Servomotore und deren Ansteuerung (1)

Hier ist ein Multi-Achs-Controller zur interpolierenden Bahn-Steuerung von (z.Z.) bis zu 8-Achsen entstanden, ich habe ihn RoBo-mac genannt.

Vom Roboternetz habe ich vieles gelernt, das in die Entwicklung eingeflossen ist; mit diesem Artikel möchte ich mich revanchieren. Er ergänzt den Artikel Stepmotore und deren Ansteuerung

Vorwort Teil 1

Im Folgenden habe ich versucht, das zu Papier zu bringen, was mir für CNC & RoBo-mac wichtig erscheint. Sie werden hier keine Zeichnungen, Grafiken oder Kennlinien finden, weil Sie diese als "schon alles klar" überlesen werden.

• Nehmen Sie sich statt dessen Bleistift und Papier; malen Sie auf, was Sie gerade lesen und verstehen wollen.

• Wenn Sie die Gedanken so nachvollziehen, "haben Sie gewonnen" !

Link zu Teil 2

Der Artikel besteht aus 2 Teilen weil er sonst zu groß würde (meint ein freundlicher Lektor im Hintergrund) !!!

• hier ein Link zu Teil 2 Servomotore und deren Ansteuerung (2)
  Es empfiehlt sich zuvor/begleitend diesen Teil 1 des Tutorials durchzuarbeiten.

Servo contra Servo

Zunächst einmal: Im deutschen Sprachgebrauch verbergen sich hinter dem Begriff Servo eine Vielzahl von Technologien, das Wort Servo steht im Lateinischen für Sklave, im Deutschen eher für Hilfe oder auch Kraftverstärker (Servo-Bremse / Servo-Lenkung aber auch Servo-Blitzlicht etc.). Und auch bei Elektromotoren wird der Begriff nicht eindeutig benutzt. Der Modellbauer redet ebenso von Servo wie der CNC & Roboter-Techniker.

Servo im Modellbau

bezeichnet meist dies, was Mitte des letzten Jahrhunderts noch den deutschen Namen Ruder-Maschine trug; körperlich meist eine Einheit bestehend aus einem (Batterie/Akku)-DC-Motor, einem Getriebe und einem Stellwert-Geber (zu guten "Analog-Zeiten" war dies ein Potentiometer). Die Einheit hatte meist einen Verstellwinkel von max. 270 Grad, um (im Modellbau) das Höhen-Ruder bzw. Seiten-Ruder zu steuern.

Ansteuertechnik

Ohne ins steuerungstechnische Detail zu gehen: Das Poti gibt eine Drehwinkel-proportionale Spannung ab (Ist-Wert), die über einen Komparator mit einem Soll-Wert verglichen wird. Im einfachsten Fall wird der Soll-Wert ebenfalls mit einem Potentiometer erzeugt.

• Um 1833 entwickelte Charles Wheatstone die nach ihm benannte Wheatstone'sche-Brücke, ein hochempfindliches Meßgerät zur Bestimmung elektrischer Widerstandswerte. Auf unsere beiden Potis bezogen sieht dies so aus: Die jeweils äußeren Anschlüsse beider Potis werden jeweils mit Plus und Minus einer Spannungsquelle verbunden; zwischen beiden Schleifern fließt dann kein Strom, wenn die Spannungsabfälle an beiden Potis gleich sind (der Komparator ist abgeglichen). Dies ist theoretisch für eine unendliche Anzahl von Poti-Positionen möglich.
  Beim Modellbau-Servo wird der Ist-Wertpoti per Servo-Motor solange gedreht, bis der Ist-Wert den Soll-Wert kompensiert. Das Ruder wird also dem Soll-Wert nachgeführt. Hierzu muß sich der Motor – je nach Soll-Wertabweichung – im Uhrzeigersinn bzw. entgegengesetzt drehen.

• Modellbauer verwenden natürlich kein Soll-Wertpoti, sondern wollen die Modelle per Funk fernsteuern. Die Pulsweiten-Modulation (PWM) beschreibt ein digitales Verfahren Analogwerte zu übertragen. Der Analogwert selbst wird (bei konstanter Frequenz) aus dem Puls-Pause Verhältnis (ein/aus) gewonnen. Wird dieses "Häckerle" über einen Tiefpass gesiebt, so steht als Integral eine halbwegs oberwellenarme Gleichspannung, der Soll-Wert zur Verfügung.

Aus der Regelabweichung zwischen dem (PWM) Soll-Wert und dem Ist-Wert des Servo-Potis leitet der Komparator die Drehrichtung des Motors ab.

Der Motor selbst wird mit einer H-Brücke angesteuert.

