Innovative Elektronik verdrängt klassische Mechanik

Pres­se­be­richt: Inno­va­ti­ve Elek­tro­nik ver­drängt klas­si­sche Mecha­nik

Auch bei elek­tri­schen Stell­an­trie­ben zeigt sich immer deut­li­cher der aktu­el­le Trend, auf­wen­di­ge mecha­ni­sche Funk­tio­nen durch Mikro­elek­tro­nik abzu­bil­den und zu erset­zen.

Mit den neu­en Bau­rei­hen „Flexor“ und „Ten­sor“ erwei­tert ARIS Stell­an­trie­be GmbH im Zuge einer Erneue­rung des kom­plet­ten Pro­dukt­port­fo­li­os in 2014 die klas­si­schen Bau­rei­hen „nano“ und „Clas­sic Line“ und bie­tet damit eine inno­va­ti­ve Gene­ra­ti­on elek­tro­nisch gere­gel­ter Stell­an­trie­be an. Die­ser Arti­kel erläu­tert die Funk­ti­ons­wei­se und stellt die Vor­zü­ge die­ser neu­en Bau­rei­hen dar.

Die Bau­rei­he „Flexor“ basiert auf einem her­kömm­li­chen Stirn­rad­ge­trie­be in Kom­bi­na­ti­on mit einem klas­si­schen Syn­chron­mo­tor. Der Syn­chron­mo­tor punk­tet bau­art­be­dingt mit hohem Selbst­hal­te­mo­ment und last­un­ab­hän­gi­ger, kon­stan­ter Dreh­zahl, die mit der Fre­quenz des Strom­net­zes „syn­chron“ läuft. Die­se Eigen­schaft hat dem Motor sei­nen Namen gege­ben und ist der Grund dafür, dass klas­si­sche Stell­an­trie­be in der Regel auf Syn­chron­mo­to­re als Antrieb set­zen. Damit endet aller­dings die Gemein­sam­keit mit der Bau­rei­he „Flexor“. Beim „Flexor“ wur­de das kom­plet­te mecha­ni­sche Abschalt­sys­tem durch eine ver­schleiß­freie und berüh­rungs­lo­se Posi­ti­ons­er­fas­sung ersetzt, die auf dem Hall­ef­fekt basiert. Die­se Sen­sor­tech­nik wur­de bereits vor Jah­ren für den Ein­satz in der Auto­mo­bil­tech­nik ent­wi­ckelt und hat sich durch extre­me Robust­heit, wei­ten Tem­pe­ra­tur­be­reich und hohe Zuver­läs­sig­keit bewährt.

Im Stell­an­trieb wird auf der Abtriebs­wel­le ein Magnet mon­tiert, der sich unter einer Elek­tro­nik­pla­ti­ne dreht. Sie ist das Herz­stück des Stell­an­trie­bes und besitzt exakt über dem Magne­ten eine Sen­sor­ein­heit als inte­grier­te Schal­tung mit meh­re­ren Hall­sen­so­ren und einer Aus­wer­te­elek­tro­nik. Damit wird die Posi­ti­on des Magne­ten prä­zi­se und ohne mecha­ni­sche Ver­bin­dung berüh­rungs­los erfasst und steht anschlie­ßend als abso­lu­tes Posi­ti­ons­si­gnal mit 12 Bit Auf­lö­sung zur Ver­fü­gung. 12 Bit sind 4096 Schrit­te und bedeu­ten bei 360° eine Sys­tem­auf­lö­sung von 0,1°. Dies liegt weit über der mög­li­chen Auf­lö­sung mecha­ni­scher Sen­so­rik. Durch die Aus­wer­tung der Win­kel­stel­lung des Magne­ten wird sicher­ge­stellt, dass auch nach einem Span­nungs­aus­fall, nach einem Ver­stel­len des Antriebs im span­nungs­lo­sen Zustand oder einer Hand­be­tä­ti­gung trotz­dem die rich­ti­ge Posi­ti­on ein­deu­tig erkannt wird. Selbst­ver­ständ­lich sind mit die­sem Sys­tem auch Multi­turn-Anwen­dun­gen pro­blem­los rea­li­sier­bar. Gera­de hier glänzt das Sys­tem mit der hohen Auf­lö­sung, die unab­hän­gig vom Stell­be­reich kon­stant hoch bleibt. Bis­her muss­te der Anwen­der beim klas­si­schen Stell­an­trieb für unter­schied­li­che Stell­we­ge ent­spre­chend vie­le Stell­an­trie­be mit unter­schied­lich unter­setz­tem Abschalt­sys­tem vor­hal­ten, jetzt deckt das elek­tro­ni­sche Sys­tem alle Regel­mög­lich­kei­ten mit einer Vari­an­te kom­for­ta­bel ab. Mit der berüh­rungs­lo­sen Posi­ti­ons­er­fas­sung wird das Sys­tem prak­tisch ver­schleiß­frei und gewähr­leis­tet kon­stan­te Prä­zi­si­on über die gesam­te Lebens­dau­er. Pro­ble­me und Lang­zeit­drift­ef­fek­te, die von Umschalt­hys­te­re­sen bei Poten­tio­me­tern und Schalt­punkt­hys­te­re­sen bei Mikro­schal­tern ver­ur­sacht wer­den, gehö­ren damit eben­so der Ver­gan­gen­heit an. In der Sum­me ergibt sich für den Anwen­der eine spür­bar höhe­re Regel­ge­nau­ig­keit des Gesamt­an­trie­bes, die außer­dem über die Lebens­dau­er des Antriebs prak­tisch kon­stant bleibt. Auf­grund immer knap­per wer­den­den Res­sour­cen und der hier­aus resul­tie­ren­den per­ma­nent stei­gen­den Ener­gie­kos­ten for­dert der Anla­gen- und Maschi­nen­bau immer exak­te­re Rege­lun­gen. Dafür sind die neu­en elek­tro­ni­schen Posi­tio­nier­sys­te­me die pas­sen­de Ant­wort.

