Wie elektronische Steuerungen die Leistung, Effizienz und Fähigkeit von Elektromotoren steigern

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Wenn Sie an Führungen durch ein Warenlager von Amazon teilnehmen, finden Sie sich in einem Betriebsbereich von typischerweise rund 75.000 Quadratmetern – eine Fläche, die mehr als 10 Fußballfeldern entspricht – verteilt auf vier Etagen wider.

Und dieser riesige Raum ist hauptsächlich einer Aktivität gewidmet: der Handhabung von Waren. Manchmal mit Förderbändern, andere Male mit Bodenrobotern, die wie animierte Pflasterplatten aussehen, und gelegentlich mit Roboterarmen für Kommissionieraktivitäten.

Alle diese Bewegungsarten haben eine gemeinsame Notwendigkeit an Elektromotoren: von leistungsstarken Typen für die Förderbänder bis hin zu kompakten, hochpräzisen Produkten in den Roboterarmen.

Während der Bedarf an Industriemotoren in Warenlagern wie diesem besonders offensichtlich ist, sind sie in allen Arten von industriellen Fertigungs- und Produktionsstätten gleichermaßen allgegenwärtig. Eine einzelne Fertigungsstätte kann Hunderte von Motoren aufweisen und ein IEA-Bericht aus dem Jahr 2022 hat gezeigt, dass 70 Prozent der verbrauchten Industrieleistung auf die Verwendung von Elektromotoren und -systemen zurückzuführen ist. Das bedeutet, dass jede Verbesserung bei Effizienz und Zuverlässigkeit maßgebliche positive Auswirkungen auf die Betriebskosten und die Umwelt haben kann.

Historische Entwicklung

Als Elektromotoren im 19. Jahrhundert erstmals in Fertigungsstätten aufgetaucht sind, war die Energieeffizienz kein großes Problem, da sich das Interesse mehr auf die Fähigkeit der Motoren konzentriert hat, Handarbeit und Dampfmaschinen zu ersetzen. Mit zunehmender Komplexität der Branchen ist jedoch auch die Nachfrage nach effizienteren und spezielleren Elektromotoren gestiegen. Unternehmen mit Spezialisierung auf die Herstellung von Elektromotoren haben verschiedene Motortechnologien wie Synchron- und Asynchronmotoren an die Bedürfnisse bestimmter Branchen angepasst.

Militärverträge im Zweiten Weltkrieg und der Wirtschaftsboom der Nachkriegszeit haben das notwendige Kapital für Forschung und Entwicklung geliefert, was zu deutlichen Verbesserungen der Effizienz von Elektromotoren geführt hat. In den folgenden Jahren wurde im Rahmen des Fokus auf Energieeinsparung und Nachhaltigkeit verstärktes Augenmerk auf die Effizienz von Elektromotoren gelegt. Elektromotoren mit weniger Wärmeverlust, niedrigem Energieverbrauch und höherem Drehmoment wurden verfügbar.

Innovation und Entwicklung haben sich bis heute fortgesetzt und werden dies ohne Zweifel auch in der Zukunft mit dem Ziel tun, mit den sich schnell entwickelnden Anforderungen vielfältiger und diverser industrieller Umgebungen Schritt zu halten. Motoren sind zu hocheffizienten und spezialisierten Maschinen geworden, die ein wichtiger Bestandteil moderner Industrien auf der ganzen Welt sind.

Diese hochentwickelten Fähigkeiten beruhen auf zwei Schlüsselfaktoren – den elektrischen und mechanischen Eigenschaften der Motoren selbst sowie den Fähigkeiten der Elektronik und Software, mit denen sie angetrieben werden.

Der folgende Artikel befasst sich mit dem neuesten Stand der Technik für industrielle Elektromotoren, wobei zunächst die allgemeinen Fähigkeiten moderner elektrischer Antriebe dargelegt werden und dann erklärt wird, wie diese bei den verschiedenen derzeit verfügbaren Arten von Motortechnologien angewendet werden. Für jede dieser Arten von Motoren zeigen wir die Lösungen verschiedener Hersteller mit Produktbeispielen.

Elektrische Antriebe

Das E-Book zum Thema Motorsteuerung von AMD beschreibt, wie ein elektrischer Antrieb eine Gruppe von Systemen zur Bewegungssteuerung ist. Diese Edge-Geräte bestehen aus Stromquelle, Leistungswandler, Motor, mechanischer Last und Steuerung. Moderne elektrische Antriebe verwenden auch Industrial Ethernet zum Austausch von Befehls- und Statusdaten mit Steuerungen auf Systemebene, wie SPSen und Bewegungssteuerungen, die das System verwalten, mit dem der elektrische Antrieb verbunden ist.

