Antrieb DC-Antriebe und die passenden Motion Controller

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In Verbindung mit Getrieben, Encodern und Motion Controllern werden DC-Motoren zu Antriebs- oder Positioniersystemen. Doch aufgepasst: Alle Komponenten müssen zum Motor und dessen Anforderungen passen. Ein falscher Controller zerstört im schlimmsten Fall einen Motor in kürzester Zeit.

Kleine, leistungsfähige DC-Motoren sind eine wesentliche Voraussetzung für die Entwicklung immer höher integrierter Systeme. Sie treiben in den unterschiedlichsten Bereichen die Technik voran, u. a. in der Medizin- und Labortechnik. Zum applikationsgerechten Antriebs- oder Positioniersystem werden die kleinen Motoren aber erst in Kombination mit weiteren Komponenten, also Getrieben, Encodern und Motion Controllern. Bei der Auswahl eines passenden Motion Controllers müssen zunächst einige Fragen geklärt sein. Grundlegend ist beispielsweise, 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. Doch nicht jeder Motion Controller passt zu jedem Motor. Vor allem DC-Kleinstmotoren stellen hier aufgrund ihrer Konstruktion besondere Anforderungen.

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Gefahr der Überhitzung

Herzstück der DC-Klein- und -Kleinstmotoren aus dem Faulhaber-Programm ist die patentierte freitragende kernlose (oder eisenlose) Rotorspule mit Schrägwicklung und Bürstenkommutierung, die um einen ruhenden Magneten rotiert. Wegen seines Aussehens wird dieser Motortyp auch als Glockenanker-Motor bezeichnet. Dieses Konstruktionsprinzip bringt für die Praxis Vorteile, beeinflusst aber auch die Auswahl des Motion Controllers.

Aufgrund des symmetrischen Luftspalts kann sich kein Rastmoment bilden, so entsteht ein präziser Positionierbetrieb und eine sehr gute Drehzahlregelung. 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, erreichen die Motoren im Verhältnis zu ihrer Größe und ihrem Gewicht höhere Leistungen und Drehmomente als konventionelle Ausführungen. Gleichzeitig garantiert das geringe Trägheitsmoment des Rotors eine äußerst geringe elektrische Zeitkonstante. Dadurch können sie dynamisch betrieben und trotzdem deutlich überlastet werden. Dreifaches Dauerdrehmoment im Überlastbetrieb ist in Servo-Anwendungen üblich und problemlos möglich, wenn die Temperatur der Motorwicklung überwacht werden kann. Motoren mit 22 mm Durchmesser oder weniger haben aber keine integrierten Temperaturfühler. Schließt man einen beliebigen Regler an einen solchen Kleinstantrieb an, kann schlimmstenfalls die Spule durchbrennen, ehe man die Wärme außen überhaupt spürt.

Motion Controller schätzt Temperatur

Die Motion Controller von Faulhaber vermeiden solche Probleme. Sie „schätzen“ die Wicklungstemperatur entsprechend dem jeweiligen Motortyp über unterschiedlich komplexe Modelle. Dadurch kann die volle Dynamik des Motors ausgeschöpft werden, z. B. bei schnellen Positioniervorgängen. Gleichzeitig wird der Strom begrenzt, bevor die Wicklung überhitzt. Die dafür notwendigen Parameter lassen sich mit der Funktion „Motorauswahl-Dialog“ des Faulhaber-Motion-Managers an den Antriebsregler übertragen.

Zusätzliche Informationen über die thermische Anbindung in der Applikation können in die Modelle, welche in den Controllern hinterlegt sind, einfließen und sie weiter verbessern. Mithilfe der Informationen lässt sich bspw. bei einem Antrieb, der im Zyklusbetrieb in einer Klimakammer arbeitet, jeweils die maximale Motorleistung nutzen. Denn der Motorregler kann die Parameter für die Umgebungstemperatur aus der Steuerung der Klimakammer in den hinterlegten Modellen nachführen. Ähnliches gilt, wenn die Lastzyklen bekannt sind. Der Motor lässt sich dann oft kleiner auslegen, was beim Einsatz in mobilen Geräten hilft.

Ausreichende PWM-Frequenz nötig

Bedingt durch die 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 die im Datenblatt angegebenen 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 Motion Controllern von Faulhaber 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.

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* Die Autoren: Dr. Andreas Wagener ist Leiter System Engineering bei Faulhaber. Ellen-Christine Reiff ist Fachjournalistin beim Redaktionsbüro Stutensee.

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