Der klas­si­sche Stell­an­trieb, basie­rend auf Nocken­schalt­wer­ken und Mikro­schal­tern, stößt hier ganz deut­lich an sei­ne Gren­zen. Neben der exak­ten Rege­lung bie­tet das elek­tro­ni­sche Posi­tio­nier­sys­tem auch eine deut­lich ein­fa­che­re und schnel­le­re Inbe­trieb­nah­me. Muss­ten beim klas­si­schen Stell­an­trieb die End­la­gen per Schalt­no­cken ein­ge­stellt und jus­tiert wer­den, erfolgt dies beim „Flexor“ schnell und ein­fach per Pro­gram­mie­rung über Tas­ter. Eben­falls ver­schleiß­frei und lang­zeit­kon­stant.

Mit der Pro­gram­mie­rung der optio­na­len Zwi­schen­schal­ter wer­den die Vor­tei­le der elek­tro­ni­schen Posi­ti­ons­er­fas­sung noch deut­li­cher, weil beim klas­si­schen Stell­an­trieb unter­schied­li­che Schalt­win­kel auch unter­schied­li­che Schalt­no­cken­for­men erfor­dern. Die elek­tro­ni­sche Vari­an­te ermög­licht per Tas­ten­druck eine sepa­ra­te Fest­le­gung von Ein­schalt- und Aus­schalt­punkt. Damit bestimmt der Anwen­der vor Ort bei der Inbe­trieb­nah­me den opti­ma­len Schalt­win­kel und ist nicht mehr gezwun­gen, im Vor­feld zwi­schen unter­schied­li­chen Nocken­for­men zu unter­schei­den. Damit auch im span­nungs­lo­sen Zustand des Stell­an­trie­bes die Zwi­schen­schal­ter­stel­lun­gen unver­än­dert aus­ge­ge­ben wer­den, sind alle optio­na­len Schalt­aus­gän­ge mit bista­bi­len Relais aus­ge­stat­tet.

Jeder Stell­an­trieb ist bereits in der Basis­ver­si­on mit Pro­gram­mier­tas­ten aus­ge­stat­tet. Dar­über kann der Antrieb selbst­ver­ständ­lich auch manu­ell ver­fah­ren wer­den.

Optio­nal steht ein elek­tro­ni­sches Poten­tio­me­ter zur Ver­fü­gung, mit dem das Ist­wert-Poten­tio­me­ter klas­si­scher Stell­an­trie­be nach­ge­bil­det wird. Die­ses elek­tro­ni­sche Poten­tio­me­ter gibt eine vom Anwen­der ange­leg­te Span­nung bis max. 10V DC im Ver­hält­nis der aktu­el­len Posi­ti­on wie­der aus. Sind die End­la­gen des Stell­an­trie­bes ein­mal pro­gram­miert, ist auch das Poten­tio­me­ter auto­ma­tisch auf die­sen Bereich jus­tiert. Damit wird erreicht, dass die­ses Signal immer exakt den ein­ge­stell­ten Stell­be­reich zu 100% abbil­det. Der Anwen­der ist jetzt völ­lig unab­hän­gig von unter­schied­li­chen Auf­lö­sun­gen mecha­ni­scher Poten­tio­me­ter, die den benö­tig­ten Stell­be­reich nie exakt abge­bil­det haben. Auch das elek­tro­ni­sche Poten­tio­me­ter arbei­tet berüh­rungs­los und ver­schleiß­frei. Mit dem Weg­fall des spiel­be­haf­te­ten Unter­set­zungs­ge­trie­bes für mecha­ni­sche Poten­tio­me­ter erhöht sich die Genau­ig­keit des Poten­tio­me­ter­si­gnals signi­fi­kant und über­trifft das klas­si­scher Sys­te­me bei Wei­tem.

