Wie wählt man einen BLDC-Motortreiber für Robotikanwendungen aus? Leitfaden zur Auswahl von FOC-Steuerung und Feedbacksystemen

1. Warum ist die Auswahl des BLDC-Motortreibers in der Robotik wichtig?

Bürstenlose Gleichstrommotoren (BLDC-Motoren) bieten eine hohe Leistungsdichte, einen guten Wirkungsgrad und eine lange Lebensdauer. Sie werden häufig in humanoiden Robotern, vierbeinigen Robotern, Roboterarmen, Exoskeletten und Anlagen der industriellen Automatisierung eingesetzt.

Allerdings bestimmt die Motorleistung allein nicht die Gesamtleistung eines Systems. Der Motortreiber steuert den Motorstrom, die Drehzahl und das Drehmoment und passt den Betriebszustand anhand von Rückmeldesignalen an. Die Regelstrategie, die Art der Rückmeldung und die Parametrierung des Treibers beeinflussen maßgeblich die Reaktionsgeschwindigkeit, die Betriebsstabilität, die Regelgenauigkeit und das dynamische Verhalten des Motors.

Beispielsweise müssen Gelenkmotoren in humanoiden und vierbeinigen Robotern häufig starten und stoppen, schnell die Drehrichtung wechseln und ihr Ausgangsdrehmoment in Echtzeit an die jeweiligen Bewegungsbedingungen anpassen. Bei Exoskelett-Motor stehen dagegen eine gleichmäßige Bewegung, die Drehmomentanpassung und die Sicherheit bei der Mensch-Maschine-Interaktion stärker im Vordergrund. Diese Anwendungen stellen hohe Anforderungen an die Regelungsfähigkeit des Motortreibers.

Bei der Auswahl eines BLDC-Motortreibers sollten folgende Faktoren berücksichtigt werden:

• Regelstrategie: Unterstützt der Treiber die feldorientierte Regelung (FOC), und erfüllt er die Anforderungen der Anwendung an die Drehmomentregelung und das dynamische Verhalten?

• Positionsrückmeldung: Je nach erforderlicher Regelgenauigkeit und Betriebsbedingungen sollten Hall-Sensoren, Encoder oder eine sensorlose Regelung gewählt werden.

• Regelungsmodi: Unterstützt der Treiber die Drehmoment-, Drehzahl- und Positionsregelung?

• Elektrische Parameter: Sind die Spannungs-, Strom-, Drehzahl- und Drehmomentwerte mit den Spezifikationen des Motors kompatibel?

• Systemkompatibilität: Entsprechen die Rückmeldeschnittstellen, Kommunikationsmethoden und Schutzfunktionen den Anforderungen der Anwendung?

Wenn man versteht, wie diese Faktoren zusammenwirken, lässt sich die passende BLDC-Antriebslösung für Robotermotor auswählen.

2. Warum wird FOC häufig bei Robotermotoren eingesetzt?

Die feldorientierte Regelung (Field-Oriented Control, FOC) ist ein Motorregelungsverfahren, bei dem das Magnetfeld und das elektromagnetische Drehmoment durch die Steuerung des Statorstromvektors geregelt werden.

Bei der FOC werden die dreiphasigen Motorströme in ein rotierendes Bezugssystem transformiert. Dabei werden der drehmomentbildende Strom und der magnetisierende Strom unabhängig voneinander geregelt. Dadurch kann der Motorstrom präziser an die jeweiligen Steuersignale angepasst werden.

Im Vergleich zur herkömmlichen Sechsschrittkommutierung ermöglicht FOC in der Regel eine gleichmäßigere Drehmomentabgabe und verbessert das Verhalten bei niedrigen Drehzahlen sowie die dynamische Reaktion. Daher wird diese Regelungsmethode häufig bei Robotergelenkmotoren und Servoantriebssystemen eingesetzt.

2.1 Wesentliche Merkmale der FOC

Gleichmäßigere Drehmomentabgabe

Durch die Regelung des Stromvektors steuert FOC das elektromagnetische Drehmoment des Motors und trägt dazu bei, Drehmomentwelligkeiten zu reduzieren. Dadurch läuft der Motor gleichmäßiger. Dies ist besonders wichtig für Robotergelenke, die kontinuierliche und präzise Bewegungen ausführen müssen.

Gute Eigenschaften bei niedrigen Drehzahlen

Robotergelenke müssen häufig bei niedrigen Drehzahlen arbeiten und dabei ein stabiles Drehmoment aufrechterhalten. FOC kann die Leistung bei niedrigen Drehzahlen durch eine präzise Stromregelung verbessern. Die tatsächlichen Ergebnisse hängen jedoch auch von der Positionsrückmeldung, dem Regelalgorithmus und den Motorparametern ab.