• Denkt man sich den horizontalen Balken des "H" als MotorWicklung, legt an die oberen Enden der H-Brücke positive, an die unteren Enden negative Spannung - so ergibt sich ein fürchterlicher Kurzschluß!
  Damit dies nicht geschieht, befinden sich 2 Schalter im positiven und 2 Schalter im negativen Strang.

• Sind alle 4 Schalter geöffnet, so fließt kein Strom – und der Motor verharrt bewegungslos. Wird der Schalter oben-links und unten-rechts geschlossen, so liegt an der MotorWicklung links: Plus und rechts: Minus; wechseln die Schalter-Pärchen so liegt links: Minus und rechts: Plus! Der Motor dreht sich im Uhrzeigersinn bzw. entgegengesetzt. Im Englischen: ClockWise (CW) / CounterClockWise (CCW).

• Kritisch ist in dieser H-Brücke die Drehrichtungsumkehr: Das leitende Schalter-Pärchen muß den Stromfluß unterbrochen haben bevor das andere den Stromfluß freigibt; sonst Kurzschluß! Bei Transistorschaltern ist hierzu die "Ausräumzeit / Abklingzeit" der Ladungsträger zu beachten. Selbst wenn diese im u-sec Bereich liegt, besteht in diesem Zeitintervall Kurzschluß.

Um ein Überschwingen bei Erreichen des Null-Werts und hiermit ein "tanzen" um den Nullpunkt möglichst zu vermeiden, wird über den Nullpunkt ein "Tot-Fenster" gelegt. Innerhalb dieses Fensters findet keine Nachführung statt, was damit aber zu einer größeren Regelabweichung führt.

Mit Modellbau Servos beschäftigt sich dieses Tutorial nicht näher, Modellbau und HighTech Kleinmotore sind eine ("Geheim-") Wissenschaft für sich, einiges hierzu unter Servos.

Servo-Antriebe für CNC & Roboter

manchmal auch Industrie-Servomotor genannt - obwohl es einen Servomotor, zumindest elektrophysikalisch eigentlich gar nicht gibt!

Servo bezieht sich auf die Ansteuerung des Motors. Als Motor kann hierfür nahezu jeder Elektromotor, ob nun DC oder AC (hierbei Drehstrom, Synchron oder Asynchron) verwendet werden. All diese Motore werden zum Servomotor, wenn sie mit einem an die Welle angeflanschten Drehwert-Geber ausgestattet sind und über einen Servo-Verstärker / Servo-Controller ihren Betriebsstrom erhalten. Unterschieden wird zwischen Servos mit Drehzahl-Geber (Tachogenerator) zur reinen Drehzahl-Reglung und Servos mit Drehwinkel-Geber (Encoder) zur Positionierung und Drehzahl-Reglung.

Ähnlich wie bei den Modellbau Servos berechnet der Servo-Verstärker/Controller den Motor-Betriebsstrom aus Soll-Wert und Drehzahl bzw. Drehwinkel Ist-Wert.

• Signifikanter Unterschied: Servo-Antriebe für CNC & Roboter drehen wie jeder Motor unbegrenzt über 360 Grad hinaus, der Drehwert-Geber sitzt (meist) auf der Motor-Achse.
• Modernste Präzisionsantriebe berücksichtigen (meßtechnisch) zusätzlich die Soll-Ist Abweichung am Eingriffspunkt des Werkzeugs, hiermit werden Wärmeausdehnung, Werkzeugabnutzung und Verwindung der Werkzeugmaschine (und bei etwas betagten Schätzchen das Lager- / Umkehrspiel) kompensiert.

Motor-Typ

Unterschieden werden Stromwender/Commutator- und Drehfeld-Maschinen

• All-Strommotore
  auch Universal-Motore genannt, laufen als Stromwender an Gleich- und an Wechselstrom.
  Stator und Rotor liegen elektrisch "in Reihe", sie werden daher auch als Reihen- oder Hauptschlußmotore bezeichnet. Typischerweise sind dies (laut laufende) 220/230V Motore für Staubsauger, Küchengeräte, Handbohrmaschinen etc. Zur Drehrichtungsumkehr müssen die Commutator Anschlüsse vertauscht werden. Die sich einstellende Drehzahl ist weitestgehend frequenzunabhängig. Theoretisch erreicht diese Bauart eine unendlich hohe Drehzahl, praktisch wird die Drehzahl durch Reibung und andere Verluste begrenzt. Im Wechselstrom-Betrieb kann die Drehzahl über Phasenanschnittsteuerung variiert werden; im Gleichstrom-Betrieb werden diese Motore auch als "bürstenbehafteter" DC-Motor bezeichnet.
  Als Servo-Motore sind All-Strommotore nicht geeignet und werden hier nicht weiter betrachtet.

Wenngleich ein Servo-Motor eigentlich ein "normaler" Motor mit Drehwertgeber ist, werden recht hohe Anforderungen an die elektromagnetischen Eigenschaften und seine thermische Stabilität gestellt.