Sie verfügen über Feldbus-Konnektivität (die Möglichkeit, mehrere Maschinen zu verbinden), Positionsregelung, Drehzahlregelung, Drehmomentregelung und Leistungsanpassung (Modulation des Stromverbrauchs zur Minimierung der Motorbelastung). Im Jahr 2010 sind integrierte Sicherheitsmechanismen hinzugekommen. Dies hat zur Einführung der funktionalen Sicherheit nach IEC 61508 in die Fertigungsspezifikation und der Maschinensicherheitsnorm ISO 13849 geführt. Um 2016 hat die Branche Cloud-Konnektivität und zeitkritische Netzwerke (TSN) auf den Markt gebracht und seitdem ist die Komplexität elektrischer Antriebe weiter gestiegen.

Zusammen mit der Entwicklung des Antriebs hat es in den letzten Jahrzehnten ständige Änderungen an Software und Systemen gegeben. Vor den 1990er Jahren wurden die meisten Anwendungen in Assembler- oder C-Sprache programmiert. Mitte des Jahrzehnts hatte sich C++ etabliert, Python hat an Popularität gewonnen und Simulink von MATLAB hat sich vermehrt durchgesetzt. Darüber hinaus war das Linux-Betriebssystem zur Standardoption für die Verwaltung von Antriebssystemen geworden. Seitdem wurden diese Plattformen und Tools weiter ausgebaut, beispielsweise mit Simulink 6 im Jahr 2004 und Python 3 im Jahr 2008.

Neben der Entwicklung von Software sind Siliziumkarbid (SiC)- und Galliumnitrid (GaN)-Technologien auf dem Markt gekommen. SiC und GaN haben den Vorteil, dass sie einer höheren Spannung standhalten können als Silizium allein. Sie können Mechanismen mit sehr hoher Schaltfrequenz bieten und bei sehr hohen Temperaturen und Frequenzen arbeiten, was sie ideal für den Einsatz in Hochspannungsmotoren für Hochstrom- und Hochleistungsanwendungen macht.

Die Motorsteuerung ist der Prozess der kontinuierlichen Regelung der Magnetfelder durch die Messung von Strom, Rotorposition und Abweichung vom gewünschten Sollwert. Dabei wird Drehzahl, Drehmoment und Position bestimmt und der Motor geschützt, indem er alle Parameter im Betriebsbereich des Motors hält. Dieser dynamische Prozess misst kontinuierlich Ströme und die Rotorposition. Wenn ein Motor langsamer läuft, treibt die durch die Motorsteuerung erzeugte Spannung den Rotor dazu an, diesem Tempo zu folgen und nicht vorauszulaufen. Die Motorsteuerung liest Daten vom Motor und wenn sich der Rotor hinter oder vor seiner erwarteten Position befindet, reagiert er mit einer schnellen Synchronisierung.

Die Motorsteuerung erzeugt wiederholt genaue Eingangs-/Ausgangsparameter – je schneller, desto besser. Je mehr Berechnungen Sie ausschließlich dem Motor zuordnen können, desto präziser werden Ihre Ergebnisse. Wenn Sie die nächste Spannung genau berechnen können, haben Sie eine bessere Chance, den Kraftwinkel des Motors genau zu steuern. Ein Motor sollte immer ein Magnetfeld aufbauen, das die beste Ausrichtung zur Bewegung des Rotors aufweist. Das sich bewegende Feld sollte immer über den genauen Winkel verfügen und optimiert sein, um dem Drehmoment oder der Drehzahl zu entsprechen, das/die Sie erzeugen möchten. Dies kann dazu beitragen, dass die Energie in Drehmoment an den Rotor umgewandelt und nicht verschwendet wird. Wenn Sie einen Motor mit einer Steuerung sehr präzise steuern können, können Sie Geräuschpegel und Vibrationen reduzieren und elektromagnetische Emissionen minimieren.

Wie bereits erwähnt, beruht der Betrieb eines Elektromotors auf der Erzeugung und Steuerung von Magnetfeldern. Dies bedeutet, dass es erforderlich sein kann, dass ein unvollkommener Magnet bei jeder Rotorumdrehung von der Motorsteuerung angepasst wird. Jeder Magnet hat sein eigenes spezielles Verhaltensmuster. Je besser Sie die Magnetkraft messen können, desto höhere Leistung können Sie mit Ihrem Motor erzielen. Das Korrigieren von Inkonsistenzen bei jeder Rotorumdrehung kann zu einer besseren Effizienz führen und sich direkt auf die Lebensdauer des Motors auswirken.

Parameter, die mit der Motorsteuerung verwaltet werden können

Elektromagnetische Störung (EMI): Motoren können eine intelligente Pulsweitenmodulation dazu verwenden, Spitzen zu vermeiden und die Rauschverteilung zu verbessern.

