Antriebstechnik
Motoren richtig ansteuern
Immer mehr Behandlungen erfordern eine genaue und langsame Dosierung oder Positionierung, eine große Anzahl von Analysen und eine höhere Sicherheitsstufe. Dort finden moderne Antriebe ihren Einsatz. Nachdem in der MEDIZIN+elektronik 4/2011 die wesentlichen Antriebstypen besprochen wurden, soll es im Folgenden um deren Regelung gehen.
Alle Motoren, Schritt- ebenso wie BL-Motoren (bürstenlos), lassen sich in einer Open-Loop- oder einer Closed-Loop-Konfiguration betreiben. Während ein Open-Loop-Treiber für BL-Motoren selten ist, war und ist der Open-Loop-Treiber der Standardtreiber für Schrittmotoren. Der Unterschied zwischen einem Open-Loop- und einem Closed-Loop-Treiber ist das Schema und vor allem der Zeitpunkt, zu dem Phasenstrom an den Motor angelegt wird.
Nachfolgend wird der Unterschied zwischen diesen beiden Treibertypen erklärt. Während Schrittmotoren sehr oft im Open-Loop-Modus verwendet werden, können sie auch ohne weiteres im Closed-Loop-Modus laufen. Aus diesem Grund sollen diese als Beispiel dienen.
Ein Open-Loop-Treiber prägt der Motorphase ein bestimmtes Muster auf, um ein drehendes Magnetfeld zu erzeugen (Bild 1). Der Motor folgt dann diesem erzeugten Magnetfeld mehr oder weniger in derselben Weise, wie eine Büroklammer, die frei auf einem Blatt Papier liegt, einem Magneten folgen würde, der über die gegenüberliegende Seite des Papiers gezogen wird.
Wie man sich leicht vorstellen kann, würde der Magnet, wenn etwas die Bewegung der Büroklammer behindern würde, schnell den Kontakt mit der Büroklammer verlieren. Dies kann auch bei einem Motor eintreten, und dieser Zustand wird üblicherweise als Schrittverlust bezeichnet. Dies ist ein schwerwiegender Fehlerzustand, da die erwartete Bewegung nicht mehr gewährleistet werden kann.
Dies ist vor allem bei medizinischen Anwendungen als kritischer Zustand zu betrachten. Man muss sich nur einmal vorstellen, dass eine Dosiervorrichtung oder -pumpe nicht mehr ordnungsgemäß arbeitet. Eine Vorrichtung mit einem Open-Loop-Motor anzutreiben und Schrittverluste zu vermeiden wird noch schwieriger, wenn wir es mit Anwendungen zu tun haben, bei denen hohe Beschleunigungen erforderlich sind und/oder Antriebslasten mit hoher Masse/Trägheit vorliegen.
Um auf unser Beispiel mit der Büroklammer zurückzukommen: Diese ist natürlich sehr leicht, aber wie ist es, wenn an diese eine Last angehängt wird, die man nur mit der Büroklammer und dem Magneten ziehen möchte?
Wenn höhere Beschleunigungen auftreten, muss man darauf achten, dass der Magnet nicht zu schnell bewegt wird, damit man nicht den Kontakt mit der Büroklammer verliert.
Um einen Schrittverlust entweder aufgrund von Schwankungen des Drehmoments oder von hohen Beschleunigungen zu vermeiden, sind Schrittmotoren in Open-Loop-Konfiguration immer überdimensioniert.
Als gute technische Faustregel gilt für die meisten Anwendungen, dass ein Schrittmotor eine Last ziehen können sollte, die zweimal so groß ist wie die erwartete maximale Last (Bild 2).
Dies bedeutet einen Sicherheitsfaktor von zwei und auch eine Garantie für volle Funktionstüchtigkeit während der Lebensdauer der Anwendung. Natürlich sind überdimensionierte Systeme nicht sehr kosteneffizient und sind zudem mit dem Nachteil einer stärkeren Erwärmung, Vibrationen und Geräuschentwicklung behaftet.
Closed-Loop-Treiber
Kehren wir, um die offensichtlichen Vorzüge eines Closed-Loop- gegenüber einem Open-Loop-Treiber zu verstehen, wieder zu unserem Beispiel mit der Büroklammer zurück, die mit einem Magneten auf der gegenüberliegenden Seite über ein Blatt Papier gezogen wird. Beim Open-Loop-Beispiel kamen wir zu dem Ergebnis, dass ein sehr starker Magnet erforderlich ist (mindestens doppelt so stark als eigentlich erforderlich), um Hindernisse zu überwinden, welche die freie Bewegung einer Büroklammer stören könnten.
