Was ist die Bedeutung von STO?

Thema:

• Was bedeutet die Abkürzung "STO" in der Praxis?
• Was ist "STO" bei Motor-Steuerungen genau?

• Was passiert bei Motorsteuerungen wenn STO (Safe Torque Off) ausgelöst wird?
  Wir die Leistungsendstufe dann abgeschaltet?

STO bedeutet "Safe Torque Off"

"STO" bzw. "Safe Torque Off" (= "Sichere Drehmoment-Abschaltung") bedeutet, dass kein feldgenerierenden (= Drehmoment-generierenden) Strom auf die Motorwicklung ausgegeben wird. Der STO-Zustand ist aktiv falls an den STO Signaleingängen keine ausreichende (spezifizierte) Logikspannung angelegt ist. 

Sicherheitsaspekte und Zertifizierung?

Obwohl bei STO häufig angenommen wird, dass es sich hierbei um eine zertifizierte Sicherheitsfunktion handelt, ist ein solches Zertifikat nicht zwingend notwendig um den Begriff "STO - Safe Torque Off" zu verwenden.

• Eine STO-Funktionalität ohne Zertifizierung kann ausreichend sein, falls kein Gefährdungspotential für Anwender durch die Motorbewegung besteht. Nichtsdestotrotz ist bei Maschinen, bei denen ein bestimmtes (höheres) Sicherheitslevel (z.B. SIL?) notwendig ist, teilweise eine Motorsteuerung mit zertifizierter STO-Funktionalität gefordert.
• Falls eine zertifizierte STO-Funktionalität gefordert, aber nicht vorhanden ist, ist das Trennen der Versorgungsspannung der Leistungsendstufe über eine Sicherheitsschütz im Not-/Gefahrenfall ein alternativer und seit Jahren altbekannter Lösungsansatz.

Technische Details:

• Die STO-Funktionalität basiert typischerweise auf zwei (differentiellen) digitalen Eingängen, die unabhängig von einander sind und direkt auf Hardware-Ebene der Leistungsendstufe reagieren (ohne Beeinflussung durch die Software der Motorsteuerung). Es wird hardwaremässig die Ansteuerung der MOSFETs der Leistungsendstufe blockiert, solange nicht auf beiden(!) STO-Eingängen ein ausreichender (spezifizierter) Logikspannungspegel vorhanden ist.
  • Bei aktivem STO können die MOSFETs nicht angesteuert und geschaltet werden, d.h. es kann kein elektrisches Drehfeld der Motorwicklungen und somit kein Drehmoment (=> Torque Off) erzeugt werden.
  • Die Ansteuerung der Leistungsendstufe wird blockiert, sobald eine oder beiden STO-Eingangssignale im Betrieb unterbrochen werden.
  • Nur falls beide STO-Eingänge den minimal spezifizierten Logik-Spannungspegel (typ. 5V oder 24V) besitzen, kann die Endstufe "enabled" (= aktiviert) werden. 
• Als Bestandteil der STO-Funktionalität steht häufig ein STO-Ausgang zur Verfügung um den STO-Zustand überprüfen zu können (direkt auf Hardware-Ebene ohne Software-Einfluss).
• Die meisten Motorsteuerungen (wie auch die EPOS4) melden einen STO-Fehlerzustand ...
  • ... falls versucht wird die Leistungsendstufe zu "enablen" (= aktivieren) obwohl an den beiden STO-Signaleingängen kein ausreichendes Logikspannungslevel anliegt.
  • ... falls im Betrieb eines oder beide der STO-Eingangssignale unterbrochen wird.
• Im STO-Zustand kann die Leistungsendstufe nicht "enabled" (= aktiviert) werden bzw. wird "Disabled" (= abgeschaltet) falls der Zustand bei bereits laufendem Motor auftritt.
  • Das Melden eines Fehlerzustands und "Disablen" (= Abschalten) der Leistungsendstufe erfolgt über die Software der Motorsteuerung als Bestandteil des allgemeinen Fehlerhandlings als Folgeaktion der hardware-mässigen Blockade der Ansteuerung der MOSFETs bei fehlendem STO-Signal. 