• Je nach Einsatzprofil muß der Servo-Motor eine Last stabil halten ohne sich zu bewegen. Dreh- bzw. Halte- und Last-Moment sind also gleich. Um das erforderliche Moment aufzubringen wird der Motor bestromt und erwärmt sich. "Normale" Motore können hierbei "Durchbrennen". Mitunter wird das Problem mit einer Bremse gelöst.

Unterschieden werden nach Art des Motor-Stroms:

• DC Motore (Direct Current = Gleichstrom)
  Bauart mit oder ohne Bürsten Commutator. Im Englischen: DC / Brushless DC (BLDC).
  DC-Bürstenmotore folgen der Stromwender Physik, BLDC arbeiten am zyklisch geschobenen "Spring"-Feld; bei beiden wird die Drehzahl über die Betriebsspannung gesteuert!

• AC Motore (Alternating Current = Wechselstrom)
  Bauart Synchro oder Asynchro, beide laufen an einem Drehfeld; die Frequenz des Drehfeldes bestimmt die Motor-Drehzahl. Synchro-Motore laufen (lastunabhängig) synchron zum Drehfeld, Asynchro-Motore haben einen lastabhängigen Drehzahlschlupf.

und nach der Erregung

• elektrisch bzw. permanent erregte Maschinen.

DC-Maschinen

Elektrodynamik und Lorentzkraft

Permanent erregte Gleichstrommotore sind eine gute Basis, die Physik und ihre Kräfte zu erläutern:

• Falsch ist der nahe liegende Gedanke,

daß sich die von den magnetischen Polschuhen des Stators weiter entfernten Anker-Windungen auf Grund der magnetischen Kraft in Richtung Polschuh bewegen und der Commutator dafür sorgen würde, daß immer die richtigen, (weit entfernten Leiter) bestromt sind. Dem ist nicht so, im Gegenteil:

• Im einfachsten Fall hat der Stator des Motors ein Polpaar (Nordpol/Südpol), das den Rotor durchflutet. Denken wir uns den Nordpol oben, den Südpol unten und an Stelle des Rotors einen einzelnen, geraden Leiter, der horizontal von links nach rechts führen möge.

Er verharrt in dieser Position, bis (Gleich-) Strom an ihn gelegt wird, dann bewegt er sich unter Einfluß einer "inneren Kraft", der Lorentzkraft; die Stromrichtung bestimmt die Bewegungsrichtung: Nicht nach oben oder unten in Richtung der Polschuhe, nicht nach rechts oder links, sondern auf uns zu oder von uns weg: Stromrichtung, Magnetfeld und Bewegungsrichtung stehen (wie ein 3-dimensionales Achsenkreuz XYZ) jeweils senkrecht aufeinander, im Physikunterricht anschaulich als "rechte Hand-Regel" beschrieben.

Liegt zwischen den beiden Polschuhen nicht ein einziger gerader Leiter, sondern eine parallel hin- und zurücklaufende Leiter-Schleife, so möchte die obere Leiterhälfte nach hinten, die untere nach vorne ausweichen, da ja der Strom (je nach Polarität) in der einen Schleifenhälfte von links nach rechts, in der anderen von rechts nach links fließt. Denkt man sich weiterhin zwischen diese beiden Leiter eine hiermit parallel laufende Achse, so wird die Leiter-Bewegung in eine Rotation überführt.

Die Lorentzkraft steht senkrecht zu Magnetfeld und Stromfluß, die hieraus resultierende wirksame Kraft auf die Leiter-Schleife ist am höchsten, wenn im Kraftpunkt die Rotationstangente parallel zur Lorentzkraft läuft. Dies ist der Fall, wenn sich beide Leiter im Nahpunkt zu ihren magnetischen Polschuhen befinden. Mit fortschreitendem Rotationswinkel nimmt die wirksame Kraft (in erster Näherung) sin-förmig ab, mit 90 Grad Drehwinkel erreicht sie ihren Nullwert. Die Leiterschleife bliebe stehen, wenn nicht just in diesem Augenblick der Commutator die Stromrichtung wenden würde, hierdurch nimmt die auf den Rotor wirkende Kraft wieder sin-förmig zu.

Je mehr Windungen die Schleife hat, je höher der Strom ist, je größer wird die Lorentzkraft, sie bestimmt das Drehmoment. Strom und Windung wirken multiplikativ; um mit geringeren Strömen auszukommen, hat eine Schleife daher möglichst viele Windungen; nennen wir sie Windungspaket oder Spule.