Schnelle dynamische Reaktion

Während der Bewegung eines Roboters müssen Motoren häufig beschleunigen, abbremsen und die Drehrichtung wechseln. FOC kann die Motorausgabe über den Stromregelkreis schnell anpassen und unterstützt dadurch eine dynamische Drehmomentregelung.

Unterstützung verschiedener Bewegungsregelungsmodi

FOC kann als zugrunde liegendes Stromregelungsverfahren für die Drehmoment-, Drehzahl- und Positionsregelung dienen. Welche Regelungsmodi konkret unterstützt werden, hängt von der Regelungsarchitektur und der Firmware-Konfiguration des Treibers ab.

2.2 Welche Anforderungen stellt FOC an die Positionsrückmeldung und Strommessung?

FOC erfordert nicht nur die Regelung des Motorstroms, sondern auch die Erfassung oder Schätzung der Rotorposition, damit Koordinatentransformationen und Stromregelung korrekt durchgeführt werden können.

Daher benötigt ein FOC-Motortreiber in der Regel folgende Funktionen:

• Strommessung: Erfasst die Motorphasenströme durch Stromabtastung und stellt die Messdaten für die Stromregelung bereit.

• Rotorpositionsrückmeldung: Ermittelt die Rotorposition mithilfe von Hall-Sensoren, Encodern oder sensorlosen Schätzalgorithmen.

• Stromregelkreis: Passt die Treiberausgabe anhand der Differenz zwischen dem Sollstrom und dem tatsächlichen Strom an.

• Parametrierung: Konfiguriert das Regelsystem entsprechend den Motorparametern, beispielsweise Polpaarzahl, Widerstand, Induktivität und Rückmeldeeinrichtungen.

Die Genauigkeit der Strommessung, der Abtastzeitpunkt und die Qualität der Positionsrückmeldung beeinflussen maßgeblich die tatsächliche Regelungsleistung der FOC.

2.3 Für welche Roboteranwendungen eignet sich FOC?

Es ist wichtig zu beachten, dass FOC nicht automatisch eine hochpräzise Positionsregelung oder den vollständigen Funktionsumfang eines Servosystems bedeutet. Die tatsächliche Leistung muss auch anhand der Rückmeldeeinrichtungen, Regelkreise, Treiberhardware und mechanischen Getriebestruktur bewertet werden.

3. Wie beeinflussen verschiedene Rückmeldeverfahren die Auswahl eines BLDC-Motortreibers?

Neben der Regelstrategie ist die Rückmeldung der Rotorposition ein weiterer wichtiger Faktor bei der Auswahl eines BLDC-Motortreibers.

Der Treiber muss die Rotorposition erfassen oder schätzen, um den Motorstrom und den Betriebszustand korrekt zu regeln. Zu den gängigen Verfahren gehören die Rückmeldung über Hall-Sensoren, die Encoder-Rückmeldung und die sensorlose Regelung.

Dabei ist es wichtig, zwischen diesen Verfahren zu unterscheiden: Hall-Sensoren und Encoder sind physische Positionssensoren, während die sensorlose Regelung die Rotorposition anhand von Betriebsgrößen des Motors schätzt. Alle drei Verfahren können in einem Motorregelsystem zur Ermittlung der Positionsinformationen eingesetzt werden, unterscheiden sich jedoch hinsichtlich Rückmeldegenauigkeit, Verhalten bei niedrigen Drehzahlen und Systemkosten.

Weiterführender Artikel：Sensorlose vs. encoderbasierte BLDC-Motorregelung in der Robotik

3.1 Hall-Sensoren

Hall-Sensoren erfassen Veränderungen des Magnetfelds des Rotors und liefern dadurch Rotorpositions- und Kommutierungssignale. Eine typische Konfiguration mit drei Hall-Sensoren liefert Informationen über sechs Positionssektoren innerhalb eines elektrischen Zyklus.

Wesentliche Merkmale:

• Einfacher Aufbau und relativ geringe Kosten.

• Liefert grundlegende Positionsrückmeldungen bei niedrigen Drehzahlen und während des Anlaufs.

• Geeignet für Anwendungen, die keine hohe Positionsauflösung erfordern.

• Relativ begrenzte Positionsauflösung, sodass hohe Anforderungen an die präzise Positionsregelung allein damit nur schwer erfüllt werden können.