Es ist leicht einzusehen, dass es viel leichter wäre, die Büroklammer dem Magneten folgen zu lassen, käme statt eines normalen, undurchsichtigen Blatts Papier ein transparentes Blatt Papier zum Einsatz. Dann ließen sich der Magnet und die Büroklammer immer gleichzeitig sehen. Man könnte dann zum Beispiel die Bewegung verlangsamen, wenn ein Hindernis auftritt.
Die Büroklammer ließe sich dann auch ganz einfach um Hindernisse herumführen, weil ja bekannt ist, wo sich der Magnet bezüglich der Büroklammer befindet. Was haben nun transparente Blätter und Büroklammern mit einer Closed-Loop-Motorsteuerung zu tun? Nun, eine ganze Menge, denn bei einer Closed-Loop-Motorregelung kommt es entscheidend darauf an, immer die Lage des Rotors bezüglich des Magnetfelds zu kennen, das erzeugt wird.
Dazu dienen Positionsgeber, die sich mit dem transparenten Blatt Papier vergleichen lassen. Das transparente Blatt Papier liefert die Informationen bezüglich der relativen Lage von Mag-net und Büroklammer zueinander. In ähnlicher Weise liefert ein Positionsgeber die relative Lage zwischen Phasenstrom und Rotor. Für einen BL-Motor genügt ein Positionsgeber geringer Auflösung.
Andererseits muss ein Positionsgeber für einen Closed-Loop-Schrittmotor wegen der hohen Anzahl von Schritten (200) eine sehr hohe Präzision besitzen. Ist die des Motors bekannt, kann der Regler die Bewegung verlangsamen, wenn die Last zunimmt. Auch hat man eine vollständige Kontrolle über die Beschleunigung. Wenn der Regler »sieht«, dass der Motor der Beschleunigung nicht folgt, die er anwenden möchte, bremst er einfach ab und wartet, bis der Rotor aufholt - genauso, wie wenn man durch das transparente Blatt Papier sehen würde, dass die Büroklammer der Bewegung des Magneten nicht folgen kann.
Der Einsatz eines Positionsgebers und eines Closed-Loop-Motortreibers bedeutet, dass der Sicherheitsfaktor zwei nicht erforderlich ist, wie er bei einem Open-Loop-Treiber notwendig ist. Bei einer Closed-Loop-Regelung lässt sich die Stromstärke so modulieren und anpassen, dass sie automatisch der Last entspricht. Das Ergebnis ist, dass ein viel kleinerer Schrittmotor für das Ziehen derselben Last oder für das Erreichen wesentlich höherer Beschleunigungen ausreicht. Dies ist ein unbestreitbarer Vorteil bei medizinischen Anwendungen, bei denen der Motor in der Regel einen großen Teil des verfügbaren Platzes in einem Gerät beansprucht.
Positionsgeber
Positionsgeber, auch Encoder genannt, lassen sich auf viele verschiedene Arten realisieren. Die für die Motorsteuerung am häufigsten verwendeten Typen sind optische oder solche mit Hall-Sensoren. Die einfachste Art eines optischen Sensors ist der Inkrementalgeber. Das Licht einer Photodiode fällt zwischen Striche einer umlaufenden durchsichtigen Scheibe.
Ein lichtempfindliches Element auf der anderen Seite der Scheibe registriert jede Drehbewegung der Scheibe. Ein solcher Positionsgeber besitzt eine sehr hohe Präzision, und es sind Auflösungen von bis zu 20 000 Inkrementen pro Umdrehung möglich. Dieser Typ ist jedoch empfindlich gegenüber Kondensation und Staub und eignet sich nur in einfachen Umgebungen.
Eine robustere und kostengünstigere Alternative zum optischen Encoder ist einer mit Hall-Sensor (Bild 3). Dieser arbeitet auf der Grundlage von Hall-Elementen, von denen normalerweise zwei bis vier Stück in einem integrierten Schaltkreis angeordnet sind. Es ist nichts weiter erforderlich als ein einfacher Magnet auf der Motorwelle. Dieser Positionsgebertyp ist wesentlich unempfindlicher gegenüber Staub, Kondensation und anderen Verunreinigungen.
Die Auflösungen sowie Linearität sind in der Regel weniger hoch als diejenigen eines optischen Encoders, aber heute ist die Präzision eines magnetischen »LoadSense«-Positionsgebers von Sonceboz ausreichend genau, um einen Schrittmotor mit 200 Schritten pro Umdrehung im vollen Closed-Loop-Betrieb laufen zu lassen. Der Positionsgeber lässt sich mit einer integrierten Treiberelektronik kombinieren, oder er kann getrennt als Ersatz zum Beispiel eines teuren optischen Positionsgebers verwendet werden.
