Autor: Samuel Klein, Anwendungsingenieur bei Portescap; Übersetzung: Simone Käfer
Für einige Anwendungen mit Gleichstrom-(DC-)Kleinantrieben bietet eine Steuerung mit geschlossenem Regelkreis eine stabilere Drehzahlregelung bei steigenden und schwankenden Lasten. Ob eine Steuerung mit geschlossenem Regelkreis erforderlich ist und wie die Geschwindigkeit geregelt wird, ist eine wichtige Designüberlegung, über die bereits in einem frühen Entwicklungsstadium nachgedacht werden sollte. Werden DC-Motoren im offenen Regelkreis betrieben, fehlt eine Rückkopplung von der Anlaufstufe zum Motoreingang. Gesteuert wird die Drehzahl per Spannungsregelung. Wenn jedoch eine Last auftritt, etwa der Widerstand eines Bohrers gegen ein dichtes Material, sinkt die Drehzahl. Wie weit sie sinkt, hängt von der Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie des Motors ab.
Die Drehzahl eines Motors steigt oder fällt in einem linearen Verhältnis zur Eingangsspannung. Abhängig von der Spannung geben die Drehzahl bei Nulllast und das Überlastmoment die Leistungslimits eines Motors an. Zwischen diesen beiden Grenzwerten nimmt die Drehzahl je nach Belastung ab, basierend auf der Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie. Mit einem stärkeren Motor und einem zusätzlichen Getriebe lassen sich Drehzahl und Drehmoment auch bei steigender Last aufrechterhalten. Dies erhöht jedoch den Platzbedarf, das Gewicht und die Kosten. Zudem wird das Problem der Geschwindigkeitsschwankungen dadurch nicht gelöst. Anwendungen wie peristatische Pumpen oder chirurgische Elektrowerkzeuge erfordern eine genaue und stabile Drehzahlregelung. Um die Drehzahl eines Gleichstrommotors kontinuierlich auf einen gewünschten Punkt zu regeln, ist ein Regler (Controller) mit geschlossenem Regelkreis erforderlich.
Drehzahlregelung mit geschlossenem Regelkreis
Wenn das Feedback des Motorausgangs, inklusive Drehzahl, die Eingangsstufe erreicht, schließt dieser Prozess den Regelkreis. So kann die Leistung nach Bedarf angepasst werden. Dazu misst der Controller kontinuierlich die Drehzahl, während das Feedback von Hall-Sensoren, Encodern oder anderen Verfahren, die die elektromotorische Kraft (EMK) des Motors überwachen, geliefert wird. Der Controller vergleicht die tatsächliche Ausgangsdrehzahl mit dem Eingangssollwert und passt die Spannung oder den Strom an, um eine konstante Drehzahl entsprechend dem Eingangsbefehl aufrechtzuerhalten.
Unabhängig davon, ob ein geschlossener oder ein offener Regelkreis verwendet wird, sind die Eingangsspannung und der Strom aufgrund der Konstruktion des Motors und des breiteren Systems oder durch die tatsächliche Stromversorgung begrenzt. Infolgedessen sind auch die Motordrehzahl und das Drehmoment entsprechend begrenzt.
Offener oder geschlossener Regelkreis in der Anwendung?
Chirurgische Handwerkzeuge können sowohl im offenen als auch im geschlossenen Regelkreis arbeiten. Welche Regelart gewählt wird, hängt von den Anforderungen der Anwendung ab. Bei der Drehzahlregelung mit geschlossenem Regelkreis startet der Benutzer einfach das Gerät, um die gewünschte Drehzahl festzulegen. Wenn das Bohren oder Schneiden beginnt, wird eine Last aufgebracht, aber die tatsächliche Ausgangsdrehzahl des Werkzeugs bleibt stabil und konstant, selbst wenn die Drehmomentlast steigt. Der Chirurg muss nicht stärker auf den Knopf drücken, um die Geschwindigkeit beizubehalten. Das reduziert die Belastung für den Bediener. Vor allem aber bietet dieser geschlossene Regelkreis mehr Kontrolle, wenn eine durchgehend stabile Geschwindigkeit erforderlich ist.
Bei Geräten, die die Geschwindigkeit über die Spannung steuern, hängt diese davon ab, wie stark der Chirurg den Abzug am Bohrer drückt. Wenn eine Last aufgebracht wird, sinkt die Geschwindigkeit, und der Chirurg steuert den Prozess manuell, je nachdem, welchen Druck er ausübt. Dieser Ansatz eignet sich für Anwendungen, bei denen der Chirurg eine flexiblere Kontrolle über einen Prozess bzw. die Geschwindigkeit seines Werkzeugs behalten möchte.
Normalerweise werden DC-Motoren im offenen Regelkreis angetrieben. Aber ein geschlossener Regelkreis kann die Präzision der Drehzahlregelung bei kritischen Anwendungen erhöhen. Überlegungen zur Drehzahlregelung, einschließlich des passenden Ansatzes zur Umsetzung, sind für die meisten Antriebssysteme entscheidend. Da sich die Geschwindigkeit auf Eigenschaften wie Spannung oder Drehmoment auswirkt oder von ihnen abhängt, ist es hilfreich, sich bereits in der Entwurfsphase mit einem Antriebsspezialisten zu beraten.