Hall-Sensoren können nicht nur bei herkömmlichen Kommutierungsverfahren eingesetzt werden, sondern auch bei bestimmten FOC-Antrieben, die eine Hall-basierte Positionsrückmeldung unterstützen. Aufgrund ihrer begrenzten Rückmeldeauflösung sind die Regelgenauigkeit und das Verhalten bei niedrigen Drehzahlen jedoch im Allgemeinen schlechter als bei Lösungen mit hochauflösenden Encodern.

3.2 Encoder

Encoder liefern eine präzisere Rückmeldung der Rotorposition und werden häufig in Motorsystemen eingesetzt, die eine hohe Regelgenauigkeit und ein gutes dynamisches Ansprechverhalten erfordern.

Je nach Funktionsprinzip lassen sich gängige Encoder in folgende Typen unterteilen:

• Inkrementalencoder: Ermitteln die relative Position durch die Ausgabe und Zählung von Impulsen. Beim Start muss in der Regel zunächst eine Referenzposition festgelegt werden.

• Absolutencoder: Liefern direkt die absolute Winkelposition innerhalb einer Umdrehung. Einige Modelle unterstützen zusätzlich die Erfassung der Mehrumdrehungsposition.

Wesentliche Merkmale:

• Bieten eine hochauflösende Positionsrückmeldung.

• Ermöglichen eine präzise Drehzahl-, Drehmoment- und Positionsregelung.

• Geeignet für Robotergelenke, Roboterarme und Servosysteme.

• Erfordern die Berücksichtigung von Auflösung, Signalschnittstellen, Kommunikationsprotokollen und Treiberkompatibilität.

Zu den gängigen Encoderschnittstellen gehören inkrementelle ABZ-Signale sowie digitale Schnittstellen wie SPI, SSI und BiSS. Encoderschnittstellen sind nicht zwangsläufig zwischen verschiedenen Treibern universell kompatibel. Daher sollte die konkrete Kompatibilität vor der Auswahl überprüft werden.

Bei Robotergelenken mit Getrieben ist außerdem zwischen einem motorseitigen Encoder und einem gelenkseitigen Encoder am Abtrieb zu unterscheiden. Getriebespiel, Übertragungsfehler und strukturelle Elastizität können die Positionsgenauigkeit am Abtrieb beeinflussen. Bei einigen Anwendungen kann deshalb eine zusätzliche Positionsrückmeldung auf der Abtriebsseite erforderlich sein.

3.3 Sensorlose Regelung

Die sensorlose Regelung benötigt keine physischen Positionssensoren wie Hall-Sensoren oder Encoder. Stattdessen werden die Rotorposition oder die Drehzahl anhand elektrischer Signale wie Gegen-EMK, Strom und Spannung geschätzt.

Wesentliche Merkmale:

• Es ist kein zusätzlicher Rotorpositionssensor erforderlich.

• Kann die Kosten für sensorbezogene Hardware und den erforderlichen Einbauraum reduzieren.

• Kann den mechanischen Aufbau bestimmter Motorsysteme vereinfachen.

• Reagiert empfindlich auf Algorithmen, Parametrierung und Betriebsbedingungen.

• Herkömmliche sensorlose Lösungen auf Basis der Gegen-EMK haben Schwierigkeiten, die Rotorposition bei Stillstand und extrem niedrigen Drehzahlen zu schätzen.

Die sensorlose Regelung wird häufig bei Lüftern, Pumpen und bestimmten Anlagen eingesetzt, bei denen keine hohen Anforderungen an die Drehmomentregelung bei niedrigen Drehzahlen bestehen.

Bei Anwendungen wie Robotergelenken, die häufige Start- und Stoppvorgänge, niedrige Drehzahlen und eine stabile Drehmomentabgabe erfordern, sollte die tatsächliche Leistung sensorloser Algorithmen beim Anlauf, im Niedrigdrehzahlbereich und bei Laständerungen sorgfältig bewertet werden. Einige fortschrittliche Algorithmen können die Positionsschätzung bei niedrigen oder sogar bei null Drehzahlen mithilfe von Verfahren wie der Hochfrequenzeinspeisung verbessern. Allerdings müssen sowohl der Motor als auch der Treiber diese Verfahren unterstützen.

3.4 Vergleich verschiedener Rückmeldeverfahren

4. Wie funktioniert FOC mit verschiedenen Rückkopplungsmethoden?

FOC und Positionsrückkopplungsmethoden gehören zu unterschiedlichen technischen Ebenen. FOC bestimmt, wie der Treiber den Motorstrom regelt, während Hall-Sensoren, Encoder und sensorlose Regelung bestimmen, wie der Treiber die Rotorposition erfasst oder schätzt.

Verschiedene Rückkopplungsmethoden können mit FOC kombiniert werden. Die tatsächliche Unterstützung hängt jedoch von der Hardwareauslegung und den Regelalgorithmen des Treibers ab.