Gegenüber einem optischen Positionsgeber besitzt der LoadSense-Positionsgeber auch den Vorteil einer geringen Größe und einer vollständigen Integration in den Motor. Dadurch wird die endgültige Lösung sehr kompakt und robust.
Vektorregelung
Viele Jahre lang war der Gleichstrommotor - und ist es noch bei einigen Anwendungen - das »Arbeitspferd« bei Anwendungen zur Lage- und Drehzahlregelung. Dies liegt hauptsächlich an der einfachen Verwendung, den Gewohnheiten von Entwicklungsingenieuren und auch daran, dass es kaum echte Alternativen gab.
Die Medizintechnik braucht jedoch Alternativen, die über die gesamte Lebensdauer von über 20 000 Stunden wartungsfrei sind, und dies ist mit einem Gleichstrommotor wegen der wartungsbedürftigen Kommutatoren und Bürsten nicht ohne weiteres möglich. Auch hier wiederum haben sich die Motortreiber nach dem Mooreschen Gesetz unumkehrbar geändert.
Die Einführung von schnellen Mikroprozessoren wie DSPs und preiswerten High-Performance-Leistungshalbleitern in den letzten zwanzig Jahren ermöglichte einen neuen Trend bei Motortreibern. Anwendungen zur Drehzahl- und Positionssteuerung, die früher nur mit Gleichstrommotoren möglich waren, werden jetzt mit BL- oder Schrittmotoren realisiert. Dies ist hauptsächlich dem Aufkommen der Vektorregelungstheorie Anfang der 1980er-Jahre zu verdanken.
Bei einem Gleichstrommotor lassen sich Drehzahl und Drehmoment leicht durch Regelung des Statorstroms und gegebenenfalls auch des Ankerstroms verändern. Bei Wechselstromantrieben ist dies nicht so einfach wie bei den BL- oder Schrittmotoren. Bei diesen Motortypen ist auch der Phasenwinkel zwischen dem Phasenstrom und der induzierten Spannung zu regeln.
Bei einem Gleichstrommotor ist dieser Winkel durch den Kommutator und die Bürsten mechanisch festgelegt. Bei AC-Antrieben ist dieser Winkel durch die elektronische Hardware und den Regelkreis zu steuern. Das bedeutet, dass der Stromvektor, die Amplitude und der Winkel durch den Regelalgorithmus gesteuert werden. Die Bezeichnung »Vektorregelung« geht direkt auf diese Verfahrensweise zurück. Wird der Stromvektor bei einem AC-Antrieb nicht korrekt gesteuert, führt dies zu einem nicht-optimalen Betrieb und einer Intoleranz gegenüber Störungen beim Lastmoment.
Mithilfe der Vektorregelung können BL- und Schrittmotoren DC-Antriebe bei anspruchsvollen Applikationen ersetzen, womit alle Nachteile des GS-Motors, zum Beispiel regelmäßige Wartung und Nichteinsetzbarkeit in korrosiven Umgebungen, entfallen. Weiterhin lässt sich der DC-Motor nicht in sauberen Umgebungen, beispielsweise bei medizinischen Anwendungen oder in Reinräumen, einsetzen.
Es gibt viele Möglichkeiten, den Stromvektor eines AC-Antriebs zu regeln. Die am häufigsten verwendete Transformation für ein Zwei- oder Dreiphasensystem ist die Clarke/Park-Transformation. Diese Transformation ist im Grunde nur ein Wechsel von einem statorfesten Koordinatensystem (αβ) zu einem rotierenden (dq) (Bild 4).
Der Schlüssel zur Vereinfachung besteht in der Verlegung des dq-Koordinatensystems auf den Rotor. Durch diese Operation werden alle sinusförmigen Phasenströme in eine Darstellung umgewandelt, bei der die Ströme konstant sind. Da alles in der neuen dq-Darstellung Gleichstrom ist, sind wir wieder bei der einfachen Regelungsstruktur, die so erfolgreich bei Gleichstromantrieben angewandt wird.
Bürstenloser oder Schrittmotor?
Die Abkehr von Gleichstrommotoren bei medizinischen Anwendungen hat unbestreitbare Vorzüge hinsichtlich Robustheit und Lebensdauer. Angesichts der neueren Weiterentwicklungen bei der Closed-Loop-Steuerung fällt heute die Entscheidung eher zwischen einem BL- und einem Schrittmotor. Bürstenlose DC-Motoren besitzen einen hohen Wirkungsgrad, aber ein recht niedriges Verhältnis zwischen Drehmoment (bei niedrigen Drehzahl) und Größe. Es ist daher zunehmend interessant, Schrittmotoren für alle Anwendungen in Betracht zu ziehen, bei denen eine hohe Genauigkeit der Drehzahl oder der Lage erforderlich ist.
