Kardanmotortechnologie: Eine vollständige Anleitung zur Präzisionssteuerung

Was ist ein Gimbal-Motor?

Ein Kardanmotor ist der Motortyp, der in Kardananwendungen verwendet wird. Dabei handelt es sich um Geräte, die die Ausrichtung einer Nutzlast stabilisieren und steuern, wie z. B. eine Kamera, ein Sensor, ein Werkzeug usw. Eine solche Stabilisierung kann über eine oder mehrere Achsen gesteuert werden. In der Regel erfolgt die Stabilisierung auf zwei Achsen, Azimut- und Elevationsachsen, manchmal können es sich aber auch um bis zu 5 oder 6 verschiedene Achsen handeln.

Was ist ein bürstenloser Kardanmotor?

Ein bürstenloser Kardanmotor ist ein BLDC-Motor, der eine elektrische Steuerung verwendet, um die Phasenströme abzuwechseln, anstatt wie bei herkömmlichen Bürstenmotoren. Dies führt zu einem Motor, der leiser ist, ruhiger läuft und zudem eine längere Lebensdauer hat.

Wie funktioniert ein Kardanmotor?

Kardanmotoren sind in der Regel bürstenlose Motoren (BLDC), die für eine präzise, gleichmäßige und langsame Rotation optimiert sind. Sie werden oft mit Sensoren wie Gyroskopen, Beschleunigungsmessern oder Encodern kombiniert und bilden zusammen mit einer Motorsteuerung ein geschlossenes System, das die Position der Nutzlast ständig anpasst, um sie stabil zu halten.

Kardanmotortypen

Am meisten elektrisch BLDC-Motoren könnte in kardanischen Anwendungen verwendet werden, aber es gibt einige wichtige Elemente, die bei der Auswahl des am besten geeigneten Geräts zu berücksichtigen sind. Die verfügbaren Optionen sind vielfältig. Die meisten Kardanmotoren sind in der Regel geschlitzte oder schlitzlose Motoren, die entweder als Direktantrieb oder in Kombination mit einem Zahnrad/Getriebe verwendet werden können.

Rastmoment

Ein wichtiger Aspekt, der bei kardanischen Anwendungen berücksichtigt werden muss, ist das Rastmoment. Rastmoment ist die unerwünschte ruckartige Bewegung oder der Widerstand, der beim Drehen eines bürstenlosen Schlitzmotors erkannt wird. Das passiert, weil die Permanentmagnete des Motors von den Stahlzähnen (Schlitzen) im Stator angezogen werden, wodurch eine Art magnetischer „Schnapper“ zwischen den Positionen entsteht. Dieser Effekt macht sich am deutlichsten bei niedrigen Geschwindigkeiten bemerkbar und beeinträchtigt die Präzision der Kardanräder. Motoren ohne Schlitzen zeigen praktisch kein Rastmoment.

Zahnräder

Ein weiterer Aspekt, der die Präzision von Gimbals beeinflusst, ist die Verwendung von Zahnrädern. Getriebe werden verwendet, um die Drehmomentkapazität bei einer begrenzten Motorgröße zu erhöhen. Durch die Implementierung eines Getriebes wird die Möglichkeit eines Gegenspiels eingeführt. Ein Backlash führt zu einer ungleichmäßigen Positionierung, was sich auf die Präzision der Anwendung auswirkt. Daher wird häufig eine Direktantriebslösung bevorzugt, wenn sie den Drehmomentanforderungen gerecht wird. Aus diesem Grund eignet sich ein schlitzloser BLDC-Motor mit hoher Drehmomentdichte hervorragend für ein kardanisches Motordesign.

Kardanmotor-Anwendungen

Typisch Gimbal-Anwendungen beinhalten:

• Elektrooptik
• Lidar und Laserpointer
• Kommunikation über Satellit
• Positionierung des Teleskops
• Kamerastabilisatoren
• Ferngesteuerte Waffensysteme

‍

Die meisten dieser Anwendungen erfordern eine sehr präzise Positionierung und/oder eine schnelle Reaktion auf kleine Winkeländerungen.

Vorteile des Kardanmotors

Der Vorteil der Wahl eines Motors, der speziell für Kardanräder entwickelt und optimiert wurde, besteht darin, dass die Anzahl der Kompromisse, die im Konstruktionsprozess berücksichtigt werden müssen, begrenzt wird. Viele Anwendungen profitieren von der Kompaktheit und dem geringen Gewicht, da dies die Möglichkeit bietet, kleinere und billigere Komponenten zu verwenden und die Fähigkeit, hochdynamische Betriebspunkte zu erreichen, verbessert wird.

Darüber hinaus profitieren viele Kardananwendungen von der Verwendung eines präzisen Motors mit hoher Auflösung, um mit hoher Genauigkeit und Geschwindigkeit zu positionieren. Schließlich verwenden die meisten Kardanräder Absolutwertgeber, die zusammen mit den Motoren montiert werden müssen. Eine größere ID des Motors hilft dabei, Platz für einen größeren Encoder zu schaffen, ohne den gesamten Platzbedarf des Systems zu erhöhen.

