DC-microaandrijvingen en motioncontrollers

Koel houden van de kleine heethoofden

Kleine, krachtige DC-motoren zijn vandaag de dag voor heel veel applicaties van essentieel belang. Dit soort motoren worden toegepast in de meest uiteenlopende sectoren, van medische en laboratoriumtechnologie tot aan toepassingen in de ruimtevaart, robotica, optica en fotonica, en natuurlijk in machines en apparaten voor de industrie of privégebruik. In veel van deze toepassingen worden ze gebruikt in combinatie met tandwielkasten, encoders en uiteraard een motioncontroller voor het regelen van de snelheid of voor voor positionering. Faulhaber weet als motorspecialist wat dit voor een motioncontroller moet zijn.

Bij de keuze van een geschikte motioncontroller voor een aandrijfsysteem is het belangrijk om eerst een paar vragen te beantwoorden. De ontwerper moet weten welke bewegingen de motor uit moet voeren om na te gaan wat voor eisen dat stelt aan de controller. Van belang zijn de vragen of de aandrijving continu draait of in een start-stoppatroon al dan niet met nauwkeurige positionering. Ook van belang is het soort last die de aandrijving in beweging moet brengen bij welke belastingscycli en of er een tandwielkast vereist is? Op basis van deze antwoorden kan bepaald worden wat noodzakelijk is voor de applicatie.

Risico op oververhitting
Bij de DC-mini- en -micromotoren van Faulhaber wordt de beweging opgewekt door een zelfdragende, ijzerloze rotor met schuin gewikkeld windingen (afbeelding 1) die om een vaste magneet heen draait. Deze opbouw heeft niet alleen veel praktische voordelen, maar bepaalt ook wat voor type motioncontroller gebruikt moet worden. Bij dit soort motoren is het namelijk belangrijk om de temperatuur van de rotorspoel te bewaken. De rotor heeft door het ontbreken van een ijzeren kern een lage zelfinductie. De stroom door de rotor wordt dan ook voor een groot deel bepaald door de gelijkstroomweerstand van de spoel – een weerstand die ook nog eens vrij laag is. Een in de motor ingebouwde temperatuursensor zou kunnen helpen, maar bij motoren met een diameter van slechts 22 mm of zelfs nog minder is er simpelweg geen ruimte voor een dergelijke sensor. Als dit type motor dus op een willekeurige controller wordt aangesloten, kan de spoel vrij snel doorbranden voordat dit aan de buitenkant merkbaar is.
Met slimme elektronica is dit te voorkomen. Wanneer de motioncontroller intelligentie bevat, is hij in staat om de temperatuur van de wikkeling van het gekoppelde motortype te schatten op basis van modellen die met laboratoriumproeven zijn opgesteld. Daarnaast moet de controller getuned kunnen worden om de theoretische en werkelijke situatie op elkaar af te stemmen. Hoe goed wordt bijvoorbeeld de motor gekoeld, is de omgevingstemperatuur ander dan in de modellen, werkt de configuratie met een tandwielkast en een encoder zijn slechts een paar van de vele vragen die van belang zijn om zonder daadwerkelijk te meten, op basis van de spanning en de geleverde stroom een beeld te vormen van de temperatuur van de rotor.
De lage zelfinductie heeft ook invloed op de stroom bij pulsbreedtemodulatie, een systeem dat vaak wordt toegepast om de spanning voor de motor te regelen. Doordat de motor meer als een ohmse belasting gezien moet worden, kan niet zomaar een controller voor een meer inductieve belasting gebruikt worden.

Krachtig en extreem compact
Met de nieuwe motioncontrollers MC3001, verkrijgbaar als MC3001 B (board-to-board) of MC3001 P met 28-pins pinheader biedt Faulhaber een passende controller aan voor hun motoren. De controllers zijn extreem klein, maar daarom niet minder krachtig. In continubedrijf kunnen ze een stroom leveren van 1,4 A en bij piekbelastingen zelfs wel 5 A. Ze zijn ontworpen als slaves met geoptimaliseerde stroommeting voor aansturings- en positioneringstaken van DC-micromotoren, lineaire DC-servomotoren of borstelloze DC-motoren uit de FAULHABER productreeks van 6 tot 30 mm.

De Controllers zijn verkrijgbaar in twee uitvoeringen: de MC3001 B kan met drie board-to-board-microconnectors worden aangesloten op het moederbord, de MC3001 P heeft hiervoor een 28-pins stekkerconnector (afbeelding 2). Om klanten snel en eenvoudig op weg te helpen met de ontwikkeling van hun aandrijfsysteem levert Faulhaber een handig starterspakket, met onder andere een moederbord. Daarnaast zijn er tot zes verschillende moederborduitvoeringen verkrijgbaar, afhankelijk van de gebruikte motioncontrollers en de motor. Voor specifieke klantbehoeften kunnen ook nog andere boards worden gemaakt, bijvoorbeeld met een EtherCAT-interface.
Met een totale hoogte van slechts 2,6 mm en afmetingen van 16 x 27 mm zijn de nieuwe motioncontrollers extreem compact. Ondanks het bijzonder kleine formaat leveren de controllers dezelfde functionaliteit, interfaces (RS232 en CANopen) en encoderinterfaces als eerdere modellen van Faulhaber. Als intelligente aandrijvingsmodule zijn ze vooral geschikt om te worden gebruikt in klantspecifieke toepassingen.
Deze nieuwe motioncontrollers zullen vooral goed tot hun recht komen in de robotica, automatiseringstechnologie, machinebouw en medische en laboratoriumtechnologie. Veel toepassingen in deze sectoren hebben namelijk beperkte inbouwruimte, en vragen toch om een hoge controledynamiek en krachtige prestaties.
Ze worden geconfigureerd via de bijpassende Motion Manager software V6 (versie 6.8 en hoger). Na de basisconfiguratie kunnen de controllers dan ingezet worden, zelfs standalone.