Antriebstechnik Motorisierte Evolution

Immer mehr Behandlungen erfordern eine genaue und langsame Dosierung oder Positionierung, eine große Anzahl von Analysen und eine höhere Sicherheitsstufe. Auf der anderen Seite steht Kliniken aufgrund des wirtschaftlichen Drucks immer weniger Pflegepersonal zur Verfügung. Gerätehersteller reagieren hierauf mit Systemen mit immer längerer Lebensdauer und immer höherem Automatisierungsgrad. Dieser Trend ist nur möglich dank der Entwicklung neuer Elektronik, besonders im Bereich der Antriebstechnik. Wir geben einen Überblick über die wesentlichen Antriebstypen und reißen das Thema Motortreiber an. In der nächsten Ausgabe stellen wir dann die Antriebsregelung im Detail vor.

Die Motorisierung von Bewegungen entwickelt sich in raschem Tempo zu einer Standardlösung bei medizinischen Anwendungen. Davon profitieren unterschiedlichste Applikationen wie Geräte für die Herz-Lungen-Wiederbelebung bis hin zu Dialyse-maschinen. Durch diese Motorisierung lassen sich Medikamente äußerst präzise dosieren und Behandlungen mit hoher Genauigkeit oft wiederholen, was der medizinischen Qualität und dem Wohlbefinden des Patienten zugute kommt.

Für das medizinische Personal bedeutet eine verstärkte Motorisierung auch mehr Effizienz und die Möglichkeit, mehrere Patienten gleichzeitig zu behandeln. Eine spannende Frage ist, warum diese beschleunigte Motorisierung erst seit den letzten Jahrzehnten zu beobachten ist. Gleichstrommotoren gibt es ja schon seit den 1880er-Jahren, Hybrid-Schrittmotoren sind seit über sechzig Jahren bekannt.

Bürstenlose Gleichstrommotoren (BLDC) sind auch schon seit den 1960er-Jahren auf dem Markt. Wenn es also bei den Motoren selbst keine revolutionären Entwicklungen in neuerer Zeit gegeben hat, woher kommt dann diese aktuelle starke Zunahme der Motorisierung im medizinischen Bereich? Die Erklärung könnte zu einem großen Teil in der »Silizium-Revolution« liegen, die in den 1970er-Jahren Einzug in unser tägliches Leben gehalten hat und dieses seither immer stärker prägt.

Die Hersteller von integrierten Schaltkreisen (ICs) ringen bis heute darum, mit dem Mooreschen Gesetz Schritt zu halten. In seiner gängigsten Form besagt es, dass sich die Zahl der Transistoren in integrierten Schaltkreisen alle zwei Jahre verdoppelt. Das Mooresche Gesetz bringt positive Nebeneffekte mit sich, zum Beispiel geringere Größe, geringere Kosten und höhere Geschwindigkeit.

Im Hinblick auf Motorantriebe ist vor allem die geringere Größe interessant. Heute ist ein Grad der Miniaturisierung erreicht, der die extrem kompakte Bauweise moderner Motortreiber erst möglich macht. Hinzu kommt noch die Möglichkeit, komplexere Steuerelemente, beispielsweise Mikrocontroller, zu integrieren. Damit wird klar, dass diese verstärkte Motorisierung mehr durch die Miniaturisierung der Motortreiber als durch die Weiterentwicklung der Motoren selbst bedingt ist.

Motortypen im Überblick

In medizinischen Anwendungen kommen hauptsächlich drei Motortypen zum Einsatz: Gleichstrom-, bürstenlose und Schrittmotoren. Die Vor- und Nachteile eines jeden Motortyps sollen im Folgenden näher beleuchtet werden, um ein Grundverständnis der Funktionsweise eines jeden Typs zu vermitteln. Der bürstenbehaftete Gleichstrommotor erzeugt ein Drehmoment direkt aus einem am Motor anliegenden Gleichstrom entweder mittels stationärer Permanentmagnete oder umlaufender Elektromagnete.

