Smart Motion Drives
Energie, dynamiek en intelligentie in moderne aandrijving
In moderne mechatronische systemen worden actuatorprestaties niet langer alleen beoordeeld op basis van koppel of snelheid. Energieverbruik, regelbaarheid en intelligente bewaking zijn bepalende kenmerken geworden van de volgende generatie bewegingssystemen. In dit artikel worden drie representatieve aandrijfarchitecturen vergeleken: een miniatuur Faulhaber 2232 BX4, een krachtige Faulhaber MCS 3268 BX4 en een industrieel 48V-systeem met lage massatraagheid onder een identieke positioneercyclus van 180°.
1. bewegings- en analyseomstandigheden
Elk systeem voert een halve draai (180° = π rad) uit in 0,25 s, verdeeld in:
- Versnelling: 0,083 s
- Constante snelheid: 0,083 s
- Vertraging: 0,083 s
- Rust: 1,0 s
- Statisch koppel: 0,1 Nm
De maximale hoeksnelheid is 18,9 rad/s met een versnelling van ≈ 228 rad/s². Alle systemen worden verondersteld een extern belastingskoppel van 0,1 Nm te hebben; er wordt rekening gehouden met traagheids- en stand-byverliezen.
De "stilstandstroom"(Izero) wordt behandeld als de constante stroom tijdens de cruise-, decel- en rustfase.
2. Resultaten
3. Interpretatie
Energie-efficiëntie
Hoewel de mechanische beweging minder dan 0,001 J aan kinetische energie vereist, zijn de stilstandstroom en het acceleratiekoppel de dominante factoren.
- De industriële 48V-aandrijving verbruikt ≈ 44 J per cyclus, waarvan 80% gewoon ruststroom is (48 V × 0,67 A × 1 s).
Heeft echter een acceleratiekoppel nodig van 67,2 mNm, dit is 5-6 maal groter dan bij de Faulhaber-motoren. Dit komt door de grotere inertie van motor en reductiekast. Heeft een goede traagheidsverhouding van 3,69. - De Faulhaber 2232 BX4 verbruikt nauwelijks 2,5 J per cyclus – meer dan 17x minder energie voor dezelfde positionering.
Heeft het laagste acceleratiekoppel van 11,8 mNm door de lage motor en planetaire reductiekastinertie. Heeft een goede traagheidsverhouding van 4,2. - De Faulhaber 3268 BX4 zit ertussenin en biedt een hoger koppel maar een lagere stroombehoefte.
Heeft een iets hoger acceleratiekoppel van 14,4 mNm door de lage motor en planetaire reductiekastinertie. En een betere prestatie dankzij zijn traagheidsverhouding van bijna 1.
Dynamische besturing
Alle systemen hebben een acceptabele traagheidsverhouding, maar de MCS 3268 presteert het best en de bandbreedte van dynamisch gedrag en stabiliteit is hoog. De Faulhaber-systemen, met een extreem lage gereflecteerde traagheid van de belasting, kunnen snel accelereren en een nauwkeurige regeling handhaven met minimale stroompieken. Ideaal voor batterijgevoede systemen, vermindert de behoefte aan overgedimensioneerde voedingen.
Mechanisch rendement
De 96%-efficiëntie van de tandwielkast van de industriële unit overtreft de 82% van de planetaire trappen van Faulhaber, maar bij deze lichte belastingen zijn de verliezen van de tandwielkast verwaarloosbaar in vergelijking met de onbelaste elektrische verliezen.
4. Intelligentie en levenscyclusinzicht
Waar de Faulhaber-aandrijvingen zich echt in onderscheiden is de ingebouwde stroombewaking. Elke bewegingscyclus slaat op:
- Iavg - de gemiddelde stroom over het bewegingsprofiel
- Ipeak - de hoogste stroom tijdens de cyclus.
Door deze parameters continu te loggen, kan de regelaar het volgende detecteren:
- toenemende wrijving of lagerslijtage (gestage toename van Iavg);
- mechanische botsingen of stiction (plotselinge pieken in Ipeak);
- onevenwichtige belasting of verkeerde uitlijning (fasespecifieke stroomasymmetrie).
Met behulp van op AI gebaseerde patroonherkenning kan de aandrijving slijtagetrends voorspellen en onderhoud aanbevelen voordat er storingen optreden. Dit verandert een eenvoudige actuator in een intelligent, zelfdiagnosticerend mechatronisch knooppunt – een stap in de richting van voorspellend onderhoud en robotica zonder uitvaltijd.
5. Vergelijkende samenvatting
6. Conclusie
Voor toepassingen met frequente korte bewegingen en lange stilstandtijden zijn de Faulhaber-aandrijvingen duidelijke winnaars op het gebied van energie-efficiëntie en intelligente diagnose. De 2232 BX4 bereikt precisie met minimaal vermogen – een ideale keuze voor medische, optische en laboratoriumautomatisering.
De 3268 BX4 biedt een hogere koppelcapaciteit met behoud van AI-bewaking. Het industriële 48V-systeem blinkt uit in continue of hoogbelaste bedrijfscycli, maar de hoge stationaire stroom maakt het minder geschikt voor precisietaken met lage belasting.
Samengevat vertegenwoordigen slimme aandrijvingen met stroomanalyse de volgende sprong in motion control, waarbij zeer efficiënte elektromechanica wordt gecombineerd met zelflerende diagnostiek om systemen te creëren die niet alleen krachtig, maar ook scherpzinnig zijn. Deze simulaties en schattingen kunnen worden gemaakt in Simulink, waarbij Faulhaber de motor-, aandrijvings- en encoderfunctieblokken kan leveren, of in Mathcad.