4.1 Kombination von FOC mit verschiedenen Rückkopplungsmethoden

FOC + Encoder ist eine häufig verwendete Kombination in Robotergelenken und Präzisionsbewegungssystemen. Sie ermöglicht eine hochauflösende Positionsrückmeldung für die Drehmoment-, Drehzahl- und Positionsregelung.

FOC + Hall-Sensor kann die Anforderungen bestimmter Anwendungen mit vergleichsweise moderaten Anforderungen an Kosten und Regelgenauigkeit erfüllen.

Sensorlose FOC kann den Bedarf an Positionssensoren reduzieren. Die Leistungsfähigkeit beim Start aus dem Stillstand und im Niedrigdrehzahlbereich sollte jedoch anhand des jeweiligen Algorithmus überprüft werden.

4.2 Vergleich von Rückkopplungslösungen für verschiedene Roboteranwendungen

Dies sind allgemeine Auswahlrichtlinien und keine festen Konfigurationen. Bei der tatsächlichen Auswahl sollten auch der Motortyp, die Kompatibilität mit dem Treiber, die Regelgenauigkeit und die Betriebsbedingungen berücksichtigt werden.

5. Wie lässt sich die Kompatibilität zwischen BLDC-Motor und Treiber bestimmen?

Nachdem die FOC-Regelstrategie und die Rückkopplungsmethode festgelegt wurden, müssen auch die elektrischen Parameter, die Regelungsfunktionen und die Schnittstellenkompatibilität zwischen dem Robotermotor und dem Treiber überprüft werden.

5.1 Sind die Spannungs- und Stromwerte kompatibel?

Prüfen Sie zunächst, ob die Betriebsspannungsbereiche von Motor und Treiber miteinander kompatibel sind. Überprüfen Sie anschließend, ob die Dauerstrom- und Spitzenstromwerte des Treibers den Betriebsanforderungen des Motors entsprechen.

Wichtige Prüfpunkte:

• Nennspannung des Motors und Eingangsspannungsbereich des Treibers.

• Nennstrom des Motors und kontinuierlicher Ausgangsstrom des Treibers.

• Spitzenstrom des Motors und Spitzenstromfähigkeit des Treibers.

• Maximal zulässige Dauer des Spitzenstroms.

• Überstrom- und Überspannungsschutz durch das Netzteil und den Treiber.

Beachten Sie, dass der Spitzenstrom unter den vorgegebenen Zeit- und Kühlungsbedingungen in der Regel nur für kurze Zeit bereitgestellt werden kann. Er darf nicht mit der kontinuierlichen Ausgangsleistung gleichgesetzt werden.

5.2 Entsprechen Drehzahl und Drehmoment den Anwendungsanforderungen?

Der Treiber muss über ausreichende Möglichkeiten zur Strom- und Spannungsregelung verfügen, um die Betriebsanforderungen des Motors bei unterschiedlichen Drehzahlen und Lastbedingungen zu erfüllen.

Berücksichtigen Sie bei der Auswahl die Nenndrehzahl, die maximale Drehzahl, das Nenndrehmoment und das Spitzendrehmoment des Motors sowie das Trägheitsmoment der Last, die Beschleunigungszeit und den tatsächlichen Betriebszyklus.

Achten Sie bei Robotergelenken neben dem Spitzendrehmoment auch auf das Dauerdrehmoment und die Drehmomentstabilität im Niedrigdrehzahlbereich.

5.3 Ist die Rückkopplungsmethode kompatibel?

Wenn Hall-Sensoren oder Encoder verwendet werden, muss sichergestellt werden, dass der Treiber die entsprechenden Rückkopplungsgeräte und Signalschnittstellen unterstützt.

Dazu gehören beispielsweise:

• Hall-Sensorsignaltyp und Phasenkonfiguration.

• Inkremental- oder Absolutencoder.

• Encoderauflösung und Kommunikationsprotokoll.

• Polpaarzahl des Motors und Parameter der Positionsrückmeldung.

• Einbaurichtung des Encoders und elektrischer Winkelversatz.

Nicht kompatible Rückkopplungsschnittstellen können dazu führen, dass der Motor nicht ordnungsgemäß startet oder die erwartete Regelgenauigkeit nicht erreicht.

5.4 Unterstützt der Treiber die erforderlichen Regelungsmodi?

Unterschiedliche Anwendungen stellen unterschiedliche Anforderungen an die Regelungsmodi des Treibers. Zu den gängigen Modi gehören:

FOC kann als zugrunde liegende Stromregelstrategie für die Drehmoment-, Drehzahl- und Positionsregelung dienen. Welche Modi tatsächlich unterstützt werden, hängt jedoch von der Regelungsarchitektur und der Firmware des Treibers ab.