Drehmoment: Die Motorsteuerung kann die Leistung oder Kraft einstellen oder die Effizienz durch Einstellen des Rotorwinkels beeinflussen.

Synchronisierung der Motoren: Sie können die Last auf mehrere Motoren verteilen, wenn Sie sie mit demselben Chip steuern können. Alle Motoren können mit der gleichen Drehzahl und mit den gleichen Rotorwinkeln laufen. In vielen Fällen können vier kleinere, synchronisierte Motoren eine langlebigere und zuverlässigere Lösung bieten als ein größerer Motor.

Sicherheit: Der sichere Antrieb ist normalerweise ein Motorsteuergerät mit einem zusätzlichen Bereich, der überwacht, ob der Motor innerhalb eines erwarteten Bereichs betrieben wird. Es gibt eine sicherheitsbegrenzte Position oder Drehzahl mit zusätzlicher Schaltung oder einem zusätzlichen Bereich auf dem Chip, die/der überwacht, ob der Motor mit der erwarteten Drehzahl läuft. Wenn ein Motor zu langsam läuft, können Sie ihn als Sicherheitsmaßnahme ausschalten.

Vorausschauende Wartung und Verlängerung der Lebensdauer: Sie können die Lebensdauer des Motors mit vorausschauender Wartung verlängern, welche von der Motorsteuerung verwaltet wird. Sie können das Motor-Feedback einsehen und auf Änderungen kontrollieren. Die Ströme, die zum Motor fließen, sind möglicherweise nicht an allen Anschlussdrähten gleich. Sie können eine Benachrichtigung erhalten, wenn ein lockeres oder kaputtes Kabel ein Feedback-Signalintervall ändert – und mit vorausschauender Wartung können Sie Abhilfemaßnahmen ergreifen, bevor die Abweichung zu einem Fehler führt.

Intelligente Motorsteuerungssysteme können die Motorleistung überwachen und Echtzeitdaten sammeln, um vorausschauende Wartungspraktiken zu ermöglichen. Durch die Analyse des Motorverhaltens und die frühzeitige Erkennung von Fehlfunktionen oder Verschleiß können Wartungsaktivitäten proaktiv geplant werden. Dies verhindert unerwartete Ausfallzeiten, verlängert die Lebensdauer des Motors und senkt die Reparaturkosten.

Energieeffizienz: Einer der vielversprechendsten Anwendungsfälle für die industrielle Motorsteuerung ist die Steigerung der Energieeffizienz. Intelligente Motorsteuerungssysteme umfassen oft fortschrittliche Algorithmen und Technologien zur Optimierung des Energieverbrauchs. Durch die Reduzierung von Leistungsverlusten und die Verbesserung der Motoreffizienz können diese Funktionen zu erheblichen Energieeinsparungen führen, was sich in niedrigeren Stromrechnungen und geringeren Betriebskosten niederschlägt.

In unserem Artikel: „Mehrere Möglichkeiten zur Verbesserung der Energieeffizienz in der Fertigung“ wird darauf eingegangen, wie energieeffiziente Motoren und Antriebe zur allgemeinen Energieeffizienz in der industriellen Fertigung beitragen können.

Dämpfung des Geräuschpegels: Drehmomentwelligkeit, magnetische Störungen und Vibrationen sind oft die Ursache für hohe Geräuschpegel in Motoren. Motorsteuertechniken können dazu verwendet werden, sowohl Geräusche als auch Vibrationen in verschiedenen Anwendungen zu minimieren, in denen dies ein Problem darstellt.

Zustandsüberwachung

Viele intelligente Motorsteuerungen ermöglichen eine kontinuierliche Überwachung der Motorbedingungen, einschließlich Temperatur-, Vibrations- und Lastschwankungen. Durch die Erkennung von Anomalien oder ungewöhnlichen Mustern können diese Systeme Bediener auf potenzielle Schwierigkeiten aufmerksam machen, bevor sie zu handfesten Problemen werden. Dies ermöglicht zeitnahe Korrekturmaßnahmen, minimiert das Risiko von Motorausfällen und vermeidet kostspielige Produktionsunterbrechungen.

Fehlerdiagnose

Fortschrittliche Motorsteuerungssysteme verwenden Diagnosealgorithmen zur Analyse von Motorleistungsdaten. Sie können spezifische Fehler oder Abweichungen von optimalen Betriebsbedingungen identifizieren und den Ursachen von Motorproblemen auf den Grund gehen. Dies erleichtert eine schnellere Fehlerbehebung und reduziert den Zeit- und Ressourcenaufwand für die Fehlerdiagnose, was wiederum zu Kosteneinsparungen führt.

