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Antriebe per Software konfigurieren Maßgeschneiderte Motoren

Moderne Elektromotoren können dank integrierter Ansteuerelektronik programmiert und so an die Anforderungen der jeweiligen Applikation angepasst werden. Auf diese Weise arbeitet ein Antrieb drehmomentgesteuert zur Fadenaufwicklung oder drehzahlgesteuert beim Einsatz in einer Pumpe.

In der Automatisierung wird zunehmend gefordert, Motoren elektronisch zu regeln und damit variable Drehzahlen und Drehmomente oder eine begrenzte Leistungsabgabe nach Bedarf einzustellen. Um diesem Trend zu begegnen, hat ebm-Papst die komplette Antriebssteuerung und Leistungselektronik in einen Antrieb integriert ( Bild 1). Das erweitert die Einsatzmöglichkeiten elektronisch kommutierter Antriebe. Während herkömmliche DC-Antriebe mechanisch auf bestimmte Drehmoment- oder Drehzahlbereiche ausgelegt werden müssen, decken EC-Motoren einen viel größeren Bereich ab. Die integrierte Ansteuerung erlaubt es nun, dieses Potenzial auszuschöpfen. Zudem erleichtert die dezentrale Intelligenz im Antrieb die Integration in die Anwendung und erspart Verkabelungsaufwand sowie Montagezeit.

Die Magnetkreise moderner EC-Antriebe widerstehen hohen mechanischen und elektromagnetischen Belastungen. Daraus ergibt sich ein enormes Leistungspotenzial bei hohem Wirkungsgrad, das bislang allerdings nur in seltenen Fällen wirklich genutzt wird. Die neue Ansteuer­elektronik mit der Bezeichnung K4 ändert das grundlegend. Sie überwacht den Antrieb und ermöglicht im Rahmen der ­vorgegebenen Parameter eine hundertprozentige Motorauslastung. Antriebsvorteile wie volles Motordrehmoment ab Drehzahl Null bei hoher kurzzeitiger Überlastfähigkeit, etwa um schwere Lasten zu beschleunigen, lassen sich so optimal nutzen. Derselbe Antrieb kann neu parametriert auch feinste Fäden bei variabler Drehzahl aufwickeln oder ähnlich wie ein Schrittmotor betrieben werden und auf Abruf gezielt bestimmte Positionen selbsttätig anfahren.

Vorteile einer integrierten Steuerung

Die flexible Steuerung ermöglicht es, den Antrieb maßgeschneidert an die Anforderungen der Anwendung anzupassen. Dabei sind drei Hauptbetriebsmodi möglich: Der Motor arbeitet entweder im Drehzahl-, Positionier- oder Drehmomentmodus und entlastet dadurch externe Steuerungen. Die integrierte Regelelektronik bietet mehrere analoge und digitale Ein- und Ausgänge, die über eine RS-485-Schnittstelle parametrierbar sind. Ebenso kann über zahlreiche Überwachungsfunktionen für beispielsweise Spannung, Strom, Drehzahl und Temperatur 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 Kennlinienfeld angesteuert. Zudem reduziert sich die Anzahl der nötigen Antriebsvarianten für Anwender mit breitem Anforderungsprofil, und nachträgliche Anpassungen im Betrieb sind ebenfalls möglich. Die Steuerungs- und Leistungselektronik macht den modernen Antrieb sehr flexibel einsetzbar und kann über das leistungsfähige PC-Tool ‚Kickstart‘ schnell parametriert werden ( Bild 2 ). Für das Konzept sind zahlreiche Anwendungen denkbar, zwei Beispiele aus der Praxis zeigen das Potenzial.

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Flexibel einsetzbare Antriebe. Durch die Integration der K4-Elektronik in EC-Motoren lässt sich deren Potenzial voll ausnutzen. Die flexible Steuerung erlaubt es, den Motor im Drehzahl-, Positionier- oder Drehmomentmodus zu betreiben und so die externe Steuerung zu entlasten. Ein Antrieb kann damit maßgeschneidert an die Anforderungen unterschiedlicher Anwendungen angepasst werden.
Auswahl aus dem Baukasten. Die Motorreihen ECI und VDC sind nach dem Baukastenprinzip aufgebaut: Um den passenden EC-Antrieb werden Komponenten wie Getriebe, Bremsen oder Elektronikmodule für die Anwendung individuell zusammengestellt. Die K4-Elektronik erweitert die Einsatzbandbreite der konfigurierten Antriebe nochmals um ein Vielfaches, indem sie mit präziser Regelung und Kontrolle das volle Potenzial des jeweiligen EC-Motors zu Verfügung stellt. Das Spektrum reicht bei den Innenläufermotoren der Serie ECI bis 400 W und bei den elektronisch kommutierten Außenläufermotoren der Serie Variodrive Compact bis 120 W.

Genaue Positionierung für Fahrzeuglenkung

Eine präzise und reproduzierbare Positionierung ist 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 weiter gibt, muss sich der Anwender nicht um die Motorsteuerung kümmern und kann sich auf seine Kernaufgabe – die richtige Positionierung – konzentrieren. Zusätzlich überwacht das Diagnosetool je nach Vorgabe Strom, Spannung, Position, Drehzahl sowie andere Parameter und gibt gegebenenfalls einen Alarm aus.

Ein Parametriertool erleichtert die Einarbeitung und verkürzt Entwicklungs- beziehungsweise Testzeiten. Nach nur wenigen Mausklicks sind ganze Funktionsabläufe schnell zusammengestellt, welche über zwei digitale Eingänge aktiviert werden können.

Antriebe in der Intralogistik

Durch die kompakten Abmessungen und die hohe Überlastfähigkeit eignen sich die Antriebe der Reihen ECI und VDC ( Bild 3) für Einsätze mit dynamischen Anforderungen auf engem Raum. Ein 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 120 mm Baulänge und 63 mm Durchmesser sowohl den Motor als auch das Planetengetriebe und die zugehörige Elektronik. Neben dem kompakten Aufbau profitiert der Kunde von der schnellen Parametrierung der Antriebe. 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 Abmessungen transportieren die Antriebe Pakete mit einem Gewicht von bis zu 50 kg bei einer Geschwindigkeit von rund 1 m/s. Die für die Verteilung beziehungsweise Ausschleusung wichtige Beschleunigung des aufliegenden Paketgewichts beträgt rund 2,5 m/s². Hier kommt dem Antrieb der hohe 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.

Autoren

Dominik Häßler ist als Projektingenieur, Applikationsentwicklung industrielle Antriebstechnik bei ebm-Papst tätig. Dipl.-Chem. Andreas Zeiff ist Autor beim Redaktionsbüro Stutensee.

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