Ein wei­te­res High­light der neu­en Bau­rei­hen ist die Sys­tem­schnitt­stel­le, die in Ver­bin­dung mit der optio­nal ange­bo­te­nen Soft­ware eine Dia­gno­se, Para­me­trie­rung und Inbe­trieb­nah­me kom­for­ta­bel via PC, Tablet oder Smart­pho­ne mög­lich macht. Antrie­be las­sen sich so ein­fach prü­fen oder vor­kon­fi­gu­rie­ren. Sind in einer Anla­ge meh­re­re Antrei­be mit glei­cher Ein­stel­lung ver­baut, kann die­se bequem und schnell auf alle Antrie­be über­tra­gen wer­den.

Mit der Bau­rei­he „Flexor“ steht den ARIS Kun­den ein Antriebs­sys­tem zur Ver­fü­gung, dass auf­grund der ver­wen­de­ten Motor­tech­nik auch im span­nungs­lo­sen Zustand ein hohes Hal­te­mo­ment bie­tet. Zusätz­lich bie­ten die neu­en Antrie­be eine erheb­li­che Zeit­er­spar­nis bei der Inbe­trieb­nah­me. Mit dem neu­en Regel­sy­tem wird eine Regel- bzw. Posi­tio­nier­ge­nau­ig­keit erreicht, die es ermög­licht die immer wei­ter anstei­gen­den Anfor­de­ru­nen in Effi­zi­enz zu erfül­len, die auf­grund der spür­ba­ren Ver­knap­pung von Res­sour­cen ent­ste­hen.

Auch die Bau­rei­he „Ten­sor“ ver­fügt über alle Inno­va­tio­nen des „Flexor“, die in die­sem Arti­kel bereits beschrie­ben wur­den. Hier wur­de der Gene­ra­ti­ons­wech­sel kon­se­quent fort­ge­schrie­ben. So wur­de das klas­si­sche Stirn­rad­ge­trie­be durch ein spiel­ar­mes Prä­zi­si­ons­ge­trie­be mit einer Posi­tio­nier­ge­nau­ig­keit von 0,1 ° ersetzt. Der klas­si­sche Syn­chron­mo­tor hat einem elek­tro­nisch kom­mu­tier­ten und bürs­ten­lo­sen Gleich­strom­mo­tor Platz gemacht. Wel­che Phi­lo­so­phie dahin­ter­steht, erläu­tert das fol­gen­de Kapi­tel.

Elek­tro­nisch kom­mu­tier­ter und bürs­ten­lo­ser Gleich­strom­mo­tor, kurz BLDC-Motor genannt und als sol­cher auch bekannt, klingt zunächst kom­pli­ziert. Er ist dem Syn­chron­mo­tor ähn­lich, weil sich bei­de vom Funk­ti­ons­prin­zip her nicht groß­ar­tig unter­schei­den. Wäh­rend beim Syn­chron­mo­tor die Netz­span­nung und Fre­quenz für Dreh­zahl und Leis­tung bestim­mend sind, nimmt beim BLDC-Motor eine Elek­tro­nik die­se Funk­ti­on wahr. Dar­aus erge­ben sich gros­se Vor­tei­le, weil jetzt mit der Ände­rung der Fre­quenz die Dreh­zahl des Motors in wei­ten Berei­chen stell­bar wird. Über die Varia­ti­on der Span­nung kann jetzt das Dreh­mo­ment ver­än­dert und gesteu­ert wer­den. Somit wer­den Dreh­mo­ment und Dreh­zahl exakt regel­bar. Damit erschließt sich dem Anwen­der eine Viel­zahl von Vor­tei­len.