Präzisionskontrolle

Intelligente Motorsteuerungsfunktionen bieten oft mehr Präzision und Genauigkeit bei der Motorsteuerung, was eine bessere Drehzahl- und Drehmomentregelung ermöglicht. Dies kann zu einer verbesserten Prozesskontrolle, einer höheren Produktqualität und reduzierten Ausschussraten führen. Durch die Minimierung von Abweichungen und Fehlern können diese Funktionen die betriebliche Gesamteffizienz verbessern und die mit Nacharbeit oder abgelehnten Produkten verbundenen Kosten senken.

Fernüberwachung und -steuerung

Dank Netzwerkkonnektivität kann auf viele intelligente Motorsteuerungssysteme aus der Ferne zugegriffen und sie remote gesteuert werden. Dies ermöglicht eine Überwachung und Anpassung in Echtzeit, ohne dass eine physische Anwesenheit erforderlich ist, was Zeit und Reisekosten spart. Darüber hinaus erleichtert der Fernzugriff die zentrale Steuerung und Koordination mehrerer Motoren über verschiedene Standorte hinweg, wodurch die Ressourcenallokation optimiert wird und die Betriebskosten reduziert werden.

Integration und Kompatibilität

Intelligente Motorsteuerungssysteme sind oft so konzipiert, dass sie sich nahtlos in andere Automatisierungssysteme und Industrieprotokolle integrieren lassen. Diese Kompatibilität ermöglicht eine optimierte Kommunikation und Koordination zwischen verschiedenen Bauelementen, wie z. B. speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) oder Überwachungssteuerungs- und Datenerfassungssystemen (SCADA). Diese Integration reduziert die Implementierungskosten und fördert die Interoperabilität in industriellen Umgebungen.

Skalierbarkeit und Flexibilität

Viele intelligente Motorsteuerungslösungen bieten Skalierbarkeit und ermöglichen die Erweiterung oder Änderung von Motorsteuerungssystemen, sodass sie sich ändernden Anforderungen gerecht werden. Diese Flexibilität reduziert die Kosten für zukünftige System-Upgrades oder -austausche und gewährleistet langfristige Kosteneffizienz und Anpassungsfähigkeit an sich wandelnde betriebliche Bedürfnisse.

Verschiedene Motortypen und zugehörige Steuerungslösungen

Es gibt ein breites Spektrum verschiedener Arten von AC- und DC-Motoren und ihren Varianten. Abb. 1 stellt den Sachverhalt anhand einer Hierarchie mit einer reduzierten Anzahl von Varianten vereinfacht dar. Die gezeigten Varianten wurden berücksichtigt, da sie von elektronischen Steuerungslösungen verschiedener Halbleiterhersteller gut abgedeckt sind. Es gibt jedoch noch viele weitere Varianten und Untervarianten.

Abbildung 1: Vereinfachte Elektromotor-Hierarchie

AC-Motoren

3AC-Motoren werden entweder mit einphasigem oder dreiphasigem Wechselstrom betrieben. Wenn Wechselstrom durch die Statorwicklung strömt, erzeugt sie ein rotierendes Magnetfeld (RMF). Der Rotor, der sein eigenes elektrisches Feld hat, folgt dem RMF und beginnt sich zu drehen.

Synchronmotoren

3AC-Synchronmotoren haben eine Drehzahl, die sich nur dann ändert, wenn sich die Versorgungsstromfrequenz ändert. Für variierende Lasten bleibt sie konstant. Solche Motoren werden für Anwendungen mit konstanter Geschwindigkeit und Präzisionssteuerung verwendet.

3Permanentmagnet-Synchronmotoren (PMSMs) sind Varianten, bei denen die Rotorwicklungen durch einen Permanentmagneten ersetzt werden. PMSMs, die für ihre hohe Zuverlässigkeit und Effizienz, ihr geringes Rauschen und ihre dynamische Leistung bekannt sind, werden in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, einschließlich Industriemaschinen und Robotik. Ihr Permanentmagnetrotor bedeutet auch, dass sie ein höheres Drehmoment von einem kleineren Rahmen aus liefern.

3Für eine angemessene Leistung benötigen die Statorwicklungen sinusförmige Wellenformen, wofür ausgefeilte Steueralgorithmen erforderlich sind. Dementsprechend bietet Microchip Lösungen auf Basis seiner leistungsstärkeren Controller wie den Digitalsignalcontrollern (DSCs) dsPIC33, 32 Bit-PIC32MK oder Arm® Cortex-M®-basierten SAM-Mikrocontrollern (MCUs).