Sie können kleine ebenso wie große Lasten treiben. Während BL-Motoren bei den meisten Anwendungen ein Getriebe benötigen, lassen sich Schritt-motorlösungen in vielen Fällen als Direktantrieb ohne jegliches Getriebe auslegen. Dies kommt natürlich der Lebensdauer und der Robustheit außerordentlich zugute. Der heutige Stand der Technik bei Schrittmotorantrieben ist eine Kombination von bewährten Techniken, zum Beispiel PWM-Treiber, und neuen wie zum Beispiel Closed-Loop-Vektorregelung mit Hall-Positionsgebern hoher Präzision.
Die Abkehr von der herkömmlichen Open-Loop-Regelung für Schrittmotoren ist ein großer Durchbruch im Hinblick auf geringere Wärmeentwicklung, kleinere Motoren, niedrigere Vibrationen und verbesserten Wirkungsgrad. Mit einer Closed-Loop-Vektorregelung entfallen auch alle Risiken eines Schrittverlusts. Am Motor kann schlicht kein Schrittverlust auftreten, weil die Rotorlage jederzeit bekannt ist.
Ein innovatives Beispiel für diesen neuen Closed-Loop-Treiber ist der vollständig integrierte »LoadSense«-Treiber von Sonceboz (Bild 5). Dieser intelligente Treiber passt den Phasenstrom jederzeit an Änderungen des Lastmoments an und dies bis heute zu 3 RPM. Diese vollautomatische Anpassung kann mit der eleganten Integration eines präzisen Hall-Sensors als Positionsgeber direkt auf der Leiterplatte erreicht werden.
Ein einfacher Magnet auf der Motorwelle gewährleistet eine kontinuierliche Positionsinformation. Weiterhin besitzt der LoadSense-Treiber eine Vielzahl an individuell anpassbaren Kommunikationsschnittstellen, zum Beispiel CAN, PWM, Clock & Direction, RS-485/RS-232 und I2C. Der Treiber ist gut für Lage- wie auch Drehzahlregelungsanwendungen geeignet.
Zukünftige Herausforderungen
ie jüngsten Fortschritte bei Schrittmotoren mit Closed-Loop-Treiber können eine Vielzahl neuer Möglichkeiten eröffnen. Bislang wurden davon nur wenige implementiert und auf dem Markt eingeführt. Die erste Anwendung, an die man denken würde, ist natürlich die Positionssteuerung oder eine Reglung bis 0 Umdrehungen pro Minute. Auf der Grundlage der im Mikrocontroller berechneten und vorhandenen Informationen lässt sich eine exakte Position mit einem Mindestmaß an Strom und Geräusch- und Wärmeentwicklung einhalten.
Auch ist der Trend abzusehen, die Drehzahl über den Bereich von 1500 U/min hinaus zu erweitern. Die heutige Lasterfassungstechnik ist bereits für 0 U/min bis 1000 U/min geeignet. Schrittmotoren mit Closed-Loop-Treiber werden sich zweifellos bei kleinen (unter 0,2 Nm) und größeren Motoren (über 6 Nm) als Direktantrieb immer mehr durchsetzen. Dies wird beispielsweise neue Möglichkeiten bei Anwendungen mit höheren Drehmomenten eröffnen.
Klar ist bereits jetzt, dass Direktantriebe mit hohem Drehmoment für Anwendungen mit langer Lebensdauer sehr attraktiv sind. In der Vergangenheit war die Wärmeabgabe immer ein klarer Nachteil großer Schrittmotoren. Die LoadSense-Technik könnte dieses altbekannte Problem weitestgehend lösen. Die Verwendung eines Schrittmotors sowie dessen Kombination mit einem genauen Sensor bieten die Möglichkeit, ein fehlertolerantes System zu bauen.
Bei Anwendungen mit sehr hohen Anforderungen ist es auch vorstellbar, zukünftig eines dieser Geräte als unabhängiges Steuergerät für das benachbarte Gerät zu Überwachen. Die hohe Rechenleistung moderner Mikrocontroller könnte auch die Möglichkeit bieten, den Motor nicht nur als Antrieb, sondern gleichzeitig auch als Sensor zu verwenden. Es sollte letztlich möglich sein, das vom Motor registrierte Drehmoment in Echtzeit zu berechnen. Diese Drehmomentinformation lässt sich dann für die Programmierung einer vorbeugenden Wartung oder für Sicherheitszwecke nutzen.