Prüfen Sie bei Roboteranwendungen außerdem, ob der Treiber einen stabilen Betrieb bei niedrigen Drehzahlen, das Halten der Position bei null Drehzahl sowie schnelle Drehrichtungswechsel unterstützt.

5.5 Erfüllen die Kommunikationsschnittstellen und Schutzfunktionen die Anforderungen?

Bei Robotersystemen mit mehreren Motoren muss der Treiber außerdem über geeignete Kommunikationsschnittstellen und Schutzfunktionen verfügen.

Zu den gängigen Kommunikationsschnittstellen gehören CAN, UART und RS485. Einige leistungsstarke Bewegungssteuerungssysteme verwenden außerdem Echtzeit-Kommunikationsprotokolle für die industrielle Automatisierung wie EtherCAT.

Prüfen Sie bei der Auswahl die folgenden Punkte:

• Ob der Treiber das vom System benötigte Kommunikationsprotokoll unterstützt.

• Ob die Anforderungen an die Aktualisierungsfrequenz von Steuerbefehlen und Rückmeldedaten erfüllt werden.

• Ob eine koordinierte Steuerung mehrerer Motoren unterstützt wird.

• Ob Schutzfunktionen gegen Überstrom, Überspannung, Unterspannung und Übertemperatur vorhanden sind.

• Ob die Kühlungs- und Installationsanforderungen der jeweiligen Anwendung erfüllt werden können.

Bei Robotersystemen mit häufigen Verzögerungsvorgängen oder extern angetriebenen Motoren sollten außerdem der Anstieg der DC-Zwischenkreisspannung durch regenerative Energie sowie die Möglichkeiten des Treibers und des Stromversorgungssystems zur Aufnahme und Verarbeitung von Bremsenergie berücksichtigt werden.

6. Wie wählt man einen BLDC-Motortreiber für verschiedene Roboteranwendungen aus?

Unterschiedliche Roboteranwendungen stellen unterschiedliche Anforderungen an Motortreiber. Bei der Auswahl sollten die Gelenkstruktur des Motors, die Lastcharakteristik, die Betriebsgeschwindigkeit, die Regelgenauigkeit und die Art der Systemintegration berücksichtigt werden.

6.1 Humanoide und vierbeinige Roboter

Humanoide und vierbeinige Roboter benötigen in der Regel mehrere Motoren, die zusammenarbeiten, um komplexe Bewegungen auszuführen. Ihre Gelenkmotoren müssen häufige Start- und Stoppvorgänge, schnelle Reaktionen und eine bidirektionale Drehmomentabgabe bewältigen.

Zu den wichtigsten Auswahlkriterien für diese Anwendungen gehören:

• Hohe Drehmomentdichte und kompakter Einbauraum.

• Gute Betriebsstabilität bei niedrigen Drehzahlen.

• Schnelle Drehmomentreaktion und dynamische Regelungsfähigkeit.

• Encoder-Rückmeldung und Positionsregelungsfunktionen.

• Kommunikations- und koordinierte Regelungsfunktionen für mehrere Gelenke.

Für diese Anwendungen ist eine Kombination aus FOC und Encoder-Rückmeldung eine geeignete Option. Abhängig von der Gelenkstruktur können integrierte Aktuatoren oder ein Quasi-Direktantriebsmotor infrage kommen.

Die QDD-Motoren der CubeMars AKE-Serie kombinieren beispielsweise einen bürstenlosen Motor mit einem Planetengetriebe. Sie eignen sich für Gelenke humanoider Roboter, Exoskelette und kompakte Roboteraktuatoren. Bei der Auswahl sollten die Treiberkonfiguration, die Rückkopplungsmethode, das Übersetzungsverhältnis und die Steuerschnittstelle des jeweiligen Modells überprüft werden.

6.2 Kollaborative Roboter und Roboterarme

Kollaborative Roboter und Roboterarme erfordern in der Regel eine hohe Positionsgenauigkeit, gleichmäßige Bewegungsabläufe und eine zuverlässige Wiederholgenauigkeit.

Zu den wichtigsten Auswahlkriterien gehören:

• Auflösung der Encoder-Rückmeldung.

• Fähigkeiten der geschlossenen Positions- und Drehzahlregelkreise.

• Betriebsstabilität bei niedrigen Drehzahlen.

• Drehmomentregelung und Reaktion auf Laständerungen.

• Kommunikations- und Synchronisierungsfunktionen für mehrere Achsen.

Für Gelenksysteme, die eine kompakte Integration erfordern, können integrierte Roboter-Antriebsmodule eine geeignete Lösung sein.

