Externes Reglermodul für Drehzahl, Drehmoment oder Positionierung

| Autor / Redakteur: Patrick Schumacher * / Gerd Kucera

Bild 1: Die in den Motoren der Baureihen ECI 63.xx-K4 und VDC 49.15-K4 integrierte Betriebselektronik gibt es nun auch als externen Regler namens VARIOTRONIC VTD-K4 zum Einsatz mit allen BLDC-Motoren von ebm-papst.
Bild 1: Die in den Motoren der Baureihen ECI 63.xx-K4 und VDC 49.15-K4 integrierte Betriebselektronik gibt es nun auch als externen Regler namens VARIOTRONIC VTD-K4 zum Einsatz mit allen BLDC-Motoren von ebm-papst. (Bild: ebm-papst)

Als Positionsregler mit ausgeprägter Überlastfähigkeit bis 4800 W ist VTD-K4 zum Einsatz von BLDC-Motoren entwickelt worden. Alternativ ist sowohl die Drehzahl- als auch Drehmomentregelung möglich.

Mit der externen Betriebselektronik VARIOTRONIC VTD-K4 bietet ebm-papst jetzt den Anwendern die Möglichkeit, BLDC-Motoren ohne Elektronik mit diesem separaten Regler zu betreiben (Bild 1). Diese Betriebselektronik mit Steuerung und Endstufe ist funktional identisch mit dem Elektronik-Modul K4, das bei den Motoren der Baureihe ECI 63.xx-K4 und VDC 49.15-K4 integraler Bestandteil ist.

Die Baureihe ECI 63.xx-K4 ist ein BLDC-Innenläufermotor und wird im Leistungsbereich 150 bis 400 W eingesetzt. Der VDC 49.15-K4 ist ein BLDC-Außenläufermotor für den Leistungsbereich von 100 bis 150 W. Die deutliche Erhöhung der möglichen Motorabgabeleistung der Betriebselektronik bis zu 1000 W und 4800 W Spitzenleistung lässt auch den Betrieb des neuen BLDC-Innenläufermotors ECI 80.xx (bis 754 W Dauerleistung) zu.

Darüber hinaus können jetzt alle BLDC-Motoren von ebm-papst (Innen- und Außenläufermotoren in Schutzkleinspannung) mit der Elektronik VARIOTRONIC VTD-K4 eingesetzt werden (Bild 2).

Inbetriebnahme und Ansteuerung im Betrieb (beispielsweise mittels einer übergeordneten SPS) ist identisch, unabhängig davon ob der Regler im Motor integriert oder als externer Regler ausgeführt ist. Der 4Q-Regler erlaubt Positionsregelung; alternativ ist auch eine Drehzahl- oder Drehmomentregelung möglich. Vier digitale Eingänge erlauben das Ansteuern des Reglers. Hervorzuheben ist, dass zwei der digitalen Eingänge parametrierbar sind. Über einen zusätzlichen analogen Eingang kann ein 0 bis 10 V Sollwertsignal vorgegeben werden.

Zur weiteren Ausstattung gehören drei digitale Ausgänge. Über diese können beispielsweise Drehzahl-Istwerte oder Fehlermeldungen digital ausgegeben werden, während die Statusanzeige optisch durch eine LED erfolgt. Eine große Zahl von Schutzfunktionen ist ebenfalls implementiert. Kodierte Stecker ermöglichen eine schnelle und zuverlässige Inbetriebnahme.

Integrierte Funktionen für störfreien Betrieb

Der Profilgenerator erzeugt lineare Fahrprofile und stellt sicher, dass Bewegungsprofile so ausgeführt werden, wie sie der Anwender benötigt. Eine integrierte Encoder-Teilerfunktion ermöglicht die Anpassung von Encoder-Signalen des Motors an eine von der übergeordneten Steuerung einlesbare Form. Ein integrierter Ballast-Controller schützt den Antrieb im generatorischen Betrieb vor Beschädigungen und verhindert das Rückspeisen.

Die Ballastschaltung ist im Regler ausgeführt, der notwendige Ballastwiderstand ist am Regler extern anzuschließen. Ein digitaler Eingang kann zur Drehzahlvorgabe als PWM-Eingang (Pulsweitenmodulation) verwendet werden.

