antriebstechnik 3/2023

DIREKTANTRIEBE TITEL Um

DIREKTANTRIEBE TITEL Um die erwarteten Entwicklungszeiten zu erreichen, müssen die Ingenieure der Systemlöser viele detaillierte Kenntnisse in den Bereichen Batteriesysteme, Antriebstechnik, Sensorik und Navigation besitzen, damit sie Projekte wirtschaftlich umsetzen. Dabei ändert sich die Palette an verfügbaren Komponenten der Hersteller oft genauso schnell wie die Anforderungen an das Endprodukt. Eine preiswerte und vorgeprüfte, also praktisch direkt einsetzbare Antriebseinheit zu verwenden, die standardisierte Schnittstellen für die zusätzlich erforderlichen Baugruppen bereitstellt, ist der Wunsch der Konstrukteure bei der Umsetzung ihrer Kundenprojekte. Diesem Wunsch kommen die Hanning Elektro-Werke mit der Vorstellung eines Antriebsstrangs im Baukastenprinzip nach und stellen eine skalierbare Systemlösung vor, die an verschiedene Leistungsbedarfe und Systemanforderungen einfach angepasst werden kann. Die aufwändige Abstimmung zwischen den einzelnen Komponenten eines Antriebsstrangs entfällt, gleiche Komponenten lassen sich in Neuprojekten und als Austausch in vorhandenen Plattformen verwenden. Der Hanning-Antriebsstrang besteht aus den Kernbaugruppen: Antriebsrad mit integriertem getriebelosen Radnabenmotor (IWDD – In-Wheel Direct-Drive), Motorsteuerung mit Überwachungs- und Diagnosefunktionen des Motors (SMC – Smart Motor Controller) und Achsencontroller für die Verwendung von vier angetriebenen Achsen (RBC – Robot Base Controller). GETRIEBELOSES ANTRIEBSRAD Im Antriebsrad (IWDD) ist ein getriebeloser Außenläufer integriert, welcher besonders geräuscharm arbeitet. Dieser Radnabenantrieb verfügt bei geringen Abmessungen über hohe Drehmomente und kleine Trägheitsmomente. Dadurch wird die Dynamik und die Positionierfähigkeit des Gesamtsystems verbessert. Aufgrund der getriebelosen Konstruktion entfallen Mehrfachlagerungen, Verschleißteile, Schmierstoffe und mechanisches Spiel. Der skalierbare, aktive Motorteil findet vollständig im Antriebsrad Platz, die Ausdehnung in das Innere des Fahrzeugs ist daher nur von den Anbauteilen abhängig. Der Motor kann, je nach Auslegung, kontinuierlich erreichbare Nenndrehmomente von 5 bis 17 Nm leisten, für kurze Beschleunigungsfahrten kann eine Reserve bis zum dreifachen Nenndrehmoment genutzt werden. Das Material und Design der Antriebsräder sowie die Montageelemente werden auf Anwenderwunsch gestaltet und vormontiert. Die Lagerung des Antriebsrads ist so bemessen, dass mit der Standardlagerung eine radiale Belastung bis zu 350 kg möglich ist. Höhere Belastungen können mit Hilfe einer verstärkten Lagerung erreicht werden. (Dabei wird eine Lagerlebensdauer von 20.000 Stunden bei einer Fahrgeschwindigkeit von 0,5 m/s erreicht.) Das Antriebsrad beinhaltet ein hochauflösendes Gebersystem, das als Eigenentwicklung an die Anforderungen des Direktantriebs konstruiert wurde. Wenn Anwendungen aufgrund der Sicherheitsanforderungen einen sicheren Betriebshalt gewährleisten müssen, dann werden mechanische Sicherheitsbremsen, zum Beispiel aus der Mayr Roba Stopp Eco Serie, und ein sicherer Drehgeber eingesetzt. Die Bremse ist auf den Motor und die zu erwartenden Fahrleistungen abgestimmt. Der Motor wird immer vormontiert als einbaufertige Einheit geliefert. Für spezielle Anforderungen ist der Anbau einer ultrakompakten Servo- Motorsteuerung Circulo 9 der Firma Synapticon möglich. Die Motorsteuerung (SMC) stellt die optimale Energieversorgung für den Motor sicher und speist überschüssige Energie wieder in die Batterie zurück. Zusammen mit einem intelligenten Batteriemanagementsystem (BMS) wird so die bestmögliche Ausnutzung der vorhandenen Batteriekapazität erreicht. Die Eingangsspannung ist für Batteriepacks von 36 bis 60 V bemessen. Die Motorsteuerung SMC 48/10 kann dauerhaft bis 10 A Motorstrom liefern, kurzzeitig bis 30 A, die stärkere Variante SMC 48/30 liefert dauerhaft 30 A und kurzzeitig 80 A. Alle Parameter der zu erwartenden Anwendung wie zulässige Beschleunigungsrampen oder zulässige Geschwindigkeit, werden in der Motorsteuerung ab 01 Alles im Fluss: Die Verschaltung des Antriebssystem- Baukastens, bestehend aus den Kernbaugruppen Antriebsrad, Motorsteuerung und Achsencontroller 12 antriebstechnik 2023/03 www.antriebstechnik.de

