INDUSTRIELLE AUTOMATION 6/2021

STEUERN UND ANTREIBEN

STEUERN UND ANTREIBEN MOTION CONTROLLER FÜR ANTRIEBSSYSTEME AUGEN AUF BEI DER PARTNERWAHL Immer höher integrierte Systeme treiben in den unterschiedlichsten Bereichen die Technik voran, in der Medizintechnik ebenso wie in der Luft- und Raumfahrt, Präzisionsoptik oder ganz allgemein in industriellen Maschinen und Anlagen. Hierbei spielen kleine, leistungsfähige DC-Motoren eine wesentliche Rolle. Zum applikationsgerechten Antriebs- oder Positioniersystem werden sie aber erst in Kombination mit weiteren Komponenten wie Getriebe, Encoder und Motion Controller. Worauf es dabei ankommt, lesen Sie hier. Bei der Auswahl eines passenden Motion Controllers für ein Antriebssystem müssen zunächst einige Fragen geklärt sein. Grundlegend ist z. B., welche Bewegungen ausgeführt werden sollen und welche Anforderungen sich daraus für die Motorregelung ergeben. Arbeitet der Antrieb im Dauer- oder Start-Stop-Betrieb? Sollen Positionen präzise angefahren werden? Welche Art von Last muss der Antrieb bewegen? Welche Lastzyklen treten auf? Wird ein Getriebe benötigt? Welcher Motor ist am besten für die Applikation geeignet? Daran schließt sich die Entscheidung für den Motion Controller an. Und hier kann es spannend werden, denn nicht jeder Motion Controller passt zu jedem Motor. Vor allem DC-Kleinstmotoren stellen hier auf Grund ihrer Konstruktion besondere Anforderungen. DIE BESONDEREN EIGENSCHAFTEN DES GLOCKENANKERMOTORS Herzstück der DC-Klein- und Kleinstmotoren aus dem Faulhaber- Programm ist die patentierte freitragende kernlose (oder eisenlose) Rotorspule mit Schrägwicklung und Bürstenkommutie- rung, die um einen ruhenden Magneten rotiert. Wegen seines Aussehens wird dieser Motortyp gerne auch als Glockenankermotor bezeichnet. Dieses Konstruktionsprinzip bringt für die Praxis viele Vorteile, beeinflusst aber auch die Auswahl des Motion Con trollers. Aufgrund des symmetrischen Luftspalts kann sich kein Rastmoment bilden, was einen präzisen Positionierbetrieb und eine gute Drehzahlregelung ermöglicht. Das Verhalten von Last zu Drehzahl, Strom zu Drehmoment und Spannung zu Drehzahl ist linear. Da fast der gesamte Motordurchmesser für die Wicklung genutzt werden kann, sollen die Motoren im Verhältnis zu ihrer Größe und ihrem Gewicht höhere Leistungen und Drehmomente als konventionelle Ausführungen erreichen. Gleichzeitig sorgt das geringe Trägheitsmoment des Rotors für eine geringe elektrische Zeitkonstante. Dadurch können sie dynamisch betrieben und trotzdem deutlich überlastet werden. Dreifaches Dauerdrehmoment im Überlastbetrieb ist in Servo-Anwendungen durchaus üblich und auch problemlos möglich, wenn die Temperatur der Motorwicklung überwacht werden kann. Motoren mit nur 22 mm Durchmesser oder weniger haben aber keine integrierten Tem- 52 INDUSTRIELLE AUTOMATION 2021/06 www.industrielle-automation.net

