STEUERUNG DER GLEICHSTROMOTORENDREHZAHL MIT GESCHLOSSENEM REGELKREIS

Gleichstrommotoren mit und ohne Bürstentechnologie werden häufig in einem offenen Regelkreis betrieben, wobei mithilfe eines elektrischen Antriebs die benötigte Drehzahl erzeugt werden kann. Wenn der Motor jedoch unter Belastung arbeitet, verringert sich die Drehzahl naturgemäß, je nach der spezifischen Drehzahl-Drehmoment-Relation des Motors. Viele Geräte können diese natürlichen Verlangsamung problemlos tolerieren, wie beispielsweise Bohrmaschinen oder Akkuschrauber. Bei vielen technisch hochentwickelten Produkten, wie beispielsweise peristaltischen Pumpen oder bestimmten chirurgischen Geräten, muss die Drehzahl dagegen absolut stabil gehalten und präzise geregelt werden. Um die Geschwindigkeit bei Gleichstrommotoren kontinuierlich auf den gewünschten Wert zu regeln, empfiehlt sich eine Regelung mit geschlossenem Drehzahlregelkreissystem. In diesem Artikel geht es um die Unterschiede zwischen geschlossenen und offenen Systemkreisläufen, und wir befassen uns mit geschlossenen Drehzahlregelkreissystemen bei Gleichstrommotoren

ERMITTELN DER GESCHWINDIGKEIT-DREHMOMENT-KENNLINIE BEI GLEICHSTROMMOTOREN

Ein Gleichstrommotor hat eine spezifische Geschwindigkeit-DrehmomentKennlinie, d. h., bei einer bestimmten Spannung arbeitet der Motor immer mit einer bestimmten Drehzahl, die abhängig vom angelegten Drehoment zurückgeht. Die Drehzahl ändert sich linear mit der Versorgungsspannung; wenn man also die Spannung verdoppelt, verdoppelt sich auch die Geschwindigkeit (Abbildung 1).

Man findet diese Kennlinienkurve, indem man die Leerlaufdrehzahl und das Festbremsmoment eines Motors für eine bestimmte Spannung ermittelt. Wenn kein Drehmoment anliegt, läuft der Motor mit der Leerlaufdrehzahl, wie in der folgenden Formel angegeben (Drehzahlverluste sind nicht berücksichtigt):

Der Motor geht aus, sobald das Blockiermoment erreicht ist: Dies ist das maximale Drehmoment, das der Motor bei einer bestimmten Spannung bereitstellen kann. Berechnen lässt sich dies mit der folgenden Formel:

OFFENE DREHZAHLREGELUNGSSYSTEME BEI GLEICHSTROMMOTOREN

In vielen Einsatzbereichen werden unkomplizierte Regelungssysteme für Gleichstrommotoren benötigt, um die erforderlichen Drehleistungen zu erreichen. Hierzu richtet man in der Regel einen festgelegten Regelkreis ein, bei dem die Drehzahl nicht verifiziert werden muss und der Motor entsprechend seiner Geschwindigkeit-Drehmoment-Kennlinie betrieben werden kann. Dies wird als „offener Regelkreis“ bezeichnet (siehe Abbildung 2).

Bei einer offenen Regelung sinkt die Drehzahl des Motors bei steigender Last. Ein perfektes Beispiel sind handelsübliche Bohrmaschinen, die jeder Heimwerker kennt: Hier kann man spüren, wie der Motor langsamer wird, wenn man beim Bohren in härteres Mauerwerk eindringt (erhöhte Motorenlast). Dies ist für viele Anwendungen das ideale Leistungsprinzip, doch wenn der Motor unter Belastung nicht langsamer werden soll, muss man ihm entweder mehr Kraft verleihen oder ihn mit einem Getriebe ausstatten. Doch auch dann ist die Motorenleistung nie exakt gleich, was bei besonders schwankungsempfindlichen Anwendungen ein Problem werden kann.

GESCHLOSSENE DREHZAHLREGELUNGSSYSTEME BEI GLEICHSTROMMOTOREN

Bei einigen Anwendungen muss die Drehzahl immer konstant gehalten werden, oder der Motor muss immer die Maximalleistung bringen, auch wenn das Lastmoment steigt. In diesen Fällen könnte eine Regelung mit geschlossenem Drehzahlregelkreissystem die Lösung sein. Ein solcher Regler misst kontinuierlich die tatsächliche Motordrehzahl, während Komponenten wie Hallsensoren, Drehgeber oder andere Systeme zur Überwachung der elektromotorischen Kraft (EMF) für die Rückkopplung sorgen. Der Regler gleicht dann diese Geschwindigkeit mit dem Sollwert ab und passt die Drehzahl bzw. den Strom entsprechend der jeweiligen Drehzahl-Vorgabe an.

