Mikroantriebe sind die Highlights auf den Technologie-Messen. Während noch vor einigen Jahren nur Labormuster von Motoren zur Verfügung standen, produziert FAULHABER heute erfolgreich ein komplettes Mikroantriebssystem in Serie, bestehend aus Mikromotor und Planetengetriebe mit nur 1,9 mm Durchmesser. Auf der diesjährigen Hannover-Messe/MicroTechnology wurde zu diesem System nun ein neuer Motion Controller vorgestellt, der erstmals präzise Bewegungsabläufe für einen Antrieb dieser Größenordnung ermöglicht. Durch eine spezielle Form der Motoransteuerung können Drehzahlprofile genau vorgegeben und Positionen gezielt angefahren werden. Zusammen mit dem "Motion Manager 2", einer komfortablen Bedienoberfläche für Motorsteuerungen, steht dem Anwender somit die gleiche Funktionalität zur Verfügung wie bei größeren Antrieben.
Der bürstenlose DC-Mikromotor basiert auf der gleichen erfolgreichen Technologie wie seine "großen Brüder" und überzeugt durch ein hervorragendes Leistungs-/Volumenverhältnis. Er besteht aus dem Gehäuse mit einer eisenlosen, selbsttragenden Spule mit Schrägwicklung als Stator und einem zweipoligen NdFeB-Magneten auf durchgehender Welle als Rotor. Die elektronische Kommutierung ohne Bürsten fördert eine hohe Lebensdauer. Die Maße betragen: Ø 1,9 mm, Länge 5,5 mm – zusammen mit dem Getriebe 9,6 mm. Das Mikroplanetengetriebe (ebenfalls Ø 1,9 mm) wurde mit einer speziellen Evolventenverzahnung aufgebaut und erzeugt ein Drehmoment bis 150 µNm.
Der Motion Controller ... Auch ein Hochleistungsmotor kann nur so genau arbeiten wie es seine Ansteuerung zulässt. Aus diesem Grund wurde passend zum Mikromotor eine spezielle Ansteuerelektronik entwickelt. Der neue Motion Controller MCBL 05002 erlaubt die gezielte Einstellung aller Motorparameter, wie es bei größeren Antrieben Stand der Technik ist. Die Vorgabe von Drehzahl- und Drehmomenteinstellungen ist ebenso möglich wie die Wahl von Drehzahlprofilen mit Beschleunigungs- und Bremsrampen. Die erzielte Genauigkeit ist dabei mit der von Präzisionsschrittmotoren vergleichbar. Möglich wird dies durch eine auf die Eigenschaften des Mikromotors angepasste Sinusansteuerung.
... und das Geheimnis der Sinusansteuerung Die bei größeren Motoren für die Regelung oft eingesetzte Pulsweitenmodulation führt im Mikrobereich zu großen Ungenauigkeiten und Drehzahlschwankungen, vor allem im niedrigen Drehzahlbereich. Grund hierfür ist die geringe Massenträgheit des Läufers. Wählt man statt dessen die Ansteuerung über ein Sinussignal mit drei analogen Sinuswellen, ist die Laufruhe auch bei niedrigen Drehzahlen und kleinen Trägheitsmomenten garantiert. (Bild 2) Dem kontinuierlichen, sinusförmigen Stromverlauf kann der Läufer ohne Beschleunigungs- oder Rastmomente folgen. Durch kontrollierte Vorgabe der Sinusspannung wird eine Auflösung von 256 Schritten pro Umdrehung erzielt. (Bild 3)
Die Amplitude der Sinusspannung erhöht sich dabei automatisch mit steigender Drehzahl und kompensiert die Ankerrückwirkung. Das Drehmoment bleibt so über den gesamten Drehzahlbereich konstant. Die Positionsvorgabe erfolgt durch eine Open-Loop-Ansteuerung ohne Feedback. Diese Technik hat sich bei Schrittmotor-Positioniersteuerungen bestens bewährt. Über eine serielle Schnittstelle (RS232 bzw. RS422) zur Einstellung der Parameter können alle Eingänge der Anwendung entsprechend programmiert werden. Ein leistungsstarker 24 MHz-Mikrocontroller bearbeitet die Vorgaben dann intern. So kann der Anwender die Eigenschaften individuell den Anforderungen anpassen, beispielsweise die Schrittweite für Schrittmotorbetrieb, die Vorgabe der Sollgeschwindigkeit oder ein Zeigerinstrumenten-Eingang, bei dem der Rotor proportional zu einer analogen Spannung aus der Null-Lage gelenkt wird.
In der Praxis Zur Unterstützung des Anwenders bei Bedienung und Konfiguration steht die steuerungskompatible Software "Motion Manager 2" (kostenloser Download unter www.faulhaber.de) bereit. Die kompakte Steuerplatine ist kleiner als eine Streichholzschachtel und lässt sich über eine DIL28-IC-Fassung leicht in andere Elektronikaufbauten integrieren (Bild 4). Diese Platine steckt auch in einem ebenfalls verfügbaren Starterkit, bestehend aus einem kleinen Schaltkästchen mit Bedienelementen – bereit für den Plug-and-Play Betrieb. Der praxisorientierte Aufbau des Antriebssystems erlaubt die Entwicklung neuer, speziell auf die Mikrotechnik ausgerichtete Verfahren und Anwendungen. Ein Ultraschallkatheter und eine Mikropositionierung können hier stellvertretend für unzählige andere Umsetzungsmöglichkeiten angeführt werden.
Anwendungsbeispiele Minimal invasive Medizin schont den Patienten und erlaubt eine schnelle, kostengünstige Diagnose. Beispielhaft für solche Anwendungen ist die Ultraschalldiagnostik. In miniaturisierter Form, z.B. als Katheter, lassen sich so die zu untersuchenden Stellen über natürliche Hohlräume wie den Gastrointestinaltrakt gezielt anfahren. Ein solcher Ultraschallkatheter (Bild ) besteht im Wesentlichen aus dem Katheterkopf mit Ultraschallwandler auf der Motor-Getriebe-Einheit sowie dem Katheterschlauch für die Energie- und Datenleitung. Die Strom- und Datenversorgung des Sende- und Empfangskopfes wird über Schleifringe sichergestellt. Die exakt eingehaltene Drehzahlvorgabe des Antriebs erlaubt die Auswertung der empfangenen Ultraschallechos zu einem komplexen Ultraschallbild. Ultraschall-Miniaturmessgeräte helfen auch bei der zerstörungsfreien Bauteilprüfung. Sie bringen die Signalquelle durch bauartbedingte Röhren oder Hohlräume direkt an den Testort, ohne Demontage oder größere Eingriffe in bestehende Strukturen des Bauteiles. Heutige Mikromechanik erlaubt mit Mikroantrieben bewährte Strukturen der "großen" Welt in den Miniaturmaßstab zu übertragen. Um in der Mikrotechnik präzise zu positionieren, sind auch hier spezielle Bauteile nötig. Ein Mikrostellzylinder als Baukastensystem ist derzeit in der Entwicklung. Dabei kann man zwischen Verstellelementen mit schneller Positionierung oder solchen mit großer Kraft wählen. Die im herkömmlichen Design als Verstellzylinder aufgebauten Aktoren erlauben dabei je nach Einsatzfall die optimale Auslegung des Positioniersystems. Der Verstellbereich liegt je nach Ausführung zwischen 10 und 30mm. Die jeweilige Position des Stellzylinders wird dabei über einen Lineargeber mit 5 µm Auflösung gemessen und die Rückmeldung im Controller verarbeitet.
