Wunscheigenschaften von Antrieben selbst bestimmen

Die Autoren: Dominik Häßler, Projektingenieur Applikation Entwicklung industrielle Antriebstechnik, ebm-papst, und Andreas Zeiff, Redaktionsbüro Stutensee

Motoren elektronisch zu regeln und damit variable Drehzahlen, Drehmomente oder begrenzte Leistungsabgabe nach Bedarf einzustellen wird in der Automatisierung zunehmend gefordert. Bei ebm-papst verfolgt man diesen Trend schon lange und hat mittlerweile die komplette Antriebssteuerung und Leistungselektronik als K4-Modul in den Antrieb integriert. Das erweitert die Einsatzmöglichkeiten moderner, elektronisch kommutierter Antriebe. Musste man herkömmliche DC-Antriebe auf bestimmte Drehmoment- oder Drehzahlbereiche mechanisch auslegen, so decken EC-Motoren von Hause aus einen viel größeren Bereich ab. Die integrierte Ansteuerung erlaubt es nun, dieses Potenzial zu 100 % auszuschöpfen, ohne Abstriche bei der Zuverlässigkeit zu haben. Zudem erleichtert dezentrale Intelligenz im Antrieb die Integration in die Anwendung und erspart Verkabelungsaufwand und Montagezeit.

Moderne EC-Antriebe punkten durch einen robusten Aufbau: Die Magnetkreise können selbst hohen mechanischen und elektromagnetischen Belastungen problemlos widerstehen. Daraus ergibt sich ein enormes Leistungspotenzial bei hohem Wirkungsgrad, wobei allerdings die Leistungsbandbreite bisher nur in seltenen Fällen wirklich genutzt wird. Die neue Ansteuerelektronik K4 ändert das nun grundlegend. Sie überwacht die Antriebe und ermöglicht im Rahmen der vorgegebenen Parameter 100 % Motorauslastung. Antriebsvorteile wie volles Motordrehmoment ab Drehzahl 0 bei hoher kurzzeitiger Überlastfähigkeit, etwa um schwere Lasten zu beschleunigen, lassen sich so optimal nutzen. Derselbe Antrieb kann neu parametriert auch feine Fäden bei variabler Drehzahl aufwickeln oder ähnlich wie ein Schrittmotor betrieben werden und gezielt bestimmte Positionen auf Abruf selbsttätig anfahren.

Die flexible Steuerung ermöglicht es, den Antrieb maßgeschneidert an die Anforderungen der Anwendung anzupassen. Drei Haupt-Betriebsmodi sind dabei möglich, der Motor arbeitet entweder im Drehzahl-, Positionier- oder Drehmomentmodus und entlastet dadurch externe Steuerungen. Die voll integrierte Regelelektronik bietet mehrere analoge und digitale Ein- und Ausgänge, die über eine RS485-Schnittstelle parametrierbar sind. Ebenso kann über zahlreiche Überwachungsfunktionen, wie Spannung, Strom, Drehzahl, Temperatur usw. die Funktion des Antriebs im Betrieb kontrolliert werden. Der Anwender kann sich so auf die Kernkompetenz seiner Entwicklung konzentrieren und der Antrieb wird mit optimalen Werten im zulässigen Kennfeld angesteuert. Zudem reduziert sich die Anzahl der nötigen Antriebsvarianten für Anwender mit breitem Anforderungsprofil enorm und nachträgliche Anpassungen im Betrieb sind ebenfalls möglich. Die Steuerungs- und Leistungselektronik macht den modernen Antrieb flexibel einsetzbar und kann über das leistungsfähige PC-Parametriertool Kickstart schnell parametriert werden. Viele Anwendungen für das Konzept sind denkbar, zwei Beispiele aus der Praxis zeigen das Potenzial:

Eine präzise und reproduzierbare Positionierung ist beispielsweise beim Einsatz des ECI 63.20-K4 als Lenkmotor für eine aktive Hinterachse in Transportfahrzeugen gefordert. Dazu gibt die Fahrzeugsteuerung einen Sollwinkel an den Motor aus, der im Schrittmotormodus arbeitet. Der Antrieb setzt diese Eingabe dann eigenständig in einen entsprechenden Lenkwinkel um. Da die integrierte Steuerung die Lenkwinkelvorgaben motorgerecht aufbereitet und an den Leistungsteil weitergibt, muss sich der Anwender nicht mehr um die Motorsteuerung kümmern und kann sich auf die Kernaufgabe, die richtige Positionierung, konzentrieren. Zusätzlich werden je nach Vorgabe Strom, Spannung, Position, Drehzahl und andere Parameter in einem Diagnosetool ständig überwacht und gegebenenfalls wird ein Alarm ausgegeben. Ein Parametriertool erleichtert die Einarbeitung und verkürzt drastisch Entwicklungs- bzw. Testzeiten. Mit nur wenigen Mausklicks sind ganze Funktionsabläufe schnell zusammengestellt, die über zwei digitale Eingänge aktiviert werden können.

Durch die kompakten Maße und die hohe Überlastfähigkeit eignen sich die Antriebe der ECI- und der VDC-Reihe für Einsätze auf engem Raum mit dynamischen Anforderungen. Ein gutes Beispiel dafür ist eine Ausschleuseeinheit in der Fördertechnik. Im vorliegenden Fall wird ein Antrieb auf Basis des Motortyps VDC-3–49.15-K4 eingesetzt. Er integriert bei nur 120 mm Baulänge und 63 mm Durchmesser sowohl den Motor als auch das Planetengetriebe und die zugehörige K4 Elektronik. „Neben dem kompakten Aufbau profitiert der Anwender hier von der schnellen Parametrierung der Antriebe“, sagt Dominik Häßler, ebm-papst-Entwickler „Jeder Motor kann über die Elektronik individuell auf seine Antriebsaufgabe in der Förderstrecke eingestellt werden, das optimiert die Anlage bei gleichzeitig sinkenden Kosten für die Ersatzteilvorhaltung. Die Anzahl unterschiedlicher Antriebseinheiten reduziert sich so drastisch.“

Trotz der geringen Abmaße transportieren die Antriebe Pakete mit einem Gewicht von bis zu 50 kg bei einer Geschwindigkeit von rund 1 m/s. Die für die Verteilung bzw. Ausschleusung wichtige Beschleunigung des aufliegenden Paketgewichts beträgt etwa 2,5 m/s2. Hier kommt dem Antrieb der große Wirkungsgrad der EC-Motoren zusammen mit der ausgeprägten Überlastfähigkeit zugute. Hohe, kurzzeitige Belastungsspitzen können durch die geringen Verluste und das schlanke Motordesign thermisch gut beherrscht werden.

Da die Elektronik immer nur im von der Motorauslegung vorgegebenen Leistungsbereich arbeiten kann, ist auch diese Motorreihe nach dem Baukastenprinzip aufgebaut: Um den passenden EC-Antrieb werden beliebige Komponenten wie Getriebe, Bremsen oder Elektronikmodule für die Anwendung individuell zusammengestellt. Die K4 Elektronik erweitert dann die Einsatzbandbreite dieses so konfigurierten Antriebs nochmals um ein Vielfaches, indem sie mit besonders präziser Regelung und Kontrolle das volle Potenzial des jeweiligen EC-Motors zur Verfügung stellt. Das Spektrum reicht bei den Innenläufermotoren der Serie ECI bis 400 W und bei den elektronisch kommutierten Außenläufermotoren Variodrive Compact, bis 120 W. I

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