ESCON EC-S: Anwendungen und Einschränkungen einer sensorlosen Regelung

Thema:

Die sensorlose Regelung von bürstenlosen Motoren (= EC Motoren) stellt durch den Verzicht auf Gebersysteme eine attraktive Lösung für spezifische Anwendungsfälle dar. Letztendlich sind bei solchen Systemen weniger Komponenten und nur die Verkabelung der Motorphasen notwendig. Insbesondere wo der Platzbedarf, Flexibilität und ein schlankes Design von Kabeln entscheidend ist, sollten die Möglichkeiten und Einschränkungen einer sensorlosen Regelung anhand der konkreten Anwendung und deren Anforderung diskutiert werden.

Technischer Hintergrund:

Die ESCON EC-S (Art.nr. 446925) ist eine sensorlose Regelung, welche auf dem Prinzip der Positionserfassung des Rotors über das Gegen-EMK Signal basiert. Diese Information wird für die Kommutierung (= sequentielle Umschaltung der Spannungen der Motorwicklungen) und die Drehzahlregelung genutzt. Die technische Herausforderung (und der wesentliche Nachteil) bei diesem Verfahren ist, dass das Gegen-EMK Signal bei tiefen Drehzahlen sehr schwach ausgeprägt und bei Motorstillstand gar nicht vorhanden ist. Rein Gegen-EMK basierende sensorlose Regelungen sind deshalb typischerweise für Anwendungen konzipiert, die eine Minimaldrehzahl nicht unterschreiten. Die ESCON EC-S bietet oberhalb der Minimaldrehzahl eine sehr präzise und stabile Drehzahlregelung bis hinauf zu 120000 U/Min (bei einem EC-Motor mit 1 Polpaar). Als weiteren Vorteil bietet die ESCON EC-S eine Vielzahl an Funktionen, die den analogen und digitalen Ein-/Ausgänge zugeordnet werden können. Die Konfiguration und Erstinbetriebnahme erfolgt mit der "ESCON Studio" Software, die für alle  ESCON Produktvarianten ein sehr intuitives einheitliches Bedienkonzept bietet.

Es gibt eine ganze Anzahl von Anwendungen, bei welchen typischerweise eine sensorlose Regelung auf dem Gegen-EMK Prinzip genutzt werden kann. Es gilt aber trotzdem spezifische Einschränkungen auch in einem solchen Anwendungsfall zu beachten.

Typische Anwendungen für eine sensorlose Regelung
mit der ESCON EC-S:

• Lüfter und Gebläse

• Pumpen

• Scanner

• Schleifer

• Bohrer

• Rotationsschneidwerkzeuge

• Chirurgiewerkzeuge

• Tätowiergeräte

Auch wenn der Anwendungstyp für eine sensorlose Regelung geeignet erscheint, so gilt es doch einige spezifische Einschränkungen wie nachfolgend genannt zu beachten. Es ist deshalb immer empfohlen diese Einschränkungen zu überprüfen und Prototypen-Tests durchzuführen bevor der Entscheid für den Einsatz einer sensorlosen Regelung in einem Serienprodukt fällt. Es sind hierbei auch die später eventuell möglichen verschiedenen Einsatzbedingungen (und Arbeitspunkte des Motors) in der Praxis zu beachten.

Einschränkungen einer sensorlosen Regelung

Selbst bei den oben genannten Anwendungstypen kann es Einschränkungen bei der Eingnag einer sensorlosen Regelung geben aufgrund von spezifischen Anwendungsanforderungen. Die nachfolgende Liste enthält einige Hinweise, welche Anforderungen von einer sensorlosen Regelung, die auf dem Gegen-EMK Signal basiert (wie die ESCON EC-S), nur schwierig oder nicht zu erfüllen sind:

• Der Motor soll bei tiefen Drehzahlen betrieben werden.
  => Eine rein auf dem Gegen-EMK Prinzip basierende sensorlose Regelungen (wie die ESCON EC-S) sind in diesem Fall NICHT(!) empfohlen.
  