Was bedeutet Überlastung des Kardanmotors?

Eine Überlastung eines Kardanmotors tritt auf, wenn er schneller oder mit mehr Last betrieben wird, als er vorgesehen ist. Dies kann entweder ein einmaliges Ereignis sein oder auf eine häufige zyklische Belastung zurückzuführen sein. Bei Schlitzmotoren wird der Sättigungsgrad des Eisenkerns bei einem bestimmten zugeführten Strom erreicht, wobei der Motor einen größeren Stromzuwachs benötigt, als er normalerweise das Drehmoment erhöhen kann. Einfach ausgedrückt bedeutet dies, dass die Beziehung auf dieser Ebene nicht linear ist. Bei Motoren ohne Nut handelt es sich um ein lineares Verhalten über die gesamte Kapazität des Motors. Dies ist in der Regel der Grund, warum ein Motor ohne Nut die bessere Wahl ist, wenn mit einer Überlastung zu rechnen ist.

Wie behebe ich die Überlastung des Kardanmotors?

Am strukturiertesten wäre es, herauszufinden, welcher der Grenzfaktoren des Motors erreicht wurde (Drehmoment, Drehzahl, Stromaufnahme, Temperatur), und dann einen Weg zu finden, wie der Motor besser genutzt werden kann, um das Erreichen dieses Überlastungsniveaus zu vermeiden. Wenn es die Konstruktionsphase zulässt, wäre es die richtige Wahl, den Motor auf einen Motor umzustellen, der diesen Betriebspunkt für das System erreichen kann, ohne überlastet zu werden. Die Überdimensionierung von Motoren ist eine Strategie, die von vielen Ingenieuren gut angenommen wird. Diese Strategie hat einige Nachteile. Der offensichtlichste ist, dass Größe und Gewicht des Systems nicht optimal sind.

So wählen Sie den richtigen Kardanmotor

Der richtige Kardanmotor wäre derjenige, der der Spezifikation für diese Anwendung am besten entspricht.

Die üblichen Dinge, die zu beachten sind, sind:

• Größe
• Gewicht
• Spitzen- und Dauerdrehmoment
• Geschwindigkeitsnachfrage
• Stromverbrauch (zugeführte Spannung und Strom)
• Präzisionstoleranz

‍

Der richtige Motor erfüllt all diese Spezifikationen mit der höchsten Marge.

Es ist nicht nur wichtig, den Motor zu berücksichtigen, sondern den Motor in Kombination mit Encodern, Sensoren und der Motorsteuerung. Beispielsweise bestimmen sowohl die absolute Encoder-Auflösung als auch die PWM-Schrittauflösung der Motorsteuerung die Präzision des gesamten Systems. Bei einer größeren ID des Motors passt ein größerer Encoder in der Mitte (höhere Auflösung), und eine höhere Polzahl verringert die Notwendigkeit einer hohen Auflösung auf der Motorsteuerung (die Auflösung gilt pro Pol).

Tipps zur Wartung und Fehlerbehebung für Kardanmotoren

Die meisten Gimbal-Projekte können so konzipiert werden, dass der Wartungsaufwand begrenzt wird. Beispielsweise hat ein bürstenloser BLDC-Motor keinen Kontakt zwischen dem Stator und dem Rotor, wodurch der Verschleiß im Laufe der Zeit praktisch auf Null begrenzt wird. Das Gleiche gilt für die Fehlerbehebung. Wenn das System so konzipiert wird, dass es die richtigen Spezifikationen erfüllt, sind weniger Probleme zu erwarten, und es ist keine Fehlerbehebung erforderlich. Wenn es einmal läuft, kann es für immer laufen, oder zumindest bis andere Komponenten ausfallen.

Typische Probleme, die bei einem Kardansystem auftreten können, sind jedoch eine geringe Positioniergenauigkeit, Rasteffekte, langsame Positionierung, hohe Stromaufnahme usw. Ein guter Anfang wäre die Konstruktion des Gimbals mit einem schlitzloser Motor. Dadurch entfällt das Rastmoment und die Anzahl der Pole und die Möglichkeit der Positionsauflösung werden erhöht. In Kombination mit einem hochauflösenden Absolutwertgeber und einer PWM-Schrittmotorsteuerung wird ein Motor ohne Steckplatz die Systemgenauigkeit auf ein hohes Niveau heben. Der Motor ohne Steckplatz wird über ein höheres Spitzendrehmoment verfügen, was schnelle Positionswechsel ermöglicht. Und wenn möglich, wird eine Wicklungskonfiguration mit einer hohen Drehmomentkonstante bevorzugt, um den Strombedarf zu reduzieren.

Fazit

BLDC-Motoren ohne Steckplatz eignen sich hervorragend für kardanische Anwendungen. Vor allem, wenn sie für den Direktantrieb konzipiert sind und zusammen mit einem hochauflösenden Absolutwertgeber und einer PWM-Schrittmotorsteuerung ausgestattet sind.