DC Motore und Wicklungsaufbau

Ein Gleichstrom-Rotor mit nur einem einzigen Windungspaket wird immer ein Drehmoment erzeugen, das der Aneinanderreihung positiver (etwa sin-ähnlicher) Halbwellen folgt - und er wird aus dem Tot-Punkt nicht selbsttätig anfahren. Ein "vernünftiger" Gleichstrommotor hat mindestens 3 Windungspakete; je mehr Windungspakete der Rotor hat, je weniger pulsiert das Drehmoment, je ruhiger wird der Motorlauf. Zur Erhöhung der Laufruhe trägt weiterhin eine "Nutschrägung" bei, sie führt dazu, daß das Windungspaket nicht schlagartig auf voller Breite den Stator erreicht, sondern kontinuierlich schräg einläuft.

• Bei der SchleifenWicklung
  sind die Windungspakete im Rotor endlos in Serie geschlossen; jedes Ende eines Windungspaketes ist mit dem Anfang des nächsten über den Commutator verbunden und nach außen geführt. Eine Commutator-Lamelle hat also 2 Drahtanschlüsse. Über die Commutator-Bürste wird dem Rotor Strom zugeführt. Elektromagnetisch sind im Rotor also 2 parallele (aus mehreren Windungspaketen bestehende) Spulen wirksam, deren "Anzapfungen" über den Commutator zyklisch weitergeschaltet werden, so daß sich immer Leiter "in richtiger Stromflußrichtung" unter den Polschuhen befinden.
  Die Zahl der Commutator-Bürsten entspricht bei der SchleifenWicklung der Zahl der Magnetpole. Motore mit 2 Polpaaren haben also 4 Bürsten. Die beiden Süd- und die beiden Nordpole liegen sich bei einer 4 Pol Maschine jeweils gegenüber. Geometrisch sitzen die Bürsten (45 Grad versetzt) jeweils zwischen Nord- und Südpol, die sich gegenüber liegenden Bürsten haben gleiche Polarität, sie sind parallel geschaltet.

• Befindet sich der Rotor in einer Stellung, in der die Bürste nicht nur eine einzige Commutator-Lamelle kontaktiert, sondern beide benachbarten Lamellen überdeckt, so wird die zwischen diesen Lamellen liegende Wicklung kurzgeschlossen. Wenngleich sich die Wicklung in der neutralen Phase befindet, ist die induzierte Spannung nicht absolut 0, was zu einem Teil des Bürstenfeuers beiträgt.

• Rotore in WellenWicklung
  bestehen ebenfalls aus mehreren Windungspaketen; sie sind komplexer verschachtelt als SchleifenWicklungen, so daß o.g. Kurzschluß nicht entsteht, hierüber hinaus kann bei der WellenWicklung die Bürstenzahl auch bei mehreren magnetischen Polen auf 2 gehalten werden.

Der klassische Bürsten-Gleichstrommotor arbeitet (ohne Betrachtung von Wendepol- Kompensations- und Ausgleichswicklungen etc.) mit 2 elektromagnetischen Windungssystemen, dem Stator und dem Rotor.
Diese beiden Windungssysteme können in Reihe (Reihenschluß/Hauptschluß) oder parallel (Nebenschluß) geschaltet sein.

Nebenschluß Motore

werden (wurden) schwerpunktmäßig in hohen und höchsten Leistungsbereichen (Schiffshebewerk, Walzwerk-Motore etc.) eingesetzt, sie arbeiten auch bei unterschiedlicher Belastung sehr Drehzahl stabil, ihre Drehzahl läßt sich konventionell (ohne Elektronik) recht gut über die Felderregung steuern; als Generator haben sie sich ebenfalls bewährt.

Hauptschluß-Motore

Ihre Drehzahl ist wesentlich belastungsabhängiger als die von Nebenschluß Motoren. Spindelmotore in CNC-Maschinen einfacher Bauart erreichen hiermit Leerlauf-Drehzahlen um die 30.000 U/min – einige auch mehr.

Wie wir inzwischen wissen, ist die Drehrichtung des Reihenschluß Motors nur umkehrbar, wenn die Stromrichtung im Commutator gegenüber dem Stator umgepolt wird, das macht sie für Servo-Motore etwas ungelenk. Wird eine der beiden Wicklungen in den Gleichstromkreis eines Brückengleichrichters (Graetz-Schaltung) gelegt und mit der anderen in Reihe betrieben, so wird durch Umpolen des Gesamtsystems die Drehrichtung zwar umkehrbar, jedoch geht in diesem Fall die Diodendurchlaßspannung verloren. Werden Anker- und Rotor-Wicklung getrennt angesteuert, so schließt sich der Kreis zum Nebenschluß Motor!

Permanent erregte Motore

Gleichstrom Servomotore bis ca. 2kW sind schwerpunktmäßig permanent erregte Mehrpolmaschinen, sie brauchen also keine elektrische Energie zur Magnetfelderzeugung – was den Wirkungsgrad erhöht. Sie laufen unter Last an.

