Augen auf bei der Partnerwahl

DC-Kleinstantriebe und die passenden Motion Controller

Kleine, leistungsfähige DC-Motoren sind eine wesentliche Voraussetzung für die Entwicklung immer höher integrierter Systeme. Sie treiben in den unterschiedlichsten Bereichen die Technik voran, in der Medizin- und Labortechnik ebenso wie in Luft- und Raumfahrt, in der Robotik, Optik und Photonik oder ganz allgemein bei industriellen Maschinen und Anlagen. Zum applikationsgerechten Antriebs- oder Positioniersystem werden die kleinen Motoren aber erst in Kombination mit weiteren Komponenten, also Getrieben, Encodern und Motion Controller. Hier die richtige Auswahl zu treffen ist Grundvoraussetzung für eine zuverlässige Funktion. Alle Komponenten müssen zum Motor passen und dessen Anforderungen erfüllen. Die Wahl eines falschen Controllers beispielsweise kann im schlimmsten Fall einen Motor in kürzester Zeit zerstören.

Bei der Auswahl eines passenden Motion Controllers für ein Antriebssystem 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. 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.

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 gerne auch als Glockenanker-Motor bezeichnet. Dieses Konstruktionsprinzip bringt für die Praxis viele 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 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 sehr 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 Temperaturfühler, 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.

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. Die dafür notwendigen Parameter lassen sich mit der Funktion „Motorauswahl-Dialog“ des FAULHABER Motion Managers einfach an den Antriebsregler übertragen.

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 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 oft kleiner auslegen, was besonders beim Einsatz in mobilen Geräten ein Vorteil 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 bzw. der Motor würde überhitzen. Daher ist bei der Auswahl des Motorreglers auf eine ausreichend hohe PWM-Frequenz zu achten. Bei den FAUHABER-Motion Controllern liegt diese je nach Typ zwischen 78 kHz 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 seit einigen Jahren bewährten Motion Controller der MC V3.0 Familie 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 in Bezug auf die Auflösung der Strommessung ideal 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 wie z.B. in 12-V-Systemen können auch Dauerströme bis zu 2 A problemlos erreicht werden. Dabei müssen gegenüber den großen 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 kundenspezifisch 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 perfekt zu den Motoren passen, sowohl hinsichtlich der Baugröße als auch der Funktion.


(Entgeltliche Einschaltung)