STEUERN UND ANTREIBEN 01 02 peraturfühler, dafür fehlt schlicht der Einbauplatz. Schließt man einfach einen beliebigen Regler an einen solchen Kleinstantrieb, kann schlimmstenfalls die Spule durchgebrannt sein, ehe man die Wärme außen überhaupt spürt. ALLES PASSEND ZU DEN ERFORDERNISSEN KLEINER MOTOREN Die Motion Controller von Faulhaber, die speziell auf die Erfordernisse der kleinen Motoren hin entwickelt und unter Betriebsbedingungen getestet sind, vermeiden solche Probleme. Sie „schätzen“ die Wicklungstemperatur entsprechend dem jeweiligen Motortyp über unterschiedlich komplexe Modelle. Dadurch kann die volle Dynamik des Motors ausgeschöpft werden, zum Beispiel bei schnellen Positioniervorgängen. Gleichzeitig wird der Strom begrenzt, bevor die Wicklung überhitzt. Zusätzliche Informationen über die thermische Anbindung in der Applikation können in die in den Controllern hinterlegten Modelle einfließen und sie noch weiter verbessern. Wie gut wird der Motor gekühlt? Muss die Leistung begrenzt werden, weil die Umgebungstemperaturen hoch sind? Sind ein Getriebe und ein Encoder vorhanden? Liegen solche weiterreichenden Informationen vor, lässt sich bspw. auch bei einem Antrieb, der im Zyklusbetrieb in einer Klimakammer arbeitet, jeweils die maximale Motorleistung nutzen, indem der Motorregler die Parameter für die Umgebungstemperatur aus der Steuerung der Klimakammer in den hinterlegten Modellen nachführen kann. Bedingt durch die für dynamische Vorgänge vorteilhafte niedrige elektrische Zeitkonstante, können durch die in Antriebsreglern übliche Pulsweitenmodulation (PWM) Zusatzverluste entstehen. Die typischen elektrischen Zeitkonstanten von Faulhaber Glockenankermotoren liegen bei einigen 10 µs. Bei PWM-Frequenzen unter 50 kHz lassen sich dann die im Datenblatt angegeben Dauermomente oft nicht mehr erreichen bzw. der Motor würde überhitzen. Daher ist bei der Auswahl des Motorreglers auf eine ausreichend hohe PWM-Frequenz zu achten. Bei den Faulhaber- Motion Controllern liegt diese je nach Typ zwischen 78 und 100 kHz. Durch die Art der Modulation wirken am Motor bis zu 200 kHz, passend zu den Erfordernissen der kleinen Motoren. UND DIE GANZ KLEINEN SERVOANTRIEBE? Die Motion Controller der MC V3.0 Produktfamilie sind von ihrer Baugröße als auch von der Auflösung der integrierten Motorstrommessung jedoch nur bedingt für die ganz kleinen Motoren des Faulhaber-Portfolios geeignet. Jetzt steht mit dem neuen MC 3001 B/P erstmalig ein Motion Controller zur Verfügung, der sowohl in Bezug auf die Baugröße als auch hinsichtlich Auflösung der Strommessung zu den kleineren Servoantrieben passt. Bei maximal 30 V Versorgungsspannung erreicht der mit Abmessungen ab 16 mm Breite, 27 mm Länge und 2,6 mm Höhe kleine Motion Controller dabei einen Dauerstrom von 1 A und einen Spitzenstrom von 5 A. Bei niedrigeren Versorgungsspannungen z. B. in 12-V-Systemen können auch Dauerströme bis zu 2 A problemlos erreicht werden. Dabei müssen gegenüber den großen 01 Vor allem DC-Klein- und Kleinstmotoren stellen aufgrund ihrer Konstruktion besondere Anforderungen an Motion Controller 02 Die Motion Controller sind in der Lage, die Wicklungstemperatur entsprechend dem jeweiligen Motortyp über komplexe Modelle zu „schätzen“, wodurch die volle Dynamik des Motors ausgeschöpft werden kann Familienmitgliedern keine Abstriche an der Funktion in Kauf genommen werden. I/O-Umfang und Encoder-Schnittstelle entsprechen denen der gesamten Familie. Als Kommunikationsschnittstellen stehen USB, RS232 und CANopen zur Verfügung. Über eine anwenderspezifisch ausführbare Trägerkarte (Motherboard) kann dann auch eine kompakte EtherCAT Schnittstelle bereitgestellt werden. Die Controller gibt es in zwei Ausführungen: Die Bauform mit flach bauenden Board-to-Board-Steckverbindern (MC 3001 B) bietet sich an, wenn mehrere Antriebsregler auf einer Trägerkarte kombiniert werden sollen. Die Variante MC 3001 P hat eine über drei Seiten laufende Stiftleiste im 2,54-mm-Raster und lässt sich besonders einfach in eigene Aufbauten integrieren, z. B. für Mehrachsanwendungen in der Laborautomation. Damit gibt es jetzt auch für die kleinsten DC-Antriebe aus dem Faulhaber-Programm leistungsfähige Motion Controller, die zu den Motoren passen, sowohl hinsichtlich der Baugröße als auch der Funktion. Bilder: Faulhaber www.faulhaber.com UNTERNEHMEN Dr. Fritz Faulhaber GmbH & Co. KG, Daimlerstr. 23/25, D-71101 Schönaich, Tel.: +49 7031 638 0 E-Mail: info@faulhaber.de AUTOREN Dr. Andreas Wagener, Leiter System Engineering der Faulhaber GmbH & Co. KG und Ellen-Christine Reiff, M.A., Redaktionsbüro Stutensee ZUSATZINHALTE IM NETZ https://bit.ly/MotionController www.industrielle-automation.net INDUSTRIELLE AUTOMATION 2021/06 53