3Die DSC-Produktfamilie dsPIC33 bietet digitale Signalverarbeitungsleistung (DSP-Leistung) und fortschrittliche Motorsteuerungsperipheriegeräte, um die Wellenformen für fortschrittliche PMSM-Steuerungsalgorithmen wie feldorientierte Regelung (FOC), Feldschwächung, sensorlose Steuerung und Stillstandserkennung zu erzeugen. Die 32 Bit-PIC32MK- und SAM-MCUs verfügen über leistungsstarke Peripheriegeräte, die für eine Motorsteuerung mit hoher Geschwindigkeit und geschlossenem Regelkreis ausgelegt sind.

3Microchip bietet ein umfassendes Ökosystem, das Ihnen bei der Entwicklung fortschrittlicher PMSM-Steuerungslösungen wie der sensorlosen feldorientierten Regelung (FOC) hilft. Die Lösungen des Unternehmens unterstützen zudem oberflächenmontierbare Permanentmagnet-Synchronmotoren (SPMSMs) und Permanentmagnet-Synchronmotoren mit innenliegenden Magneten (IPMSMs).

Abbildung 2: PMSM-Motorsteuerungslösungen von Microchip

Asynchrone Induktionsmotoren

Der wichtigste Vorteil des Induktionsmotors ist seine einfache Bauweise, relativ niedrige Investitions- und Wartungskosten sowie eine robuste, mechanisch stabile und umweltverträgliche Konstruktion. Er verfügt über ein hohes Startdrehmoment, eine gute Drehzahlregelung und eine angemessene Überlastfähigkeit. Er ist äußerst effizient mit einem Wirkungsgrad bei Volllast von 85 bis 97 Prozent.

Asynchrone Induktionsmotoren sind in zahlreichen Branchen und Anwendungen weit verbreitet. Sie sind wahrscheinlich die beliebtesten AC-Motoren, die heute in der Industrie zum Einsatz kommen. Zu den Varianten gehören Käfigläufermotoren, Motoren mit Rotorwicklung und einphasige Industriemotoren.

Das intelligente Leistungsmodul FNA22512A von onsemi integriert Antriebs-, Schutz- und Steuerungsfunktionen und unterstützt eine Vielzahl von Steuerungsalgorithmen. Es verbessert die Leistung des Induktionsmotors, indem es eine hocheffiziente Wechselrichter-Endstufe mit optimiertem Gate-Antrieb für seine integrierten IGBTs und mehrere modulinterne Schutzfunktionen wie Unterspannungssperren, Überstromschutz, thermische Abschaltung und Fehlermeldungen bietet. Diese tragen dazu bei, elektromagnetische Störungen und Verluste zu minimieren und die allgemeine Effizienz des Motors zu verbessern.

Abbildung 3: Intelligentes Stromversorgungsmodul FNA22512A von onsemi

DC-Motoren

Ein DC-Motor verwendet Gleichstrom (DC) zur Erzeugung von mechanischer Kraft. Die gebräuchlichsten Arten beruhen auf magnetischen Kräften, die durch Ströme in den Spulen erzeugt werden. Fast alle DC-Motortypen verfügen über einen internen elektromechanischen oder elektronischen Mechanismus, der die Stromrichtung in einem Teil des Motors regelmäßig ändert.

DC-Motoren waren die erste Form von Motoren, die weit verbreitet waren, da sie von bestehenden DC-Beleuchtungsstromverteilersystemen gespeist werden konnten. Die Drehzahl eines DC-Motors kann über einen weiten Bereich gesteuert werden, entweder mit einer variablen Versorgungsspannung oder durch Ändern der Stromstärke in seinen Feldwicklungen.

Größere DC-Motoren werden derzeit für den Antrieb von Elektrofahrzeugen, Aufzügen und Hebezeugen sowie in Antrieben für Stahlwalzwerke eingesetzt. Das Aufkommen der Leistungselektronik hat den Ersatz von DC-Motoren durch AC-Motoren in vielen Anwendungen ermöglicht.

DC-Bürstenmotoren

Der elektrische DC-Bürstenmotor erzeugt Drehmoment direkt aus Gleichstrom, der dem Motor durch interne Kommutierung, stationäre Magnete (Permanent- oder Elektromagnete) und sich drehende Elektromagnete zugeführt wird.

Zu den Vorteilen eines DC-Bürstenmotors gehören niedrige Anschaffungskosten, hohe Zuverlässigkeit und einfache Regelung der Motordrehzahl. Diese Motoren eignen sich ideal für raue Betriebsumgebungen und bieten ein hohes Verhältnis von Drehmoment zu Trägheit. Nachteile sind ein hoher Wartungsaufwand sowie eine geringe Lebensdauer bei Anwendungen mit hoher Intensität. Die Wartung umfasst den regelmäßigen Austausch der Kohlebürsten und Federn, welche den elektrischen Strom leiten, sowie die Reinigung oder den Austausch des Kommutators. Diese Bauelemente dienen dazu, Strom von außerhalb des Motors auf die sich drehenden Drahtwicklungen des Rotors im Inneren zu übertragen.