Der Regler bietet mehrere Kommutierungsarten. Motoren können block- oder sinusförmig betrieben werden. Mit der feldorientierten Regelung wird das Antriebssystem bestmöglich energieeffizient. In die einzelnen Motorphasen wird zu jedem Zeitpunkt der ideale Strom eingeprägt und zur Drehmomentbildung verwendet. Im System wird ein optimaler Wirkungsgrad sichergestellt und die Blindleistung auf ein Minimum reduziert. Die Rotorlageerkennung kann im einfachen Fall über drei im Motor integrierte digitale Hall-Sensoren erfolgen.

Applikationen mit höheren Anforderungen an die Positioniergenauigkeit können durch die Bereitstellung einer größeren Anzahl an Rotorlage-Informationen bedient werden. Diese genauer auflösenden Signale lassen sich entweder von motorintegrierten analogen Hall-Sensoren oder einem am Motor angebauten inkrementellen Geber bereitstellen.

Die Regler ermöglichen jederzeit ein nachträgliches Firmware-Update über die Service-Schnittstelle im eingebauten Zustand, sodass im Update-Fall eine aufwändige Demontage des Reglers entfällt. Stillstandzeiten der Maschine werden dadurch auf ein Minimum reduziert. Die Verwendung der aktuellsten Firmware kann bei Bedarf gewährleistet werden.

Ein Antriebsregler für verschiedenste Anwendungen

Die Einbindung in verschiedene Netzwerke und eine einfache Inbetriebnahme wird mit der PC-Software Kickstart unterstützt. Das Softwaretool ermöglicht einerseits die Einstellung der relevanten Motorparameter, anderseits können kundenspezifische Parametrierungen (beispielsweise komplette Fahrprofile) vorgenommen werden. Auf Wunsch lassen sich diese vor Auslieferung auch fest einprogrammieren.

Der Antriebsregler VARIOTRONIC VTD-K4 ist eine kompakte und leistungsstarke Lösung für verschiedene Mobile-Anwendungen wie zum Beispiel fahrerlose Transportsysteme, Rollstühle oder Shuttle im Lager. Batteriebetriebene fahrerlose Transportsysteme (FTS) und mobile Anwendungen erfordern effiziente Antriebsysteme mit hohem Wirkungsgrad und maximaler Leistungsdichte auf kompaktem Bauraum.

Werden hohe Lastunterschiede mit unterschiedlichen Drehzahlen dynamisch bewegt, stellt dies eine anspruchsvolle Aufgabe an ein Antriebssystem insbesondere für den Antriebsregler dar. Mit Nennspannungen von 24 und 48 VDC sind bei einem Dauerstrom von bis zu 40 A Aufnahmeleistungen bis 1000 W möglich. Hierbei können Spitzenströme von 100 A bis zu fünf Sekunden zur Verfügung gestellt werden, um die hohen Lastunterschiede zu meistern, welche wiederholt beim Beschleunigungsvorgang eines FTS benötigt werden. Ähnliche gelagerte Anforderungen bei Shuttle-Anwendungen können ebenfalls vom Antriebsregler bewältigt werden.

Ein weiterer wichtiger Aspekt für batteriebetriebene fahrerlose Transportfahrzeuge ist die geringe Ruhestromaufnahme des Antriebsreglers. Dies ist die Grundvoraussetzung für einen energiesparenden Standbybetrieb zwischen den Fahrten und den Ladezyklen. Die kompakte und robuste Bauweise der Regelelektronik ermöglicht eine platzsparende Montage in unmittelbarer Nähe des Antriebes im oft begrenzten Bauraum. Die Regler sind in den Spannungsvarianten 24 und 48 VDC verfügbar.

Diese Betriebselektronik wurde bei ebmpapst über lange Zeit intensiv getestet, um den sicheren Einsatz in Serienprodukten zu garantieren. Die Elektronik ist lediglich hinsichtlich Applikation zu parametrieren und zu qualifizieren. Damit sollen Entwicklungs- und Erprobungszeit minimiert werden.

* Patrick Schumacher ist Leiter Produktmanagement Industrial DriveTechnology bei ebm-papst, St. Georgen.

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