Schrittmotor statt E-Magnet 1

Kein Pilotsteuerkreis, keine hydraulische Verstärkung, kein Überschwingen: Diese Haupteigenschaften kennzeichnen einen als mechatronisches System konzipierten Aktuator, der dank Schrittmotor eine interessante Alternative zur üblichen Ansteuerung von Proportionalventilen in der Mobilhydraulik bietet.

Bagger, Frontlader, Traktoren, andere Bau- und Landwirtschaftsmaschinen – sie sämtlich arbeiten unter extremen Umgebungsbedingungen und die in ihnen eingesetzte Mobilhydraulik muss große Kräfte aufbringen. Darüber hinaus stellt sie höchste Ansprüche an die notwendige Regelungstechnik zur Stabilisierung des Systems. Sie muss in der Lage sein, lineare Bewegungen trotz Vibrationen, Schmutz und extremen Lastwechseln mit hoher Präzision zu steuern. Genau diese Anforderungen bestimmten eine vom Schweizer Unternehmen Sonceboz, Hersteller von Schrittmotoren sowie weiteren elektrischen Antriebssystemen, stammende Neuentwicklung: der Smart Aktuator 8566. Er erlaubt elegante und kompakte Ansteuerung der Proportionalventile.

Der elektrische Direktaktuator mit intelligenter Sensorless-Closed-Loop-Control-Steuerung – sie gibt per On-Board-Diagnostic-Funktionen (OBD) zahlreiche Informationen über die Arbeitsumgebung aus – verfügt über eine Tot-Band-Kompensation, die dank elektronischer Erkennung des mechanischen Spiels ohne zusätzliche Sensorik die gewünschte Präzision über die gesamte Lebensdauer sicherstellt.

Mechanisches Spiel kompensiert
Bislang kamen zur Ansteuerung der Proportionalventile vorwiegend Elektromagnete oder Ventilbrücken zum Einsatz, die den Ventilschieber im Pilotsteuerkreis bewegen. Die notwendige Stabilität wird dabei durch einen Sensor am Ventilhauptschieber erreicht, der die Position rückmeldet. Die Nachteile dieser Anordnung: mehr Platzbedarf, eine hydraulische Verstärkung um den Ventilhauptschieber bewegen zu können – ein zusätzlicher Pilotsteuerkreis wird mithin notwendig – und das wiederum erfordert zusätzliche Niedrigdruckelemente, Leitungen, spezielle Ölfilter. Kurz: mehr Montageaufwand verbunden mit höheren Kosten. Diese Art an Zubehör entfällt beim Smart Aktuator 8566 komplett. Er benötigt keine hydraulische Verstärkung durch einen Pilotsteuerkreis und er neigt nicht zum Überschwingen. Als Interfaces reichen ein CAN-Bus sowie Stromanschluss aus.

Zur Arbeitsweise: Der Schrittmotor mit zweistufiger Getriebeübersetzung wandelt eine rotative Bewegung per Zahnstange in eine lineare um, die dem Ventilschieber entspricht. Die in das Gehäuse (Schutzart IP6k9k) integrierte Elektronik umfasst Motoransteuerung, CAN-Bus, OBD sowie Schnittstellen. Durch Trennung von elektrischer Ansteuerung und hydraulischer Leistung arbeitet der Smart-Aktuator unabhängig von Druckschwankungen und möglichen Verschmutzungen im Hydraulikkreislauf. Derart werden Schwingungen reduziert, Stabilität und Zuverlässigkeit des Systems bleiben erhalten. Zudem erlaubt er Positionsregelung mit hohen Haltemomenten bei theoretisch unbegrenzt feiner Auflösung.

Sensor und zugleich Aktuator
Ausfallsicherheit und Diagnosefunktionen bietet die Sensorless Closed Loop Control im Smart-Aktuator. Die SCL-Control misst die rückinduzierte Spannung des Motors, die sogenannte Back-EMF. Der Motor arbeitet sowohl als Sensor als auch Aktuator, Zusatz-Hardware entfällt.

Elektronikkomponenten ermitteln rückinduzierte Spannung und Ströme. Dabei filtert eine Software die für das System nützlichen Signale heraus und verarbeitet diese in Echtzeit. Um optimierte Ansteuerung des Motors zu erreichen, werden als Variablen lediglich Rotorposition und Kraft benötigt. Zusätzliche Informationen zu abnormalen Betriebszuständen wie Ventilschieberblockaden werden durch die OBD ausgewertet.

Die SCL-Control bietet durch Kompensation des Tot-Bandes und mechanischen Spiels darüber hinaus die Möglichkeit linearer Ventilcharakteristik. So wird eine konstante Ventilansteuerung über einen längeren Zeitraum erreicht. Das Tot-Band lässt sich mittels Positions- und Kraftmessung beim Starten jeweils neu ertasten, im Aktuator speichern und kompensieren. Ventileinstellungen bei der Montage entfallen daher. Dank SCL-Control lassen sich auch kleinere Schrittmotoren verwenden.

Zum Hintergrund dazu: Im Nominalbetrieb dürfen bei der Kontrolle des dynamischen Drehmoments keinesfalls Schritte des Motors verloren gehen. Deshalb rechnet man bei herkömmlichen Schrittmotoransteuerungen vorsichtshalber eine Leistungsreserve als Sicherheit ein. Dabei handelt es sich typischerweise um eine Überdimensionierung des Motors um Faktor zwei.

Das Problem dabei: Das System muss auch deutlich größer ausgelegt werden und verhält sich dadurch weniger dynamisch. Ferner wird eine ständige Nominalbestromung notwendig, die Energie verschwendet. Diese Probleme treten bei der SCL-Kontrolle nicht auf, da Kraft und Weg stets bekannt sind. Das erlaubt direkte Ansteuerung zur bestmöglichen Bestromung. Der Strom passt sich dem Lastfall in Echtzeit an, Energieverbrauch und damit auch die Selbsterwärmung werden deutlich verringert.