DC-Bürstenmotoren werden häufig in Industrie- und Kfz-Anwendungen wie Robotern, Ventilen und Medizintechnik verwendet. Wenn nur eine Drehrichtung erforderlich ist, kann eine einzelne Schaltertopologie mit PWM-Modulation verwendet werden, um die an den Motor angelegte Spannung zu ändern und somit seine Drehzahl zu regeln. Wenn eine Positionierung oder beide Drehrichtungen erforderlich ist bzw. sind, wird eine Vollbrücke mit PWM-Steuerung verwendet.

Das Angebot an STSPIN-Motortreibern von STMicroelectronics beinhaltet alle Funktionen, die dafür erforderlich sind, Motoren effizient und mit höchster Genauigkeit anzusteuern, und umfasst einen fortschrittlichen Bewegungsprofilgenerator, welcher den Host-Mikrocontroller entlastet und gleichzeitig Robustheit und Zuverlässigkeit dank eines umfassenden Satzes von Schutz- und Diagnosefunktionen zu gewährleistet.

Die STSPIN-Motortreiber für DC-Bürstenmotoren integrieren einen Dual-Stromsteuerkern und eine Dual-Vollbrücken-Endstufe zur Ansteuerung von zwei bürstenbehafteten DC-Motoren.

Die STSPIN-DC-Bürstenmotortreiber-ICs sind in einer großen Auswahl an platzsparenden, thermisch verbesserten Gehäusen erhältlich und bieten eine gebrauchsfertige, optimierte Lösung für Motor- und Bewegungssteuerungssysteme in einem breiten Spannungs- und Strombereich.

Abbildung 4: STMicroelectronics STSPIN250 Motortreiber/Steuerung, DC-Bürstenmotor

Bürstenlose DC-Motoren

Bürstenlose DC-Motoren arbeiten nach dem gleichen Prinzip der magnetischen Anziehung und Abstoßung wie Bürstenmotoren, weisen jedoch einen etwas anderen Aufbau auf. Anstelle eines mechanischen Kommutators und Bürsten wird das Magnetfeld des Stators mittels elektronischer Kommutierung gedreht. Dafür ist eine aktive Steuerelektronik erforderlich.

Im Vergleich zu Bürstenmotoren haben bürstenlose Typen eine längere Lebensdauer ohne Bürsten, die verschleißen, und bieten eine hohe Drehzahl und Beschleunigung, einen hohen Wirkungsgrad sowie ein geringes elektrisches Rauschen. Ihr Geräuschpegel und ihre Drehmomentwelligkeit sind für trapezförmige Wellenformen etwas besser und für sinusförmige Wellenformen wesentlich besser.

Da bürstenlose Motoren eine anspruchsvollere Elektronik erfordern, sind die Gesamtkosten eines bürstenlosen Antriebs höher als die eines Bürstenmotors. Dies ändert sich nun, da bürstenlose Motoren immer beliebter werden, insbesondere bei Anwendungen mit großem Volumen wie Fahrzeugmotoren. Auch die Kosten für Elektronik wie Mikrocontroller sinken weiter, wodurch bürstenlose Motoren attraktiver werden.

Das AMD Kria™ K24-SOM bietet eine vollständige Anwendungsbeschleunigung am Netzwerkrand und ist für eine energieeffiziente Motorsteuerung optimiert, einschließlich bürstenloser DC-Typen (BLDC-Typen). Sowohl aus Sicht der Hardware als auch aus Software ist dieses Produkt äußerst anpassungsfähig und ermöglicht die Zukunftssicherheit gegenüber sich entwickelnden Standards, Algorithmen und Sensoranforderungen. Das K24-SOM ist mit dem K26-SOM kompatibel, was die Migration erleichtert und den Kunden die Anpassung auf die richtige Kraft, Kosten und Leistung ermöglicht, ohne die Notwendigkeit, ihre Leiterplatte ändern zu müssen.

Basierend auf der AMD Zynq™ UltraScale+™-MPSoC-Architektur bietet das K24-SOM eine geringere Latenz und ist hochgradig deterministisch. Mit 132 Ein- und Ausgängen, welche den Benutzern zur Verfügung stehen, kann das Modul bis zu drei mittelgroße BLDC-Motoren mit Encodern verbinden und bietet TSN-fähige Vernetzung über 4x 1G Ethernet (2x PS GEM, 2x PL GEM). Die daraus resultierende Plattform ist mit vielen möglichen Endanwendungen hochgradig skalierbar und für sich entwickelnde Systemanforderungen erweiterbar. Sie bietet auch verbesserte Sicherheitsfunktionen durch die Hardware-Root-of-Trust des Zynq UltraScale+-MPSoC und ein diskretes TPM 2.0-Gerät.