Mit der per­ma­nen­ten Dreh­mo­ment­über­wa­chung wer­den Stell­an­trieb und Arma­tur zuver­läs­sig vor Über­las­tung geschützt. Über einen Stör­mel­de­aus­gang kann ein­fach und kos­ten­güns­tig eine elek­tro­ni­sche Dreh­mo­ment­ab­schal­tung rea­li­siert wer­den. In sicher­heits­re­le­van­ten Anla­gen wird häu­fig gefor­dert, dass Arma­tu­ren beim Abschal­ten der Anla­ge oder im Stör­fall sehr schnell öff­nen oder schlie­ßen. Abge­se­hen davon, dass ein klas­si­scher Antrieb nur eine Geschwin­dig­keit bie­tet, wäre die „Stör­fall­ge­schwin­dig­keit“ viel zu hoch für den Nor­mal­be­trieb oder eine ver­nünf­ti­ge Rege­lung und das Dreh­mo­ment zu gering. Somit wer­den oft zwei Arma­tu­ren für Schnell­schließ- und Regel­funk­ti­on erfor­der­lich. Nicht mehr beim „Ten­sor“, er läßt sich optio­nal mit unter­schied­li­chen Geschwin­dig­kei­ten betrei­ben. Somit kann die glei­che Arma­tur schnell öff­nen oder schlie­ßen, wäh­rend sie im Regel­be­trieb mit gerin­ger Geschwin­dig­keit und prä­zi­se gefah­ren wird. Über einen optio­na­len ana­lo­gen oder digi­ta­len Geschwin­dig­keits­ein­gang kann der „Ten­sor“ in sei­ner Stell­zeit stu­fen­los gere­gelt wer­den und deckt opti­mal rei­ne Stel­lungs­re­ge­lung oder z. B. auch eine PID- Cha­rak­te­ris­tik ab.

Wäh­rend klas­si­sche Stell­an­trie­be und der „Flexor“ in der rich­ti­gen Netz­span­nung bestellt wer­den müs­sen, weil der Syn­chron­mo­tor nur dann kor­rekt arbei­tet, hat man das Pro­blem beim „Ten­sor“ nicht mehr. Dis bis­he­ri­ge Typen­viel­zahl redu­ziert sich beim „Ten­sor“ deut­lich auf 2 Vari­an­ten, weil ein Schalt­netz­teil neben bes­se­rem Wir­kungs­grad auch einen Weit­span­nungs­ein­gang bie­tet. Mit 90 bis 254V AC und 50 bis 60 Hz ist der Anwen­der welt­weit gut auf­ge­stellt. Die zwei­te Vari­an­te deckt mit 24V AC/DC den Nie­der­span­nungs­be­reich ab. Zusätz­lich sind optio­na­le Son­der­span­nun­gen mög­lich.

BLDC-Moto­ren besit­zen ent­spre­chend ihrer Pol­zahl Hall­sen­so­ren, mit denen die Elek­tro­nik die Strangströ­me des Motors steu­ert und die elek­tro­ni­sche Kom­mu­tie­rung rea­li­siert. Zusätz­lich über­wacht die Motor­steue­rung den Strang­strom selbst. Durch die per­ma­nen­te Über­wa­chung die­ser Sen­so­ren, des Hall­sen­sor aus der Posi­ti­ons­er­fas­sung und der Motor­strö­me wird die Funk­ti­ons­si­cher­heit spür­bar erhöht. Fehl­funk­tio­nen wie eine Bewe­gung in die fal­sche Rich­tung, eine fal­sche Geschwin­dig­keit oder eine Über­las­tung wer­den sofort erkannt und füh­ren zum Abschal­ten des Antriebs. Da der Motor über eine defi­nier­te Signal­fol­ge ange­steu­ert wird, ist auch hier eine unge­woll­te oder gar unkon­trol­lier­te Bewe­gung aus­ge­schlos­sen. Damit gehö­ren typi­sche Feh­ler eines klas­si­schen Stell­an­trie­bes wie z. B. Über­fah­ren der End­la­gen­schal­ter, fal­sche Dreh­rich­tung auf­grund von defek­ten Motor­kon­den­sa­to­ren oder defek­ten Schal­tern beim „Ten­sor“ der Ver­gan­gen­heit an.

