antriebstechnik 11/2018

ELEKTROMOTOREN
Wenn’s mal wieder länger dauert …
Realisation von extrem langsamen Geschwindigkeiten bei BLDC- und Schrittmotoren
Bei vielen Anwendungen in den
unterschiedlichsten Branchen
sind prozesstechnisch hohe
Dynamik und Flexibilität die
entscheidenden Anforderungen
an die eingesetzte
Antriebstechnik. Es gilt, auch bei
sehr langsamen Drehzahlen eine
hohe Regelgüte zu erreichen.
Um bei dynamischen
Anwendungen auch im unteren
Drehzahlbereich ab 0 min -1 eine
sehr gute Regelsteifigkeit zu
erreichen, hat Nanotec einen
intelligenten Software-
Algorithmus entwickelt.
Rainer Schönwald ist Entwicklungsleiter
bei der Nanotec Electronic GmbH &
Co. KG in Feldkirchen
Beschwerlich zieht der Boxermotor mit
30 PS die Karosserie des Käfers über die
Alpen gen Süden. Schnell mal einen Cappuccino
am Gardasee trinken, das war in
den 60er Jahren ohne entsprechende Vorbereitungen
und dem Mitführen eines Survival
Kits (Blumenvase, gehäkelte Toilettenpapierrolle…)
undenkbar. Außerdem belastete
die Anreise mit einer bauartbedingt geringen
Geschwindigkeit das Zeitbudget der
zur Verfügung stehenden Urlaubstage von
ehemals durchschnittlich 20 Tagen spürbar.
Wenn sich dann noch in den Bergen der
Herbst ankündigte, vernebelte ein dichter
weißer Dunst zu später Stunde oftmals die
Sicht auf die Straßenführung. Spartanisch
ausgeführte Straßenmarkierungen und -begrenzungen
reduzierten die Durchschnittsgeschwindigkeit
auf natürliche Weise weiter
dramatisch. Exponentiell umgekehrt zur
Anzahl der sicht- und erkennbaren Leitpfosten
stieg die Unsicherheit, wann sich
schemenhaft der nächste rettende Orientierungspunkt
zeigen würde.
Ein Stand der Technik
Vergleichbar sind die Rahmenbedingungen
von geregelten (Closed Loop = CL) BLDCund
Schrittmotoren mit Feedback bei langsamen
Geschwindigkeiten. Konstruktiv
eigentlich für hohe Geschwindigkeiten ausgelegt,
kommen diese Systeme bei Encoderauflösungen
von durchschnittlich 500
bis 4 096 Inkr./U und sehr geringen Drehzahlen
in Bezug auf ihre Dynamik an regelungstechnische
Grenzen. Wird z. B. nur
noch alle 10 min ein Encoderinkrement
detektiert, müssen intelligente Algorithmen
den Blindflug zwischen zwei Leitpfosten
ausgleichen. Ziel ist es daher, eine über den
gesamten Drehzahlbereich stabile und reproduzierbare
rotatorische Auflösung zur
Verfügung zu stellen. Eine weitere wichtige
Anforderung betrifft die Positionsnachführung
bzw. -korrektur.
Soll die feldorientierte Regelung (Field
Oriented Control = FOC) konsequent beibehalten
werden, versagen aufgrund der
großen Totzeiten bei sehr geringen Geschwindigkeiten
bekannte Implementationen,
wie die Interpolation zwischen zwei
Positionsinformationen durch eine e-Funktion
zu kompensieren. Vielversprechend
sind Lösungen wie das Abschätzen von Geschwindigkeit
und Beschleunigung. Diese
Verfahren rekonstruieren aus der historischen
Datenbasis das zu erwartende Verhalten
und sollen dadurch die inhärent
vorhandenen Quantifizierungsfehler von
Low-Cost-Encodern mit geringer Auflösung
kompensieren.
In Abhängigkeit von der jeweiligen
Anwendung und des Verwendungszwecks
sind zwei Methoden für die Bestimmung
der (quasi-)aktuellen Position weit verbreitet:
Die zeitlich-zyklische Abtastung („fixedtime“),
welche die Positionsänderung zwischen
zwei Zeittakten ermittelt sowie die
Erfassung der Positionsänderung („fixedposition“),
welche die Zeit zwischen zwei
Positionsänderungen berechnet. Von diesen
beiden physikalischen Grundgrößen,
Positionsänderung und Zeitschlitz, kann
die aktuelle Geschwindigkeit entsprechend
abgeleitet werden. Die Implementation dieser
Methoden ist relativ einfach und der
Ressourcenverbrauch gering. Unabhängig
von der präferierten Lösung, um die Steifigkeit
der Regelung zu gewährleisten, steigt
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