Abbildung 5: AMD Kria K24-SOM Datenblatt

Servomotoren und -antriebe

Ein Servomotor ist ein Dreh- oder Linearantrieb, der eine präzise Steuerung von Winkel- oder Linearposition, Drehzahl und Beschleunigung in einem mechanischen System ermöglicht. Er ist Teil eines Servomechanismus und besteht aus einem entsprechenden Motor, der mit einem Sensor für die Positionsrückmeldung gekoppelt ist. Er erfordert auch eine relativ komplexe Steuerung, oft ein dediziertes Modul, das speziell für den Einsatz mit Servomotoren entwickelt wurde.

Servomotoren sind keine bestimmte Klasse von Motoren, obwohl der Begriff Servomotor häufig für Motoren verwendet wird, die für den Einsatz in einem geschlossenen Regelkreissystem geeignet sind. Servomotoren werden in Anwendungen wie Robotik, CNC-Maschinen und automatisierter Fertigung verwendet.

Die Nachfrage nach Servomotoren steigt, da der Automatisierungsgrad der Industrie stets zunimmt. Sie sind perfekte Lösungen für die Automatisierung und Robotik, da sie eine präzise Bewegungssteuerung mit einem hohen Drehmoment kombinieren können.

Dank seiner Fertigungskompetenz und langjährigen Erfahrung hat Infineon eine SiC-Trench-Technologie entwickelt, welche eine höhere Leistung als der IGBT bietet, jedoch eine vergleichbare Robustheit aufweist, z. B. Kurzschlusszeiten von 2 µs oder sogar 3 µs. Die CoolSiC™-MOSFETs von Infineon gehen auch potenzielle Probleme an, die SiC-Bauelementen innewohnen, wie z. B. das unerwünschte kapazitive Einschalten.

Der CoolSiC™-MOSFET (1200 V) bietet bis zu 80 Prozent geringere Schaltverluste als die entsprechende IGBT-Alternative, mit dem zusätzlichen Vorteil, dass die Verluste temperaturunabhängig sind.

Infolgedessen kann eine Antriebslösung mit CoolSiC™-MOSFET-Technologie eine Reduktion der Verluste um bis zu 50 Prozent (unter der Annahme ähnlicher dv/dt) bei geringeren Wiederherstellungs-, Einschalt-, Ausschalt- und Betriebsverlusten bieten. Der CoolSiC™-MOSFET weist zudem geringere Leitungsverluste als ein IGBT auf, insbesondere unter leichten Lastbedingungen.

Neben dem insgesamt höheren Wirkungsgrad und geringeren Verlusten profitieren von den durch die SiC-Technologie ermöglichten höheren Schaltfrequenzen sowohl externe als auch integrierte Servoantriebe in dynamischeren Steuerungsumgebungen auf direkte Weise. Dies ist aufgrund des schnelleren Ansprechens des Motorstroms unter wechselnden Motorlastbedingungen möglich.

Abbildung 6: CoolSiC-Trenchstop-IGBT GenVI von Infineon, 274 W

Schrittmotoren

Ein Schrittmotor ist ein bürstenloser DC-Elektromotor, der eine vollständige Umdrehung in gleich große Schritte unterteilt. Der Motor kann gesteuert werden, um sich zu bewegen und bei einem beliebigen dieser Schritte und zu halten, ohne dass ein Positionssensor für die Rückmeldung (eine Steuerung) vorhanden ist, solange der Motor in Bezug auf Drehmoment und Drehzahl für die Anwendung richtig dimensioniert ist.

Geschaltete Reluktanzmotoren sind sehr große Schrittmotoren mit einer reduzierten Polzahl, die in der Regel im Regelkreis kommutiert werden.

Schrittmotorsteuerungen und -antriebe werden unter anderem hauptsächlich in Bewegungssteuerungsanwendungen in Fertigungs- und Konstruktionsumgebungen verwendet und zur Steuerung von Motordrehzahlen, Drehmomenten und Positionen genutzt. Sie werden in vielen Anwendungen eingesetzt, darunter Werkzeugmaschinen, Mikropositionierung und Robotik sowie in zahlreichen anderen Maschinentypen wie Förderern oder OEM-Geräten.

Im Bereich Laser und Optik werden sie häufig in Präzisionspositionierungsgeräten wie Linearantrieben, Linearstufen, Rotationstischen, Winkelmessern und Spiegelhalterungen eingesetzt. Weitere Verwendungen sind Verpackungsmaschinen und die Positionierung von Ventilvorsteuerstufen für Fluidsteuerungssysteme.