Dauermagnete werden aus magnetisch hartem Material hoher Permeabilität gesintert (aus Pulver zusammen gepreßt). Ferrit-Magnete sind kostengünstig, aber relativ schwach; "Seltenerdmagnete" erreichen hingegen höchste Remanenzen und ermöglichen kleinere Bauformen als el. erregte Motore gleicher Leistung. Das Vorkommen der hier enthaltenen Elemente Neodym, Samarium, Praseodym, Dysprosium, Terbium, Gadolinium, Yttrium ist "selten" – das Material dementsprechend teuer!

Curie-Temperatur

Dauermagnete sind sehr langzeitstabil jedoch temperaturabhängig. Der Magnetismus geht mit Erreichen der Curie-Temperatur mehr oder weniger schlagartig verloren, wird die Curie-Temperatur wieder unterschritten, so kehrt der Magnetismus zurück. Diese Eigenschaft wird (wurde) als Temperaturschalter u.a. im Magnastat-Lötkolben genutzt. Für Motore bedeutet dies: Permanent erregte Maschinen müssen deutlich unter der Curie-Temperatur betrieben werden.

Das Curie-Weiss-Gesetz (nach Pierre Curie und Pierre-Ernest Weiss) beschreibt die magnetischen Eigenschaften. Die Curie-Temperatur ist stoffspezifisch, sie liegt z.B. bei 769 °C für Eisen, 1127 °C für Kobalt und 358 °C für Nickel. Ebenfalls stoffspezifisch ist die Steilheit des Temperaturüberganges.

BLDC & EC-Motor

Hauptnachteil "bürstenbehafteter" DC Motore ist dessen Commutatorfeuer und der Bürsten/Kohle-Verschleiß, ein Nachteil, den der "Bürstenlose Gleichstrommotor" (BLDC) konstruktiv vermeidet.

Stellen wir uns vor, alles sei andersherum: Der Permanentmagnet des Stators befände sich im Rotor, die Wicklungen des Rotors im Ständer. Über Schalter im Ständer, - durch Nocken des Rotors gesteuert - würden die Windungspakete nach der Stromwenderphysik betätigt. Der Rotor würde sich drehen! So ungefähr funktioniert das auch!

Ein permanent erregter Rotor dreht unter einem äußeren Stator-Feld, das "zyklisch geschoben" wird, wobei die Commultator-Elektronik des BLDC aus einer Rotor-Sensorik (meist vom Magnetfeld des Rotors selbst aktiviertem Hall-Generator) weiß, wo sich der Rotor befindet – und dementsprechend das Feld schaltet. Einige Hersteller verwenden daher auch die Bezeichnung "EC-Motor" für Electronically Commutated Motor.

Nehmen wir den minimalisierten Ansatz einer 3 Phasen Maschine. Die 3 Ständerspulen könnten theoretisch in 3 parallelen H-Brücken liegen und zyklisch an die volle Betriebsspannung geschaltet werden (Delta bzw. Dreieck). Dies erfordert 3*4 = 12 gesteuerte Schalter (MOSFET / IGBT etc.). Führt man jeweils das eine Spulenende zu einem "Sternpunkt" (Y bzw. Stern) zusammen, so werden äußerlich nur noch 3*2 = 6 Schalter erforderlich; diese Schaltung wird üblicherweise als gesteuerte B6-Brücke oder auch 3-fach-Halbbrücke bezeichnet.

Die typische Ansteuerung einer 3-Pasen BLDC Maschine ist die Sechsschritt-Ansteuerung. Im Gegensatz zur Drehfeldansteuerung, bei der sich das Feld kontinuierlich bewegt, rastet das geschaltete Feld 6 mal je Umdrehung ein und verharrt. Die Lorentzkraft bewegt den Rotor innerhalb dieses 60 Grad Segments.

Während der 6 Schritte werden immer nur 2 Wicklungen bestromt, eine ist jeweils abgeschaltet. Am Sternpunkt stellt sich die halbe Betriebsspannung ein, die betragsmäßig ebenfalls an den jeweils bestromten Wicklungen liegt. Durch Polaritätsumschaltung mit 60 Grad Phasenversatz wird sichergestellt, daß die Stromrichtung gegenüber den Magnetpolen immer dieselbe ist. Das Ansteuer-Muster zeigt, welche Polarität der Gleichspannung an welchen äußeren Spulenanschluß gelegt wird.

• Die Betrachtung bezieht sich auf die kostengünstigste Konstellation mit 3 Wicklungspaketen, die ein zwei-poliges Trapez Feld (Polpaarzahl: p = 1) erzeugen.
  Für höhere Paketzahl (6 / 9 / etc.) gilt gleichsinniges, Läufer und Ständer des Motors müssen die gleiche Polpaarzahl aufweisen.