TITEL DIREKTANTRIEBE 02 Alles drin: Im Antriebsrad ist ein getriebeloser Außenläufer integriert, der besonders geräuscharm arbeitet Motor Typ IWDD 48/10 Leistungsdaten Nenndrehmoment Nm 10 Spitzendrehmoment Nm 28 Mechanische Daten Statordurchmesser mm 142 Gewicht Rad mit Motor kg 7 Maximale Radialbelastbarkeit kg 350 Elektrische Daten Betriebsspannung Motor VDC 48 Nennstrom A 10,4 Nenndrehzahl rpm 150 Spitzendrehzahl rpm 400 Werk festgelegt, damit die Inbetriebnahme vereinfacht wird. Viele Schutzmaßnahmen ermöglichen den sicheren Betrieb von Motorsteuerung und Motor innerhalb der festgelegten Grenzen. Um die richtige Positioniergenauigkeit zu erreichen, wird der im Motor integrierte Drehgeber verwendet. Ausfälle werden zuverlässig verhindert, die Motorsteuerung überwacht den angeschlossenen Radantrieb kontinuierlich. Die Steuerung erhält die Befehle vom Achsencontroller oder kann direkt über CANopen mit dem Antriebsprofil DS402 angesprochen werden. Alternative Kommunikationsmodule (Ethernet oder EtherCAT) sind vorbereitet. In Verbindung mit dem Achsencontroller können mehrere Antriebsräder intelligent gesteuert und überwacht werden. Die sichere Abschaltung der Energiezufuhr des Motors (STO) ist auf dem SMC integriert. Zusätzlich ist die sichere Schaltung einer mechanischen Sicherheitsbremse (SBC) vorgesehen. Damit werden die Sicherheitsfunktionen gemäß EN DIN 61800-5-2 erreicht, die aufwändige Verschaltung externer Relais ist nicht mehr erforderlich. Neben der Funktion für den sicheren Halt werden die Sicherheitsbremsen auch für das sanfte Anfahren auf schiefen Ebenen und zur Sicherung des Stands, zum Beispiel während der Ladungsaufnahme, verwendet. Die Spulenspannung wird kontinuierlich geregelt, um einen energiesparenden Betrieb und einstellbare Bremsmomente zu erreichen. INTELLIGENTE ACHSENSTEUERUNG Der Achsencontroller (RBC) ist für die Verwendung von vier angetriebenen Achsen geeignet. Im einfachsten Fall regelt er zwei Motorsteuerungen als elektronisches Differential. Dieses Achsenpaar kann auch in einem Drehschemel eingebaut werden, der quasi omnidirektionale Bewegungen ausführen kann. Auch die Verwendung von vier direktangetriebenen Mecanum-Rädern ist möglich, um echte omnidirektionale Fahrbewegungen zu erlauben. Das zu erwartende Fahrverhalten der Mobilen Plattform kann mit dem Achsencontroller schon in der Planungshase als Modell in einer Simulationsumgebung geprüft werden. Die Bahnfolgesteuerung erfolgt im Navigationssystem. Die dort generierten Zielpunkte werden dann in Solldrehzahlen für die Antriebsregelung umgesetzt und an den Achsencontroller übergeben. Der Achsencontroller übernimmt die Störgrößenausregelung zum Beispiel von Bodenunebenheiten. Diese Störungen werden schließlich unter Verwendung einer integrierten inertialen Messeinrichtung (IMU) ausgeregelt. Damit wird eine äußerst präzise Nachführung der vom Navigationssystem berechneten Trajektorie ermöglicht. Die erzielte Minimierung von Odometriefehlern trägt insgesamt zu einer genaueren Bahnführung des Navigationssystems bei. Von der Elektronik des Batteriepacks (BMS) erhält der Achsencontroller Informationen über den Zustand der Batterie und stellt die Motorsteuerungen so ein, dass eine Überlastung des Systems zuverlässig vermieden wird. Zusätzlich besitzt er eine Schnittstelle, um einem verbundenen Roboter oder anderen Anwendungen wichtige Informationen über den Zustand des Antriebssystems mitzuteilen. Bilder: Hanning www.hanning-hew.com DIE IDEE „Wir wollen, dass moderne Antriebstechnik für unsere Kunden einfach und verständlich einsetzbar ist. Für mobile Robotik-Systeme bieten wir einen Baukasten mit skalierbaren Motoren und Steuerungen. Alle Teile des Baukastens sind aufeinander abgestimmt und bieten Standardschnittstellen, um zusätzliche Peripherie direkt einzubinden.“ Erol Bernstein, Dipl.-Wirtsch.-Ing. (FH), Produktmanager, Geschäftsbereich Antriebstechnik, Hanning Elektro-Werke, Oerlinghausen www.antriebstechnik.de antriebstechnik 2023/03 13