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Wunsch­ei­gen­schaft von Antrieben selbst bestimmen

Leis­tungs­po­ten­tial von EC-Antrieben optimal nutzen


Der Trend in der Auto­ma­ti­sie­rungs­technik ging bisher hin zu möglichst flexi­blen Kompo­nenten, die schnell und indi­vi­duell aus einem Baukasten zusam­men­ge­stellt werden können. Nun erlaubt es die Minia­tu­ri­sie­rung bei der Elek­tronik noch einen Schritt weiter zu gehen: Hard­ware­funk­tionen können zum Teil durch Soft­ware „ersetzt“ werden. Ein Beispiel für diese Entwick­lung sind Elektro­antriebe: Ein Entwickler benö­tigt nicht mehr eine Viel­zahl unter­schied­li­cher Elek­tro­mo­toren, sondern program­miert moderne EC-Antriebe via inte­grierter Elek­tronik auf das Antriebs­profil der jewei­ligen Anwen­dung, z. B. dreh­mo­ment­ge­steuert für eine Faden­auf­wick­lung oder dreh­zahl­ge­steuert für den Pump­en­ein­satz.

Bild 1: Antrieb mit K4 Elektronik­modul und Winkel­ge­triebe EtaCrown® als Schnitt­bild.

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 (Bild 1).

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 Poten­tial 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.

Para­me­trier­barer Antrieb

Moderne EC-Antriebe punkten durch einen robusten Aufbau: die Magnet­kreise können selbst höchsten mecha­ni­schen und elek­tro­ma­gne­ti­schen Belas­tungen problemlos wider­stehen. Daraus ergibt sich ein enormes Leis­tungs­po­ten­tial bei höchstem Wirkungs­grad, wobei aller­dings die Leis­tungs­band­breite bisher nur in seltenen Fällen wirk­lich genutzt wird. Die neue Ansteuer-Elek­tronik mit der Bezeich­nung „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 feinste Fäden bei varia­bler Dreh­zahl aufwi­ckeln oder ähnlich wie ein Schritt­motor betrieben werden und gezielt bestimmte Posi­tionen auf Abruf selbst­tätig anfahren.

Vorteile einer inte­grierten Steue­rung

Bild 2: Screen­shot Kick­start-Tool: Das Menü erlaubt schnelle Para­me­ter­zu­sam­men­stel­lung per Maus­klick.

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 etc. 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.

Durch die Steue­rungs- und Leis­tungs­elek­tronik ist der moderne Antrieb sehr flexibel einsetzbar.

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 sehr flexibel einsetzbar und kann über das leis­tungs­fä­hige PC-Para­me­trier­tool „Kick­start“ schnell para­me­triert werden (Bild 2). Zahl­lose Anwen­dungen für das Konzept sind denkbar, zwei Beispiele aus der Praxis zeigen das Poten­tial:

Einsatz als „Lenk­motor“

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 Fahr­zeug-Steue­rung 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 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 ein Alarm ausge­geben. Ein Para­me­trier­tool erleich­tert die Einar­bei­tung und verkürzt dras­tisch Entwick­lungs- bzw. Test­zeiten. Mit nur wenigen Maus­klicks sind ganze Funk­ti­ons­ab­läufe schnell zusam­men­ge­stellt, welche über zwei digi­tale Eingänge akti­viert werden können.

Antriebe in der Intra­lo­gistik

EC-Antriebe-ECI-und-VDI-Reihe

Bild 3: Fami­li­en­bild ECI-Reihe und VDC-Reihe.

Durch die kompakten Maße und die hohe Über­last­fä­hig­keit eignen sich die Antriebe der ECI und VDC Reihe für Einsätze auf engstem 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 Kunde hier von der schnellen Para­me­trie­rung der Antriebe (Bild 3)“, 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.“

Neben dem kompakten Aufbau profi­tiert der Kunde auch von der schnellen Para­me­trie­rung der Antriebe.

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 rund 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.

Baukasten plus Soft­ware

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 Poten­tial des jewei­ligen EC-Motors zu Verfü­gung stellt. Das Spek­trum reicht bei den Innen­läu­fer­mo­toren der Serie ECI bis 750 Watt und bei den elek­tro­nisch kommu­tierten Außen­läu­fer­mo­toren VARIODRIVE Compact, bis 120 Watt.

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