Bezeichnet man die 3 Wicklungen mit L1/L2/L3, die jeweiligen Phasen-Schalter +/– so ergibt sich

0	60	120	180	240	300	360
L1 +	1	1	/	0	0	/
L1 –	0	0	/	1	1	/
L2 +	0	/	1	1	/	0
L2 –	1	/	0	0	/	1
L3 +	/	0	0	/	1	1
L3 –	/	1	1	/	0	0
L1/2/3 +	1-0-/	1-/-0	/-1-0	0-1-/	0-/-1	/-0-1
L1/2/3 –	0-1-/	0-/-1	/-0-1	1-0-/	0-/-0	/-1-0

Ich gebe gerne zu: Das LayOut dieser Tabelle entspricht nur fragmental dem Original, anschaulicher finden Sie diese unter RoBo-mac Servo-KnowHow

Das Ständerfeld kennt also 6 Positionen. Diese Ansteuerung wird auch als Block-Commutierung oder Trapez-Ansteuerung bezeichnet. Trapez, wegen der trapezförmigen Feldkurve bzw. Luftspaltinduktion.

• Zwischen gleichsinniger Bestromung einer einzelnen Spule und der Stromrichtungsumkehr liegt eine stromlose Phase von 60 Grad, somit besteht keine Kurzschlußgefahr "aus Umschaltträgheit" der Phasen-Schalter +/– .

• Die Drehrichtung ist nicht direkt ansteuerbar, zur (fest verdrahteten) Drehrichtungsumkehr werden die äußeren Spulenanschlüsse zweier beliebiger der 3 Spulen (z.B. L2/L3) getauscht; alternativ hierzu kann die Ansteuerung der zugehörigen Phasenschalter gewechselt werden.

Der in den Spulen fließende Strom überlagert sich mit dem Feld des permanent erregten Rotors. Die Lorentzkraft kann naturgemäß nicht die Spulen des Stators bewegen, sodaß der Rotor ausweicht. Das hierbei abgegebene Drehmoment ist dem aufgenommen Strom proportional. Die Drehzahl des BLDC wird über die Spulenspannung gesteuert, hierbei verändert sich (in Folge) natürlich die Frequenz des "Spring"-Feldes aus der Positionsrückmeldung des Rotors. Führungsgröße ist aber die Spannung bzw. der von ihr getriebene Strom! Wird die wirksame Spannung per Pulsweiten-Modulation erzeugt, so muß die PWM-Taktfrequenz ein Vielfaches der sich ergebenden "Dreh-Frequenz" betragen.

• Das Drehmoment des BLDC ist bei der Block-/ Trapez Commutierung (aus elektromagnetischen Unlinearitäten) leicht unstetig, bei p = 1 pulsiert es entsprechend den 60 Grad Schritten 6 mal je Umdrehung. Werden konstruktiv das Spulensystem in die Mitte, die Magnete des Läufers nach außen gelegt, so spricht man von einem Außen-Läufer. Seine Massekonzentration im Außenring führt in ein höheres Trägheitsmoment, das die Restwelligkeit aus dem Drehmoment besser ausgleicht als ein Innen-Läufer. Beliebt ist die Konstruktion für Lüfter-Motore, die keine große Anforderung an die Dynamik stellen.

• BLDC arbeiten nahezu geräuschlos und wartungsfrei. Kleinere Maschinen mit integrierter Commutierung verhalten sich nach außen wie ein DC-Motor. Mit starrer, rein Drehwinkel abhängiger Elektronischer Commutierung laufen sie auch ungeregelt bei nicht schwankendem Lastmoment sehr Drehzahl stabil. Ändert sich das Lastmoment, so hat dies unmittelbaren Einfluß auf die Drehzahl!

BLDC-Servo

Wird eine reine Geschwindigkeitssteuerung benötigt (Wasser Fontainen Pumpe), so ist die Block-Commutierung eine gute Wahl. Hochdynamische Antriebe werden als mehrpolige Maschinen mit schlankem Innen-Läufer gebaut. Die langgezogene Bauform hat ein geringeres Trägheitsmoment und wegen ihrer großen Oberfläche eine gute Wärmeabstrahlung (vgl. Curie-Temperatur).

Muß der BLDC gegen starke Lastmomentänderung arbeiten und hierbei die Ist-Drehzahl zum Soll-Wert stabil halten, so werden komplexe, mehrfach kaskadierte Regelkreise erforderlich. Auch hier drängen integrierte Regler auf den Markt, bei größeren BLDC werden diese meist in getrennte Servo-Verstärker eingebaut.

Muß nicht nur die Drehzahl, sondern auch die Position geregelt werden, so steigen die Anforderungen erheblich.