Die verfügbaren Spannungs- und Stromstärken sind bei jeder einzelnen Anwendung in der Regel individuell begrenzt (thermisch oder über das Antriebssystem), was zu Einschränkungen hinsichtlich der Drehzahl und des Drehmoment führt, die der Motor bereitstellen kann. In Abbildung 6 sind diese Grenzwerte bildlich dargestellt:

• Beachten Sie, dass das Symbol ωref für die Sollwertdrehzahl steht, die durch den Befehl festgelegt und vom Regelsystem angestrebt wird.
• Von Punkt A bis Punkt B funktioniert die Drehzahlregelung ordnungsgemäß und passt die Drehzahl entsprechend der Sollwertvorgabe ωref kontinuierlich an.
• Wenn die Motorlast den Wert an Punkt B überschreitet, wie in der Grafik durch den Punkt C verdeutlicht, dann verhält sich der Motor wie bei der Spannungsregelung, d. h., die Drehzahl sinkt entsprechend der GeschwindigkeitDrehmoment-Kennlinie des Motors am jeweils verfügbaren Leistungsmaximum ab. Dies entspricht dem Formelwert ωavail, der maximal verfügbaren Drehzahlgeschwindigkeit.
• Falls die Last an Punkt D den maximalen Drehmomentwert (Tmax) überschreitet, wird der Motor zum Stillstand gebracht. Dieses maximale Moment ergibt sich aus der Drehmomentkonstante des Motors und dem maximal verfügbaren Stromwert (Imax) mit folgender Formel:

Hinweis: Ein kleiner Unterschied zwischen Soll- und Ablesedrehzahl bleibt bestehen, und im Einzelfall sollte unbedingt überprüft werden, ob dieser Fehlerwert akzeptabel ist. Dies wird als Restabweichung bezeichnet.

ANWENDUNGEN IM FOKUS: CHIRURGISCHE HANDWERKZEUGE

Die Unterschiede zwischen offenen und geschlossenen Drehzahlregelungssystemen lassen sich am besten anhand einer spezifischen Anwendung verdeutlichen. In unserem Fallbeispiel ist dies ein chirurgisches Handwerkzeug, das entweder mit einem offenen oder mit einem geschlossenen Regelkreis ausgestattet werden kann. Portescap hat beide Arten von Regelsystemen im Sortiment, um den Präferenzen der verschiedenen OP-Werkzeugherstellern in optimaler Weise gerecht werden zu können.

Die Drehzahlregelung bei chirurgischen Handwerkzeugen mit geschlossenem Regelkreis

Zur Geschwindigkeitsregelung kann der Benutzer hier die gewünschte Drehzahl per Tastendruck festlegen. Auch wenn das Bohr- oder Fräsgerät gegen einen hohen Widerstand anarbeiten muss, bleibt die Drehzahl bei diesen System konstant, d. h., der Bediener muss nicht weiterhin auf die Taste drücken, um das Drehmoment zu erhöhen. Um dies zu erreichen, muss das Regelungssystem die Motordrehzahl automatisch auf der gewünschten Solldrehzahl halten, auch wenn das Drehmoment bis zu Punkt B ansteigt (siehe Abbildung 7). Dies ist in Abbildung 7 dargestellt: Zwischen Punkt B und Punkt C verringert sich die Drehzahl entsprechend der Geschwindigkeit-Drehmoment-Kennlinie des Motors bei maximal verfügbarer Spannung. Der Motor stoppt bei Punkt C da die Stromgrenze erreicht ist.

Die Spannungsregelung bei chirurgischen Handwerkzeugen mit offenem Regelkreis

Zur Spannungsregelung kann der Benutzer hier die gewünschte Stromspannung per Tastendruck festlegen. Wenn das Bohr- oder Fräsgerät gegen einen hohen Widerstand anarbeiten muss, wird hier die Drehzahl geringer, d. h., der Bediener muss weiterhin auf die Taste drücken, um das Drehmoment zu erhöhen. Die Drehzahlanpassung erfolgt bei diesen Systemen kontinuierlich durch den Benutzer. Wie in Abbildung 7 dargestellt, wird die maximale Motorleistung begrenzt, wenn die maximal verfügbare Spannung (ωavail) höher ist als diejenige, mit der die maximale Motordrehzahl ωmax) erreicht wird. Beim Arbeiten mit der Referenzdrehzahl würden wir hier an Punkt M und nicht an Punkt B das Maximaldrehmoment erreichen.

FAZIT

Obwohl Gleichstrommotoren in der Regel mit einem offenen Regelkreis betrieben werden, sind geschlossene Drehzahlregelungssysteme eine effektive Option zur Regelung der Motordrehzahl, insbesondere bei kritischen Anwendungen, die eine besonders genaue Drehzahlregelung erfordern. Es ist nicht immer ganz leicht zu entscheiden, welche Drehzahlregelungsmethode für Ihre Anwendung oder Ihr Produkt am besten geeignet ist. Aus diesem Grund ist es empfehlenswert, sich gleich zu Projektbeginn an einen kompetenten Motorhersteller wie Portescap zu wenden. Ob Sie die nächste Anwendungsgeneration konzipieren oder nach dem optimalen Drehzahl- oder Spannungssteuersystem suchen: Das kompetente Ingenieursteam von Portescap ist in jedem Fall gern für Sie da!

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