller können eine verteilte Struktur haben, in der ein zentraler Mikroprozessor spezielle Prozessoren koordiniert, die je eine Achse steuern.