• Das Statorfeld kennt je Polpaarzahl 6 Positionen. Ein BLDC mit 6 Polpaaren beherrscht also 36 Schritte je Umdrehung.
• Wird eine feinere Auflösung erforderlich, so werden über die Commutierungs-Geber hinaus zusätzliche Winkelgeber( Encoder) erforderlich. Das Statorfeld muß (winkelbewertet) oszillierend umgepolt werden – die Achse oszilliert ebenfalls. Dies erklärt, warum (zumindest trapezgesteuerte BLDC) Servos nicht zum echten Stillstand kommen.

Obwohl der BLDC zur Gruppe der Gleichstrommotore zählt, ist er dies nur bedingt. Die Übergänge zur AC-Synchro Maschine sind fließend, maßgeblich ist der Feldverlauf. Die Bewegung aus der Lorentzkraft verliert bei der Synchro Maschine ihre Bedeutung, da das Dreh-Feld mit ausgeprägter "Sinus-Spitze" eine deutlich engere Polausbreitung zeigt als die "breite Trapezansteuerung". Ein BLDC Antrieb mit trapezförmig gesteuertem Feldverlauf ist noch ein Gleichstrommotor, mit sinusförmigem Feldverlauf nahezu ein Synchronmotor.

Wenngleich der elektromagnetische Aufbau des BLDC einer AC-Synchro Maschine ähnelt, kennt der BLDC keine "Synchron-Drehzahl".

Spindle Motor

• Um die Begrifflichkeiten etwas zu verwirren:
  Im amerikanischen Sprachgebrauch wird ein BLDC bzw. EC-motor, der die Spindel in Festplatten- und Flopy-Disk Laufwerken dreht auch als "spindle motor" bezeichnet!

AC-Maschinen

AC, Synchro und Asynchro

Beide laufen an einem Drehfeld (des Stators), das aus mindestens 1 Spule je Phase, bei 3-phasigem Drehstrom also 3 Spulen erzeugt wird.
Jede Spule für sich erzeugt ein 2 poliges Wechselfeld, das Spulentripel bei 120 Grad Phasenverschiebung ein umlaufendes 2-poliges Drehfeld. In Analogie zur Gleichstrommaschine wird dieser Aufbau als 2-polig bzw. deren Polpaarzahl "p" mit 1 definiert.

• Werden die Spulentripel geteilt und zyklisch über den Umfang des Stators verteilt, so erhöht sich die Polpaarzahl entsprechend der wirksamen Tripel; das magnetische Feld rückt näher zusammen. Bei einer Polpaarzahl von 2 ergibt sich ein Phasenversatz von 60 Grad. Aus der eingespeisten Frequenz und der Anzahl der Spulentripel ergibt sich die Drehzahl des Drehfeldes, die Synchrondrehzahl. Frequenzumrichter ermöglichen eine variable Synchrondrehzahl. Sie errechnet sich zu:

n [rpm] = 60 * f [Hz] / p

Synchro und Asynchro unterscheiden sich im Aufbau des Rotors/Läufers, er bestimmt, ob die Maschine mit dem Drehfeld synchron oder mit Schlupf (asynchron) läuft.

AC-asynchro Motore / Käfig-Kurzschlußläufer

Asynchron-Motore sind die Standard-Antriebe im mittleren Leistungsbereich, im einfachsten Fall laufen Sie an der Netzfrequenz von 50 Hz.
In der Anlaufphase herrscht nahezu Kurzschluß. Um den Anlaufstrom zu begrenzen werden (wurden) die Statorspulen zunächst in "Stern", nach einigen Sekunden Hochlauf in "Dreieck" geschaltet und der Motor so auf Nenn-Drehzahl gebracht. Die wirksame Spannung an den Stator-Spulen beträgt dabei in Stern-Schaltung 220/230 V in Dreieckschaltung 380/400 V.

Das äußere Drehfeld induziert in den Leiter-Stäben des Läufers eine Spannung, die im Läufer gezielt kurzgeschlossen wird. Dieser "Kurzschlußläufer" erzeugt ein eigenes Magnetfeld, das vom Drehfeld des Stators mitgezogen wird. Der Läufer dreht sich und erzeugt seinerseits in den Statorspulen eine Gegenspannung, die mit zunehmender Drehzahl den Strom der Statorspulen reduziert.

Die Drehzahl des Asynchron Motors läuft dem Drehfeld belastungsabhängig nach. Die Differenz der sich aus dem Drehfeld ergebende Drehzahl zu der vom Rotor ereichten wird als Schlupf bezeichnet. Der Läufer erreicht nie die Synchrondrehzahl, wäre dies der Fall, so würde im Kurzschlußläufer kein Magnetfeld induziert, das letztendlich aus der Drehzahldifferenz, dem Schlupf gespeist wird. Arbeitet der Asynchro im Generatorbetrieb (beispielsweise beim Senken einer Last), so wird der Schlupf negativ, die Drehzahl des Rotors eilt dem des Drehfeldes vor. Der Asynchro läuft also nie wie er (lt. Drehfeld) soll, sondern abhängig vom Ist-Drehmoment zu schnell oder zu langsam! Als geregelter Servo ist er dementsprechend nur aufwendig beherrschbar.

