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DER KONSTRUKTEUR 9/2021

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DER KONSTRUKTEUR 9/2021

ANTRIEBSTECHNIK AUF DIE

ANTRIEBSTECHNIK AUF DIE RICHTIGE PARTNERWAHL KOMMT ES AN Kleine DC-Motoren sind Voraussetzung für die Entwicklung immer höher integrierter Systeme. Wichtig ist die passende Kombination mit weiteren Komponenten – hier kommt es auf die richtige Auswahl an. PRODUKTE UND ANWENDUNGEN Leistungsfähige DC-Kleinstmotoren haben maßgeblichen Anteil an der weiteren Entwicklung immer höher integrierter Systeme. Sie treiben in verschiedensten Branchen die Technik voran – in der Medizin- und Labortechnik ebenso wie in Luft- und Raumfahrt, in der Robotik, Optik und Photonik oder allgemein bei industriellen Maschinen und Anlagen. Zum applikationsgerechten Antriebs- oder Positioniersystem werden sie aber erst in Kombination mit weiteren Komponenten wie Getrieben, Encodern und Motion Controller. Für eine zuverlässige Funktion ist hier die richtige Auswahl Grundvoraussetzung. Alle Komponenten müssen zum Motor passen und dessen Anforderungen erfüllen. Bei der Auswahl eines passenden Motion Controllers für ein Antriebssystem müssen zunächst einige Fragen geklärt sein: Welche Bewegungen werden ausgeführt? Welche Anforderungen ergeben sich daraus für die Motorregelung? Arbeitet der Antrieb im Dr. Andreas Wagener, Leiter System Engineering bei Faulhaber GmbH & Co. KG, Schönaich; Ellen-Christine Reiff, M.A., Redaktionsbüro Stutensee 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? Erst dann wird die Entscheidung für den Motion Controller getroffen. Das kann spannend werden, denn nicht jeder Motion Controller passt zu jedem Motor. Vor allem DC-Kleinstmotoren stellen hier aufgrund ihrer Konstruktion besondere Anforderungen. 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, was einen präzisen Positionierbetrieb und eine sehr 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 Wick- 30 DER KONSTRUKTEUR 2021/09 www.derkonstrukteur.de

ANTRIEBSTECHNIK lung 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 geringe elektrische Zeitkonstante; dadurch können die Motoren dynamisch betrieben und trotzdem überlastet werden. Ein dreifaches Dauerdrehmoment im Überlastbetrieb ist in Servo-Anwendungen durchaus üblich und problemlos möglich, wenn die Temperatur der Motorwicklung überwacht werden kann. Motoren mit nur 22 mm Durchmesser oder weniger haben allerdings keine integrierten Temperaturfühler, dafür fehlt der Einbauplatz. Schließt man einen beliebigen Regler an einen solchen Kleinstantrieb, kann die Spule bereits durchgebrannt sein, ehe man die Wärme außen überhaupt spürt. RELEVANTE INFORMATIONEN FÜR MAXIMALE MOTORLEISTUNG Motion Controller, die speziell für die Erfordernisse der kleinen Motoren entwickelt und unter Betriebsbedingungen getestet sind, vermeiden solche Probleme. Sie schätzen die Wicklungstemperatur entsprechend des jeweiligen Motortyps über Modelle. Dadurch lässt sich die volle Motordynamik ausschöpfen, zum Beispiel bei schnellen Positioniervorgängen, und zugleich wird der Strom begrenzt, bevor die Wicklung überhitzt. Die dafür notwendigen Parameter sind mit dem Motorauswahl-Dialog des Faulhaber-Motion-Managers einfach an den Antriebsregler übertragbar. 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 MIT MOTION COTROLLERN KANN DIE VOLLE DYNAMIK DES MOTORS AUSGESCHÖPFT WERDEN 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 beispielsweise 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. Ähnliches gilt auch, wenn die Lastzyklen bekannt sind. Der Motor lässt sich dann kleiner auslegen, was besonders beim Einsatz in mobilen Geräten vorteilhaft ist. 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 – 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. LEISTUNGSFÄHIG UND EXTREM MINIATURISIERT Die Motion Controller der MC-V3.0-Familie sind hinsichtlich Baugröße und Auflösung der integrierten Motorstrommessung 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 bezüglich Baugröße und Auflösung der Strommessung zu den kleineren Servoantrieben passt. Bei maximal 30 V Versorgungsspannung erreicht der 16 mm breite, 27 mm lange und 2,6 mm hohe Motion Controller einen Dauerstrom von einem Ampere und einen Spitzenstrom von fünf Ampere. Bei niedrigeren Versorgungsspannungen, etwa in 12-V-Systemen, können auch Dauerströme bis zwei Ampere problemlos erreicht werden. Dabei müssen im Vergleich zu den großen Familienmitgliedern keine Abstriche bei 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 kundenspezifisch ausführbare Trägerkarte (Motherboard) kann eine kompakte EtherCAT-Schnittstelle bereitgestellt werden. Die Controller gibt es in zwei Ausführungen: Die Bauform mit flachbauenden Board-to-Board-Steckverbindern (MC 3001 B) eignet sich, wenn mehrere Antriebsregler auf einer Trägerkarte kombiniert werden. Die Variante MC 3001 P hat eine über drei Seiten laufende Stiftleiste im 2,54-mm-Raster und lässt sich gut in eigene Aufbauten integrieren, etwa für Mehrachsanwendungen in der Laborautomation. Bilder: DR. FRITZ FAULHABER GMBH & CO. KG www.faulhaber.com 01 02 01 Nicht jeder Motion Controller passt zu jedem Motor: DC-Kleinstmotoren stellen aufgrund ihrer Konstruktion besondere Anforderungen 02 Die Motion Controller sind speziell für die Erfordernisse der kleinen Motoren entwickelt und vermeiden Überhitzung www.derkonstrukteur.de DER KONSTRUKTEUR 2021/09 31

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