Die Kommutierung zwischen den Phasen erfolgt mechanisch mit Bürsten und Kommutatoren. Vorteile eines Gleichstrommotors sind geringe Anschaffungskosten sowie eine einfache Steuerung der Motordrehzahl oder des Drehmoments, das direkt von der Stärke des Stroms abhängig ist. Nachteile sind eine geringe Lebensdauer im Falle sehr intensiver Nutzung und die Nichtverwendbarkeit in sauberen Umgebungen, da an den Kohlebürsten Graphitrückstände anfallen.

Ein bürstenloser Gleichstrommotor besitzt umlaufende Permanent-magnete und im Stator verbaute Wicklungen, womit die Probleme bei der Übertragung von Strom auf den umlaufenden Anker vermieden werden. Eine elektronische Schaltung, der Treiber, ersetzt hier den mechanischen Kommutator mit Bürste, der sonst beim Gleichstrommotor die an den Wicklungen anliegende Phase laufend umschaltet, um die Drehbewegung des Motors aufrecht zu halten. Der Motortreiber bewirkt eine ähnliche zeitgesteuerte Stromverteilung wie der mechanische Kommutator mit Bürste.

BLDC-Motoren haben mehrere Vorzüge gegenüber Gleichstrommotoren mit Bürsten: ein höheres Drehmoment pro Gewicht, höhere Zuverlässigkeit, geringere Geräuschentwicklung, längere Lebensdauer (keine Bürste und kein Kommutator, die verschleißen), ionisierende Funken und Staub vom Kommutator werden eliminiert, höhere Leistung und allgemein geringere elektromagnetische Interferenz (EMI).

Weil der Rotor keine Wicklungen trägt, können auch keine Fliehkräfte an diesen auftreten, und weil die Wicklungen vom Gehäuse getragen werden, können sie durch Wärmeleitung gekühlt werden. Letzteres bedeutet, dass kein Kühlluftstrom im Motor erforderlich ist. Somit ist die innere Struktur des Motors vollständig geschlossen und damit vor Schmutz oder anderen Fremdkörpern geschützt.

Die maximale Leistungsaufnahme eines BLDC-Motors ist außerordentlich hoch und wird praktisch nur durch die Wärmeentwicklung beschränkt, welche die Magnete schwächen kann, denn Magnete werden durch zu hohe Temperaturen entmagnetisiert. Der Hauptnachteil eines solchen Antriebs sind die höheren Kosten. Ein Hybrid-Schrittmotor ist ein bürstenloser Synchronmotor, der eine vollständige Umdrehung in eine große Zahl von Schritten unterteilen kann.

Die Lage des Motors kann präzise ohne Sensoren zur Positionsrückmeldung gesteuert werden, solange der Motor sorgfältig entsprechend der Anwendung dimensioniert ist. Details zur Positionsrückmeldung sind im kommenden Heft zu finden. Bei Schrittmotoren befinden sich im Prinzip mehrere »gezähnt« angeordnete Elektromagnete rings um ein zahnradförmiges Eisenteil. Die Elektromagnete werden durch einen Treiber erregt.

Um eine Drehung der Motorwelle zu erzeugen, wird erst an einen Elektromagneten Strom angelegt, wodurch die Zähne des Zahnrads magnetisch von den Zähnen des Elektromagneten angezogen werden. Wenn die Zähne des Zahnrads in dieser Weise zum ersten Elek-tromagneten ausgerichtet sind, sind sie leicht gegenüber dem nächsten Elektromagneten versetzt. Wenn also der nächste Elektromagnet eingeschaltet und der erste ausgeschaltet wird, dreht sich das Zahnrad ein Stück weiter, um sich zum nächsten Elektromagneten auszurichten, wo der Vorgang wiederholt wird.

Jede dieser kleinen Drehungen wird als »Schritt« bezeichnet, wobei eine ganze Umdrehung immer eine ganze Zahl von Schritten ist. Auf diese Weise kann der Motor um einen exakten Winkel gedreht werden. Daher kommen Hybrid-Schrittmotoren oft für Positionssteuerungsanwendungen zum Einsatz. Wegen der hohen Anzahl der Zähne (meist 200 Schritte pro Umdrehung) haben Hybrid-Schrittmotoren ein hohes Drehmoment bei niedriger Drehzahl, aber nur einen begrenzten Drehzahlbereich (meist unter 1500 U/min).