AC-synchro Motore

arbeiten bis in den mittleren Leistungsbereich mit permanent erregtem Läufer; Läufer und Ständer haben die gleiche Polpaarzahl.
Am starren Netz laufen Synchros nicht selbständig an. Das Drehfeld springt gewissermaßen über den noch unbewegten Rotor. Synchro-Motore können nur beschleunigen, wenn das Drehfeld so langsam von Null hochgefahren wird, daß der Rotor folgen kann; dies übernimmt der AC-Servo Controller.

Der Synchro-Motor läuft (mit geringem Winkelversatz) bis zur Überlast zum Drehfeld synchron. Wird er überlastet, so verliert er die magnetische Kopplung und kann nahezu schlagartig zum Stillstand kommen. Bei Schrittmotoren spricht man hier von Schrittverlust. Elektromagnetisch betrachtet arbeiten Schrittmotore und Synchronmotore letztendlich nach derselben Physik.

AC-Reluktanzmotor

Die Physik beider AC-Varianten vereint der Reluktanzmotor – mit einer aufwendigen Läuferkonstruktion.
Stellen wir uns an Stelle eines runden Läufers ein dickeres, mit der Achse parallel laufendes Weich-Eisenblech vor. Es wird sich zwischen den magnetischen Polen ausrichten; hierbei erzeugt es ein Drehmoment, das auf Null sinkt, sobald es ausgerichtet ist. Besteht der Anker nicht aus einem einzigen Blech, sondern 2 gekreuzten, so haben wir einen Anker mit 2 Polpaaren. Zwischen den Blechflanken liegt Luft. Legen wir in diesen Bereich die Leiter-Stäbe eines Asynchron Kurzschluß-Läufers, so ist die Physik hinlänglich beschrieben.

Am starren Drehstromnetz läuft er zunächst als Asynchro an, sobald die Drehzahl in die Nähe der Synchrondrehzahl kommt "rastet er ein" und verhält sich wie eine Synchromaschine. Wird er überlastet, läuft er wieder als Asynchro. Der Wirkungsgrad des Systems – und sein abgegebenes Drehmoment – ist verhältnismäßig gering.

Wenngleich das physikalische Prinzip seit nahezu 100 Jahren erforscht wird, hat sich keine Standardkonstruktion herausgebildet. Experimentiert wird mit dem Läuferaufbau und der Unterteilung in magnetisch leitende und nicht leitende Bereiche, manchmal ergänzt durch eine Teilmagnetisierung – die die Synchronphase verbessert, die Asynchronphase hingegen belastet. Die Läufer-Fertigung ist kostenintensiv, die Marktbedeutung eher gering. Marktnischen liegen im Bereich absolut synchron laufender Antriebe mit geringem Drehmomentbedarf (Fadenwickler für Textilmaschinen etc.).

Ausblick Teil 2

Schwerpunktthemen:

• BLDC oder AC-Synchro
• Drehwertgeber
• Servo-Verstärker/Controller
• Analoge Servo-Verstärker
• Pulsweiten-Modulation
• Digitle Servo-Controller & DSP

hier ein Link zu Teil 2 Servomotore und deren Ansteuerung (2)

Servo oder Stepper

Ein Pendant zu diesem Artikel mit einigem Grundlagen-KnowHow zur "Stepper- bzw. Schrittmotor Konkurrenz" unter: Stepmotore und deren Ansteuerung sowie im Artikel unseres Gastgebers Frank Schrittmotoren.

Inverse Kinematik

Hier wurde die direkte (Weg-lineare) XYZ-Ansteuerung von Servos besprochen.

Soll das Werkzeug jedoch nicht linear im XYZ Koordinatensystem (CNC-Fräse), sondern von einem Roboterarm geführt werden, so wird dies ein ebenso spannendes Thema:

• Inverse Kinematik 1 – Theorie (Tutorial)
• Inverse Kinematik 2 – Praxis

Weblinks

All dies muß getestet werden, ich habe hierzu OKTAVIAX, den Acht-Achser entwickelt; unter

 http://www.youtube.com/watch?v=TT344LsOnuY 

macht er ein Tänzchen (Bitte Lautsprecher einschalten).

Dieser Artikel ist ein (produkt-neutraler) Auszug aus dem Manual CNC & RoBo-mac, einem Multi-Achs-Controller für (z.Z.) bis zu 8 Achsen. Mehr dazu unter

• RoBo-mac

NLB