  
• Der Motor muss vom Stillstand mit stark unterschiedlichen Lastverhältnissen zuverlässig starten.
  => Rein auf dem Gegen-EMK Prinzip basierende sensorlose Regelungen (wie die ESCON EC-S) sind in den folgenden Fällen NICHT(!) empfohlen:
  
  • Kran- oder Lift-Anwendungen mit undefinierter Last (d.h. Null- bis Maximallast) beim Bewegungsstart.
  • Gebläse und Pumpen mit stark variierendem Gegendruck oder Reibung beim Starten.
  • Bohr- und Schneidwerkzeuge, welche beim Bewegungsstart stark blockiert sein können.
    
    
• Grosses Trägheitsmoment der Last
  Rein Gegen-EMK basierende sensorlose Regelungen (wie die ESCON EC-S) sind nur bedingt empfohlen, falls das Trägheitsmoment der Last mehr als 5 oder sogar 10 mal grösser ist als das Trägheitsmoment des Motors. Es ist in diesem Fall dringend empfohlen vor dem definitiven Entscheid für eine sensorlose Regelung die Eignung des Motors wie auch der sensorlosen Steuerung mit der konkreten Last und Arbeitspunkten (Drehzahl, Drehmoment) zu testen. 
   
• Rein auf dem Gegen-EMK Prinzip basierende sensorlose Regelungen sind NICHT(!) empfohlen, falls der Motor ...
  • ... ab Stillstand mit definiertem Drehmoment und Rampe beschleunigt werden soll.
  • ... bis zum Stillstand mit einer definierten Rampe abgebremst werden soll.
  • ... die Drehrichtung wechseln und den Nulldurchgang mit definierter Rampe ausführen soll.
  • ... positionsgeregelt betrieben werden soll.
  • ... mit Drehmoment auf Lage gehalten werden soll.

Einschränkung: Minimale Drehzahl

Eine der wesentlichsten Einschränkungen ist, dass rein Gegen-EMK basierende sensorlose Regelungen kein definiertes Drehmoment und Drehzahlmessung im Stillstand oder tiefen Drehzahlen ermöglichen. Es wird immer ein minimales Drehzahlniveau benötigt um ein stabiles Gegen-EMK Signal zu erhalten, welches wiederum als IST-Wert für die Drehzahlregelung benötigt ist. Diese minimale Drehzahl kann mit einer "Daumenformel" abgeschätzt werden:

Minimal Drehzahl [U/Min] = (Versorgungsspannung [V] * Drehzahlkonstante [(U/Min)/V]) / 7

Die Drehzahlkonstante ist im Motordatenblatt spezifiziert.

Falls eine Anwendung eine Drehzahl erfordert, die kleiner als der berechnete Wert aus der "Daumenfromel" ist, so wird in der Regel eine komplexere sensorlose Regelung (als die ESCON EC-S) oder eine sensorbehaftete Regelung benötigt.

Ist die eigene Anwendung für eine sensorlose Regelung geeignet?

Falls Sie unsicher sind, ob eine sensorlose Regelung (wie die ESCON EC-S) für Ihre Anwendung, deren spezifischen Anforderungen und den gewählten Motor geeignet sind, so kontaktieren Sie bitte Ihr lokales maxon Vertriebsbüro oder reichen Sie Ihre Anfrage auf dem Support Center ein und schildern Sie uns Ihren Anwendungsfall. maxon bietet auch kundenspezifische Lösungen oder komplexe sensorlose Regelungen für das serienmässige OEM Geschäft auf Anfrage. Wir beraten Sie unverbindlich und suchen sehr gerne mit Ihnen gemeinsam nach der besten Lösung für Ihre konkrete Anwendung und die dabei vorhandenen technischen wie kommerziellen Herausforderungen.