Die Steuerung, die üblicherweise in die Ansteuerschaltungen integriert ist, liefert die Steuersignale an den Antrieb. Schrittantriebe werden auch als Impulsantriebe und Schrittverstärker bezeichnet. Schrittregler sind auch als Motorindexer bekannt.

Renesas hat mit einem Hersteller von Schrittmotoren mit dem Ziel zusammengearbeitet, einen neuen Typ eines Schrittmotors mit Resolver zu produzieren, der selbst in rauen Umgebungen für eine präzise Motorsteuerung sorgt und mehr Möglichkeiten für Schrittmotoren bietet. Die Motoren richten sich an Anwendungen wie Robotik, Büro- und Medizintechnik, die kompakte Motoren mit präziser Steuerung und Beständigkeit gegen Umwelteinflüsse wie Hitze, Staub und Vibrationen benötigen.

Renesas hat auch eine Treibersoftware zur Steuerung des Resolver/Digital-Wandlers (RDC) mit einem 32 Bit-RX-Mikrocontroller entwickelt. Zur Unterstützung für Anwendungsentwickler wurde ein Kit für Resolver-basierte Schrittmotorsteuerungen erstellt, das Entwicklungstools, einen 42 mm-Vierkantmotor mit Resolver und ein Evaluierungsboard mit dem RDC enthält.

Diese Technologie kann mit ICs der Baureihe RAA3064002GFP und RAA3064003GFP von Renesas implementiert werden. Dabei handelt es sich um Resolver/Digital-Wandler, die für den Einsatz mit Resolver-Sensoren (Winkelsensoren) mit einphasiger Erregung und zweiphasigem Ausgang vorgesehen sind. Der Resolver-Sensor gibt analoge Signale (elektrische Winkelinformationen) aus, die proportional zum Winkel der mechanischen Drehung des Resolvers sind. Dieser IC wandelt diese analogen Signale in digitale Signale um.

Abbildung 7: Bewertungssystem von Renesas für Schrittmotor mit Resolver

Elektronik ist unerlässlich, um den Herausforderungen moderner industrieller Elektromotoren zu begegnen.

Dieser Artikel hat gezeigt, dass sich elektronische Lösungen unabhängig vom Motortyp ständig weiterentwickeln, damit ihre Funktionalität, Effizienz, Diagnose, Kommunikation, Steuerbarkeit, Sicherheit und mehr verbessert werden. Da elektronische Steuerungslösungen leistungsfähiger und trotzdem kompakter, robuster und kostengünstiger werden, ermöglichen sie im Allgemeinen neue Ansätze wie den Ersatz von DC-Motoren durch AC-Modelle. Besonders interessant sind die Resolver/Digital-ICs von Renesas, da sie im Wesentlichen eine neue Motorvariante schaffen.

Die Elektronikhersteller unterstützen jedoch nicht nur das Wachstum der Kfz-Branche, indem sie immer leistungsfähigere Chips entwickeln. Die meisten, wenn nicht alle, helfen auch Elektronikentwicklern, indem sie umfassende Development Kits und Evaluierungsboards sowie komplette Produktreihen anbieten, welche das Risiko, die Kosten, die Verzögerung und die Ressourcenbelastung bei der Integration neuer Lösungen und deren Markteinführung reduzieren.

Das Trinamic-Portfolio an Motoren und Motorsteuerungsprodukten von Analog Devices, Inc. (ADI) ist ein gutes Beispiel dafür. Es ermöglicht Benutzern, digitale Informationen in präzise körperliche Bewegung umzuwandeln, was die Leistung von Industrie 4.0 in Anwendungen wie fortschrittlicher Robotik, Automatisierung, Prothetik für die Medizin, 3D-Druck und mehr ermöglicht. Das Trinamic™-Portfolio von ADI umfasst Motoren, Encoder sowie Motorsteuerungs-ICs und -Module. Diese kompletten, effizienten Lösungen mit geringem Platzbedarf können dazu beitragen, die Komplexität und die Markteinführungszeit für intelligente Bewegungssysteme zu reduzieren und gleichzeitig potenzielle Verbesserungen der Raumnutzungs- und Leistungseffizienz zu unterstützen.

Auch NXP folgt diesem Ansatz. Zu den Motorsteuerungsressourcen für Entwickler gehören ein Development Kit mit bürstenlosen DC- und Permanentmagnet-Synchronmotorsteuerungen für Motorsteuerungsanwendungen, eine modellbasierte Designumgebung für die Entwicklung von Motorsteuerungsalgorithmen, Motorsteuerungsreferenzdesigns, Motorsteuerungsentwicklungsboards und mehr.