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Bewegungssteuerung für kleine DC-Motoren

Welcher Motion Controller für welchen Motor?

16. Juli 2021, 10:52 Uhr   |  Andreas Knoll

Welcher Motion Controller für welchen Motor?
© Faulhaber

Herzstück der DC-Klein- und Kleinstmotoren ist die patentierte, freitragende, kernlose (oder eisenlose) Rotorspule mit Schrägwicklung, die um einen ruhenden Magneten rotiert.

Um in Antriebssystemen ihren Dienst so tun zu können, wie es die Anwendung erfordert, brauchen DC-Kleinmotoren Zusatzkomponenten wie etwa Motion Controller. Deren Auswahl ist jedoch weder trivial noch zweitrangig. Was ist dabei zu beachten?

Kleine, leistungsstarke DC-Motoren sind eine wichtige Voraussetzung für die Entwicklung immer höher integrierter Systeme – in der Medizin- und Labortechnik ebenso wie in der 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 Controllern. Hier die richtige Auswahl zu treffen ist Grundvoraussetzung für eine zuverlässige Funktion. Alle Komponenten müssen zum Motor passen und dessen Anforderungen erfüllen. Ein unpassender Motion Controller beispielsweise kann im schlimmsten Fall einen Motor in kurzer Zeit zerstören.

Bei der Auswahl eines Motion Controllers für ein Antriebssystem gilt es daher, zunächst einige Fragen zu klären. »Entscheidend ist beispielsweise, welche Bewegungen ausgeführt werden sollen und welche Anforderungen sich daraus für die Motorregelung ergeben«, sagt Dr. Andreas Wagener, Leiter System Engineering bei Faulhaber. »Arbeitet der Antrieb im Dauer- oder Start-Stopp-Betrieb? Sollen Positionen präzise angefahren werden? Welche Art von Last muss der Antrieb bewegen? Welche Lastzyklen treten auf? Ist ein Getriebe nötig? 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 wegen ihrer Konstruktion besondere Anforderungen (Bild 1).

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© Faulhaber

Bild 1: Kleinstmotoren stellen an Motion Controller besondere Anforderungen.

Zu den Herstellern von DC-Klein- und -Kleinstmotoren gehört Faulhaber. Herzstück der Motoren des in Schönaich bei Böblingen ansässigen Unternehmens ist die patentierte, freitragende, kernlose (oder eisenlose) Rotorspule mit Schrägwicklung und Bürstenkommutierung, die um einen ruhenden Magneten rotiert (Aufmacherbild). 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 gute Drehzahlregelung ermöglicht. Das Verhalten von Last zu Drehzahl, Strom zu Drehmoment und Spannung zu Drehzahl ist linear. Weil 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 sorgt das geringe Trägheitsmoment des Rotors für eine geringe elektrische Zeitkonstante. Dadurch können die Motoren 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«, betont Wagener. »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 an, kann schlimmstenfalls die Spule durchgebrannt sein, ehe man die Wärme außen überhaupt spürt.«

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© Faulhaber

Dr. Andreas Wagener, Faulhaber: »Motoren mit nur 22 mm Durchmesser oder weniger haben keine integrierten Temperaturfühler, dafür fehlt schlicht der Einbauplatz.«

Die Motion Controller von Faulhaber, die auf die Erfordernisse der kleinen Motoren hin entwickelt und unter Betriebsbedingungen getestet sind, vermeiden solche Probleme (Bild 3). Sie schätzen die Wicklungstemperatur entsprechend dem jeweiligen Motortyp über unterschiedlich komplexe Modelle. »Dadurch lässt sich die volle Dynamik des Motors ausschöpfen, etwa bei schnellen Positioniervorgängen«, erläutert Wagener. »Gleichzeitig wird der Strom begrenzt, bevor die Wicklung überhitzt.« Die dafür nötigen Parameter lassen sich mit der Funktion „Motorauswahl-Dialog“ des Faulhaber Motion Manager an den Antriebsregler übertragen.

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1. Welcher Motion Controller für welchen Motor?
2. Motion Controller in zwei Ausführungen erhältlich

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