EPOS4 und STO?

Die EPOS4 besitzt eine "STO - Safe torque off" Funktionalität, allerdings ist diese nicht zertifiziert. Bitte beachten Sie hierzu auch die Hinweise in der "Hardware Reference" der jeweiligen EPOS4 Produktvariante:

Querverweis:
Die detaillierte Spezifikation der EPOS4 STO-I/Os, sowie eine detailliertere Beschreibung der  STO-Funktionalität finden sich hier:

• Kapitel "3 Setup -> Connections -> STO (X9)"
  der "Hardware Reference" der effektiv eingesetzten EPOS4 Produktvariante.
• Kapitel "9 Safe Torque Off (STO)"
  der "EPOS4 Application Notes Collection.pdf".
  Im Anhang findet sich ein ebenfalls Auszug dieses Kapitels.

Ergänzende wichtige Hinweise:

• STO ist nicht(!) gleichbedeutend mit einer Abschaltung der Motorspannung.
  • STO sagt nur aus, dass die Erzeugung des notwendigen elektrischen Drehfelds für die Rotorbewegung und Drehmomenterzeugung (eines EC Motors) blockiert ist.
  • Falls die MOSFETs der Leistungsendstufe beschädigt sind und Kurzschlüsse aufweisen, kann an dem Ausgang der Leistungsendstufe und an den Motoranschlüssen im schlimmsten Fall weiterhin eine Spannung anliegen auch wenn STO aktiv ist und ein EC-Motor nicht mehr dreht.
    • Ein DC-Motor kann bei Anliegen einer konstanten "Fehlspannung" aufgrund den Endstufen-Defekten weiterhin drehen und ein Drehmoment erzeugen.
    • Das Berühren der Motoranschlüsse von 230V/380V Servomotoren oder AC-Motoren kann auch bei aktivem STO bei Hardware-Defekten aufgrund des Risikos eines elektrischen Schlags lebensgefährlich sein, solange die Versorgungsspannung nicht abgeschaltet ist. Bitte beachten Sie im Service-Fall unbedingt die Abschaltung der Versorgungsspannung sowie alle weiteren Sicherheitshinweise im Handbuch der Motorsteuerung.
    • maxon Motoren und Steuerungen werden typischerweise nur einer Versorgungsspannung von 48V oder tiefer betrieben. Eine solches Spannungsniveau wird unter dem elektrischen Gesichtspunkt (-> Gefahr eines elektrischen Schlags) bei den meisten Geräten und Normen  nicht als sicherheitskritisch bewertet.
       
• STO bietet kein(!) definiertes Abbrems- und STOPP-Verhalten. 
  • Im Falle des STO kann der Motor sich aufgrund einer äusseren Kraft oder fehlenden Reibung weiterhin bewegen und gar nicht oder erst sehr verzögert zum Stillstand kommen.
  • Das Abbrems- und Stopp-Verhalten beim STO während einer aktiven Bewegung hängt von der Mechanik und deren Reibung sowie der Energie der aktuell bewegten Masse ab. Besonders kritisch sind diesbezüglich die folgenden Anwendungsfälle:
    • Vertikal-Anwendungen, wie Krane oder Lifte.
    • Anwendungen mit hohen Trägheitsmomenten und / oder hohen Drehzahlen wie Zentrifugen. 
    • Mechanik mit nur sehr geringer Reibung und Selbsthaltemomenten
  • In Abhängigkeit von der Anwendung kann der Einsatz einer mechanischen oder elektromechanischen Bremse notwendig sein um den Antrieb zu einem schnellen und stabilen Stopp zu bringen.
    
    

Ergänzende Support Center Dokumente:

• EPOS4, STO, ISO 13849: Safety Zertifizierung von Systemen?
• EPOS4: Ursachen des "STO error" (0x8A88)