Die Roboteraktuator der CubeMars AK-Serie sind eine Option für Roboter-Gelenkanwendungen. Die jeweilige Treiberkonfiguration, der Encoder, das Kommunikationsprotokoll und die Regelungsmodi sollten für jedes Modell einzeln überprüft werden.

6.3 Individuell entwickelte Robotergelenke

Bei manchen Roboterkonstruktionen erfüllen die Abmessungen, die Montagekonstruktion oder die Ausgangsleistung von Standardmotoren nicht vollständig die Anforderungen. In solchen Fällen muss der Motor möglicherweise direkt in die Gelenkstruktur integriert werden.

Für solche kundenspezifischen Konstruktionen eignen sich rahmenlose Drehmomentmotoren.

Zu den wichtigsten Auswahlkriterien gehören:

• Abmessungen von Stator und Rotor sowie die Montagekonstruktion.

• Nenndrehmoment und Spitzendrehmoment.

• Motorkühlung und Dauerbetriebsfähigkeit.

• Konfiguration von Encodern oder Hall-Sensoren.

• Parameterkompatibilität zwischen externem Treiber und Motor.

Die rahmenlosen Innenläufer-Drehmomentmotoren RI von CubeMars (Innenläufer Rahmelos Drehmomentmotor) und die rahmenlosen Außenläufer-Drehmomentmotoren RO (Außenläufer Rahmelos Drehmomentmotor) können in unterschiedlichen Robotergelenkkonstruktionen eingesetzt werden. Da rahmenlose Motoren in der Regel externe Treiber und Rückkopplungssysteme benötigen, sollten Motor, Sensoren, Treiber und mechanische Struktur als Gesamtsystem bewertet werden.

6.4 Industrielle Automatisierungsanlagen

Industrielle Automatisierungsanlagen erfordern in der Regel eine stabile Drehzahlregelung, einen zuverlässigen Dauerbetrieb und eine gute Systemkompatibilität.

Für Fördersysteme, automatisierte Mechanismen und allgemeine rotierende Antriebslasten kann eine geeignete Treiberlösung entsprechend der erforderlichen Betriebsgenauigkeit und den Kostenanforderungen ausgewählt werden.

Wenn die Anlage eine hochpräzise Positionierung, Mehrachsensynchronisierung oder häufige Start- und Stoppvorgänge erfordert, sollten FOC, Encoder-Rückmeldung, geschlossene Regelkreise und Echtzeit-Kommunikationsfunktionen bevorzugt berücksichtigt werden.

6.5 Medizinische Rehabilitationsgeräte und Inspektionsroboter

Medizinische Rehabilitationsgeräte und Inspektionsrobotermotoren stellen hohe Anforderungen an gleichmäßige Bewegungsabläufe, Zuverlässigkeit und Regelungssicherheit.

Beispielsweise müssen Exoskelette das Ausgangsdrehmoment der Gelenke entsprechend den menschlichen Bewegungen anpassen, während Inspektionsroboter unter unterschiedlichen Geländebedingungen und Lasten einen stabilen Betrieb gewährleisten müssen.

Bei diesen Anwendungen sollten das Verhalten bei niedrigen Drehzahlen, die Drehmomentregelungsfähigkeit, die Zuverlässigkeit der Rückmeldung, die Temperaturentwicklung und die Schutzfunktionen bewertet werden. Die Treiberlösung muss außerdem die spezifischen Sicherheitsanforderungen der jeweiligen Anlage erfüllen.

7. Wichtige Parameter, die bei der Auswahl eines Treibers geprüft werden sollten

Bevor Sie sich für ein Treibermodell entscheiden, empfiehlt es sich, die Motorspezifikationen und die tatsächlichen Anwendungsanforderungen zusammenzustellen, um Leistungsprobleme durch nicht aufeinander abgestimmte Parameter zu vermeiden.

Wenn die Anwendung häufige Verzögerungen, schnelle Drehrichtungswechsel oder eine hohe Lastträgheit umfasst, sollte außerdem überprüft werden, ob der Treiber und das Stromversorgungssystem die erforderlichen Lösungen zur Bremsenergieverarbeitung und zur Aufnahme regenerativer Energie unterstützen.

8. Häufige Fehler bei der Auswahl von BLDC-Motortreibern

In der Praxis können einige scheinbar einfache Auswahlentscheidungen dazu führen, dass ein Motor seine erwartete Leistung nicht erreicht.

Fehler 1: Nur auf den Spitzenstrom des Treibers achten

Spitzenstrom ist nicht dasselbe wie Dauerstrom. Werden die kontinuierliche Ausgangsleistung, die Spitzenstromdauer und die Kühlbedingungen nicht berücksichtigt, kann der Treiber bei längerem Betrieb überhitzen oder aufgrund seiner Schutzgrenzwerte abschalten.