Da sowohl „Flexor“ als auch „Ten­sor“ bereits über eine Elek­tro­nik mit Mikro­con­trol­ler ver­fü­gen, las­sen sich Optio­nen wie Dia­gno­se-, Pro­gram­mier- und Feld­bus-Schnitt­stel­len oder Regel­funk­tio­nen wesent­lich ein­fa­cher und preis­güns­ti­ger rea­li­sie­ren. Mit der elek­tro­ni­schen Abbil­dung vie­ler bis­her mecha­ni­scher Funk­tio­nen erge­ben sich Stei­ge­run­gen der Leis­tung und Per­for­mance bei gleich­zei­ti­ger Kos­ten­er­spar­nis und Redu­zie­rung der Typen­viel­falt. So wird es mög­lich, mit den Bau­rei­hen „Ten­sor“ und „Flexor“ trotz auf­wen­di­ger Elek­tro­nik in der bekann­ten Preis­struk­tur über eine deut­lich gestei­ger­te Sicher­heit, höhe­re Genau­ig­keit und ein­fa­che­re Bedie­nung einen spür­ba­ren Mehr­wert und Wett­be­werbs­vor­teil zu bie­ten.

Den ARIS Kun­den steht mit der Bau­rei­he „Ten­sor“ ein Antriebs­sys­tem zur Ver­fü­gung, dass bedingt durch das Prä­zi­si­ons­ge­trie­be die Genau­ig­keit der Rege­lung auf die Arma­tur bringt. Die Mög­lich­keit der Dreh­zahl­re­ge­lung ver­int die Funk­ti­on meh­re­rer Antrie­be in einem Gerät und senkt somit die Inves­ti­ti­ons­kos­ten. Das Mul­ti­span­nungs­netz­teil in Ver­bin­dung mit dem Stell­be­reich von weni­gen Grad bis auf meh­re­re Undre­hun­gen redu­ziert Lager­hal­tungs­kos­ten und redu­ziert deut­lich den Arti­kel­stamm. Feh­ler durch falsch bestell­te Span­nun­gen oder Stell­we­ge sind aus­ge­schlos­sen. Durch die per­mane­te Kon­trol­le des Antriebs­sys­tems erhöht sich die Betriebs­si­cher­heit der Anla­ge. Kos­ten auf­grund fal­scher Antriebs­be­we­gun­gen wer­den effek­tiv ver­mie­den.

Die Bau­rei­hen „Flexor“ und „Ten­sor“ wer­den in den Bau­grö­ßen „S“ (bis 20 Nm), „M“ (bis 60 Nm) und „L“ (bis 250 Nm) gebaut. Eine Bau­grö­ße „XL“ (bis 500 Nm) run­det bis Ende 2015 das Pro­gramm nach oben ab.

Mit Markt­ein­füh­rung der Bau­grö­ßen „S“ und „M“ im Sep­tem­ber 2014 wer­den die­se auch ein­ge­haust im druck­fest gekap­sel­ten Gehäu­se zum Ein­satz in explo­si­ons­ge­fähr­de­ten Berei­chen der Zonen 1 und 2 lie­fer­bar sein. Die Beson­der­heit hier­bei ist, das auch die explo­si­ons­ge­schütz­te Aus­füh­rung mit Reg­ler- und Bus-kar­ten im Ex-Gehäu­se ver­füg­bar sein wird.

Flexor“ und „Ten­sor“ wer­den auch als Antriebs­kopf des neu­en ARIS Klap­pen­ver­stel­ler „Linea­ris“ ein­ge­setzt, sodass eben­falls ab Sep­tem­ber ein Klap­pen­ver­stel­ler ver­füg­bar sein wird, der die Vor­tei­le die­ser Bau­rei­hen bie­tet.

Lager­hal­tung, Regel­ge­nau­ig­keit, Aus­fall­si­cher­heit, Inbe­trieb­nah­me­zei­ten und Kos­ten sind in allen Indus­trie­be­rei­chen ein The­ma, somit bie­tet der Schritt vom elek­tro­me­cha­ni­schen Stell­an­trieb zum elek­tro­nisch gere­gel­ten Stell­an­trieb bran­chen­un­ab­hän­gig eine Viel­zahl von Bene­fits.

Dies sind star­ke Argu­men­te für den Ein­satz elek­tro­nisch gere­gel­ter Stell­an­trie­be, die den Stel­len­wert die­ser neu­en Antriebs­ge­ne­ra­ti­on bereits kurz­fris­tig stei­gern. Ein star­ker Fokus auf bes­se­re Ener­gie­ef­fi­zi­enz, wach­sen­den Auto­ma­ti­sie­rungs­grad und Kom­mu­ni­ka­ti­ons­fä­hig­keit zur Ver­net­zung wer­den wei­te­re Wachs­tums­fak­to­ren sein.

Ver­öf­fent­licht in:

  • elek­tro Auto­ma­ti­on 04/2017
  • Arma­tu­ren­Welt Dezem­ber 2016
  • Auto­ma­ti­ons­pra­xis April 2017
  • Flu­id 03/2017