Leider neigen Hybrid-Schrittmotoren zu Geräuschen und Vibrationen, auch ist ihr Wirkungsgrad im offenen Regelkreis eher niedrig. In Verbindung mit einem »LoadSense«-Treiber von Sonceboz werden diese Nachteile behoben; dieser wird im nächsten Heft näher beleuchtet. Diese Motoren können jetzt in Anwendungen mit niedriger Drehzahl und hohem Drehmoment (z.B. Schlauchpumpen) einen sehr guten Direktantrieb darstellen.

Vorteile des PWM-Motortreibers

Die Geschichte moderner Motortreiber beginnt in den 1970er-Jahren mit der Einführung des MOSFETs als Schaltelement. Dieser ist heute der bei weitem am häufigsten verwendete Transistortyp in integrierten Schaltkreisen ebenso wie bei Leistungsanwendungen. Im Gegensatz zu seinem Vorläufer, dem Bipolartransistor wird er hauptsächlich zum Ein- und Ausschalten verwendet.

Die Verwendung von Schaltelementen in Leistungsanwendungen hat auch die Art und Weise grundlegend verändert, wie wir Energie umwandeln. Einer der ersten und auch einfachsten Treibertypen, die für Schrittmotoren verwendet wurden, ist der gemeinhin als »L/R-Drive« bezeichnete Treiber. Der Name leitet sich vom Phasenwiderstand R und der Phaseninduktivität L des Motors her.

Diese beiden Motorparameter hängen von der Motorwicklung ab, also der Anzahl der Windungen in einer Wicklung und dem Durchmesser der Kupferwicklung in jeder Spule. R und L können so gewählt werden, dass der Motor bei einer bestimmten anliegenden Spannung gut arbeitet. Der maximale Phasenstrom in einer Phase wird einfach durch R beschränkt, und die Motordynamik (Anstiegszeit) lässt sich über das Verhältnis L/R steuern (Bild 2).

Die modernere und effizientere Technik, die der MOSFET erst möglich machte, ist diejenige, die man heute als PWM (Pulsweitenmodulation) bezeichnet. Mit ihrer Hilfe lässt sich Gleichspannung in eine Wechsel- beziehungsweise Sinusspannung umwandeln. Das Arbeitsprinzip eines einfachen PWM-Treibers, auch als Chopper-Treiber bezeichnet, erläutert das Beispiel in Bild 2. Nehmen wir an, es soll eine konstante Spannung A von 1 V mit Schaltelementen in eine Wechselspannung B umgewandelt werden.n.

Als erstes muss hierfür eine Schaltfrequenz f mit einem Tastverhältnis D festgelegt werden. Dann ist leicht zu sehen, dass eine Spannung B = 0,5 V erzeugt werden kann, indem auf A ein Tastverhältnis von 50% z.B. mit einer Schaltfrequenz von f = 20 kHz angewandt wird.

Dies gilt grundsätzlich für jedes Tastverhältnis D, und in dieser Weise kann eine annähernd sinusförmige Spannung B erzeugt werden. Moderne Motortreiber nutzen samt und sonders die PWM-Technik, um eine Gleichspannung in sinusförmige Motorströme umzuwandeln.

Das einfache Beispiel in Bild 1 besitzt nur einen MOSFET-Schalter, während moderne Treiber für Schrittmotoren vier MOSFETs pro Phase besitzen. Dies ist nur möglich dank der verringerten Größe und Kosten, die eine Folge des Mooreschen Gesetzes sind.

Der Vorteil der PWM-Technik bei der Umwandlung einer Gleichspannung in eine Motor-Wechselspannung ist der höhere Wirkungsgrad des Motors und eine maximale Motordrehzahl, die sich mit einer bestimmten anliegenden Spannung erreichen lässt. Der PWM-Treiber erhöht auch das Drehmoment, weil ein größerer Teil der Ankerwicklung gleichzeitig erregt werden kan