Fehler 2: Davon ausgehen, dass ein Encoder automatisch FOC bedeutet

Ein Encoder ist ein Positionsrückmeldegerät, während FOC eine Regelstrategie ist. Beide gehören zu unterschiedlichen technischen Kategorien. Obwohl Encoder häufig in FOC-Systemen eingesetzt werden, lässt sich die Regelstrategie eines Treibers nicht allein daran erkennen, ob er über einen Encoder verfügt.

Fehler 3: Davon ausgehen, dass sensorlose Regelung für alle Anwendungen bei niedrigen Drehzahlen geeignet ist

Bei der herkömmlichen sensorlosen Regelung auf Basis der Gegen-EMK ist es schwierig, die Rotorposition bei Stillstand und extrem niedrigen Drehzahlen zu bestimmen. Für Robotergelenke, die ein stabiles Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen und einen zuverlässigen Start aus dem Stillstand erfordern, sollten sensorlose Lösungen sorgfältig bewertet werden.

Fehler 4: Die Kompatibilität der Rückkopplungsschnittstellen zwischen Motor und Treiber übersehen

Selbst wenn die Spannungs- und Stromwerte von Motor und Treiber kompatibel sind, können nicht kompatible Encoder-Protokolle, Hall-Signale oder Positionsparameter einen ordnungsgemäßen Systembetrieb verhindern.

Fehler 5: Nur auf das Spitzendrehmoment des Motors achten und die Dauerbetriebsfähigkeit vernachlässigen

Das Spitzendrehmoment bezeichnet in der Regel die kurzfristige Ausgangsleistung des Motors. Bei Robotergelenken, die über längere Zeit Lasten tragen oder häufig betrieben werden müssen, sind auch das Dauerdrehmoment, die Temperaturentwicklung und die Kühlbedingungen zu berücksichtigen.

Fehler 6: Die tatsächlichen Bewegungsanforderungen der Anwendung ignorieren

Unterschiedliche Geräte stellen unterschiedliche Anforderungen an Drehzahl, Drehmoment, Positionsgenauigkeit und Reaktionszeit. Wird ein Treiber nur anhand der Motorleistung oder Nenndrehzahl ausgewählt, können die tatsächlichen Regelungsanforderungen leicht übersehen werden.

9. Fazit: Wie wählt man den richtigen BLDC-Motortreiber für Roboteranwendungen aus?

Bei der Auswahl eines BLDC-Motortreibers müssen die Regelstrategie, die Positionsrückkopplungsmethode, die elektrischen Parameter und die tatsächlichen Anwendungsanforderungen gemeinsam berücksichtigt werden.

FOC ermöglicht eine präzise Drehmomentanpassung durch die Regelung des Stromvektors des Motors. Diese Strategie eignet sich generell für Roboteranwendungen, die einen gleichmäßigen Betrieb, gute Leistung bei niedrigen Drehzahlen und eine schnelle dynamische Reaktion erfordern.

Bei den Rückkopplungsmethoden eignen sich Hall-Sensoren für die grundlegende Positionserfassung, Encoder für Systeme mit höheren Anforderungen an die Genauigkeit der Positionsrückmeldung. Sensorlose Regelung kann den Bedarf an Positionssensoren reduzieren, erfordert jedoch eine sorgfältige Bewertung des Verhaltens bei niedrigen Drehzahlen und beim Start.

Bei Anwendungen wie humanoiden Robotern, vierbeinigen Robotern, Exoskeletten und Roboterarmen sollten außerdem die Drehmomentregelung bei niedrigen Drehzahlen, die Dauerstromfähigkeit, die Kommunikationsschnittstellen und die Gesamtkompatibilität zwischen Motor und Treiber berücksichtigt werden.

Durch die gemeinsame Bewertung der Motorspezifikationen, der Regelungsanforderungen und der tatsächlichen Betriebsbedingungen lässt sich eine BLDC-Motortreiberlösung auswählen, die den Anforderungen Ihres Robotersystems wirklich entspricht.

FAQ: Häufig gestellte Fragen

1. Warum verwenden Robotermotoren häufig eine FOC-Regelung?

Robotergelenke müssen häufig beschleunigen und abbremsen, in beide Richtungen rotieren und das Ausgangsdrehmoment dynamisch anpassen. Durch die Regelung des Stromvektors ermöglicht FOC eine präzise Drehmomentanpassung und trägt zu gleichmäßigeren Bewegungsabläufen bei niedrigen Drehzahlen bei. Daher wird diese Regelstrategie häufig in Antriebssystemen für Robotergelenke eingesetzt.

2. Benötigt ein FOC-Treiber immer einen Encoder?

Nein. FOC kann sowohl mit sensorbasierten Rückkopplungsmethoden wie Encodern und Hall-Sensoren als auch mit einer sensorlosen Schätzung der Rotorposition arbeiten. Encoder bieten eine höhere Auflösung bei der Positionsrückmeldung und eignen sich generell besser für Anwendungen mit hohen Anforderungen an die Regelung bei niedrigen Drehzahlen und die Positionsgenauigkeit.

3. Können Hall-Sensoren für die FOC-Regelung verwendet werden?

Ja. Einige FOC-Treiber unterstützen Hall-Sensoren als Quelle für die Rückmeldung der Rotorposition. Hall-Sensoren haben jedoch eine relativ geringe Positionsauflösung. Die tatsächliche Regelgenauigkeit und das Verhalten bei niedrigen Drehzahlen hängen daher auch von der Algorithmusauslegung des Treibers ab.

4. Eignet sich sensorlose FOC für Robotergelenke?

Das hängt von der jeweiligen Anwendung ab. Bei der herkömmlichen sensorlosen FOC auf Basis der Gegen-EMK ist es schwierig, die Rotorposition bei Stillstand und extrem niedrigen Drehzahlen zu bestimmen. Robotergelenke erfordern hingegen typischerweise häufige Start- und Stoppvorgänge, den Betrieb bei niedrigen Drehzahlen und eine stabile Drehmomentabgabe.

Daher sollte vor der Auswahl einer sensorlosen Lösung deren Regelungsverhalten beim Start, bei niedrigen Drehzahlen und bei Laständerungen gründlich getestet werden.

5. Was ist der Unterschied zwischen einem Encoder und einem Hall-Sensor?

Hall-Sensoren liefern hauptsächlich Informationen über die Position des Magnetfelds des Rotors sowie Kommutierungssignale. Sie haben einen einfachen Aufbau und vergleichsweise geringe Kosten, bieten jedoch nur eine begrenzte Positionsauflösung. Encoder liefern genauere Informationen über den Drehwinkel des Rotors und eignen sich für Regelungssysteme, die eine höhere Genauigkeit der Positionsrückmeldung erfordern.

6. Was ist der Unterschied zwischen sensorbasierter und sensorloser Regelung?

Bei der sensorbasierten Regelung werden physische Geräte wie Hall-Sensoren oder Encoder verwendet, um Informationen über die Rotorposition zu erfassen. Bei der sensorlosen Regelung werden die Rotorposition oder Drehzahl anhand von Signalen wie Spannung, Strom und der während des Motorbetriebs erzeugten Gegen-EMK geschätzt. Beide Methoden unterscheiden sich hinsichtlich Hardwarekosten, Genauigkeit der Positionsrückmeldung und Verhalten bei niedrigen Drehzahlen.

7. Warum ist das Verhalten bei niedrigen Drehzahlen für Robotergelenke wichtig?

Robotergelenke müssen häufig bei niedrigen Drehzahlen präzise Bewegungen ausführen und das Ausgangsdrehmoment in Echtzeit an Laständerungen anpassen. Ein instabiler Betrieb bei niedrigen Drehzahlen kann Gelenkschwingungen, ruckartige Bewegungen oder eine geringere Regelgenauigkeit verursachen. Daher ist das Verhalten bei niedrigen Drehzahlen ein wichtiges Auswahlkriterium für Motortreiber in Roboteranwendungen.

8. Was ist bei der Auswahl eines BLDC-Motortreibers wichtiger: Spitzenstrom oder Dauerstrom?

Beide sind wichtig. Der Spitzenstrom bestimmt die kurzfristige Ausgangsleistung des Treibers, während der Dauerstrom seine langfristige Betriebsfähigkeit bestimmt. Bei Robotergelenken sollten Spitzenstrom, Dauerstrom und Spitzenstromdauer anhand der Beschleunigung, der Laständerungen und des tatsächlichen Bewegungszyklus bewertet werden.

9. Müssen Motor und Treiber vom selben Hersteller stammen?

Nein. Motoren und Treiber unterschiedlicher Hersteller können zusammenarbeiten. Allerdings müssen ihre Spannungs- und Stromwerte, Gegen-EMK-Parameter, Rückkopplungsschnittstellen, Regelalgorithmen und Kommunikationsprotokolle kompatibel sein. Bei Systemen mit hohen Anforderungen an die Regelgenauigkeit sollten außerdem die Parameterkonfiguration und praktische Betriebstests durchgeführt werden.