Integrierte Kleinspannungs-Antriebsarchitektur für batteriebetriebene fahrerlose Transportfahrzeuge

Batteriebetriebene Intralogistik-Plattformen erfordern eine kompakte Antriebshardware, die direkt an bordeigenen Gleichstromquellen betrieben werden kann und gleichzeitig strenge Anforderungen an die funktionale Sicherheit sowie an die Bewegungspräzision erfüllt. Als Antwort auf diese betrieblichen Anforderungen hat Siemens ein integriertes Kleinspannungs-Antriebssystem vorgestellt, das aus dem Umrichter Sinamics E210 und den Servomotoren Simotics E-1EE1 besteht und speziell für fahrerlose Transportfahrzeuge (FTF/AGV), autonome mobile Roboter (AMR) sowie fahrerlose Transportplattformen entwickelt wurde.

Antriebssystemarchitektur für die industrielle mobile Robotik
Fahrerlose Transportfahrzeuge und autonome mobile Roboter operieren unter starken räumlichen, thermischen und elektrischen Restriktionen. Herkömmliche Antriebskonzepte basieren häufig auf Mehrkomponenten-Konfigurationen, die zwischengeschaltete DC/DC-Wandler erfordern, um Standard-Servoantriebe an industrielle 24-V- oder 48-V-Batteriesysteme anzubinden. Dieser Ansatz verursacht Wandlungsverluste, erhöht die Komplexität der Verkabelung und führt zu zusätzlichen Fehlerquellen im gesamten Fahrzeugchassis.

Der Umrichter Sinamics E210 macht zwischengeschaltete Spannungswandler überflüssig, indem er direkt an 24-V- und 48-V-Gleichstromquellen angeschlossen wird. Als rückspeisefähiger Umrichter führt das Gerät während der Bremsphasen kinetische Energie in das Batteriesystem zurück, was die Gesamtreichweite und die elektrische Effizienz des Fahrzeugs verbessert. Der Antrieb steuert sowohl Hauptfahr- und Lenkradbaugruppen als auch Nebenachsen, einschließlich mechanischer Hubwerke und integrierter Zusatzwerkzeuge.

Deterministische Kommunikation und Integration funktionaler Sicherheit
Mobile Roboter, die in modernen Logistikzentren und Fertigungsstätten eingesetzt werden, müssen strenge Standards der funktionalen Sicherheit einhalten, um Kollisionen in gemeinsamen Mensch-Roboter-Arbeitsbereichen zu verhindern. Der Sinamics E210 bietet native Unterstützung für funktionale Sicherheit über Industrial Ethernet mittels PROFIsafe in Kombination mit PROFINET IRT-Kommunikation (Isochronous Real-Time).

Deterministische Netzwerkzykluszeiten gewährleisten eine eng synchronisierte Mehrachskoordination für differentielle und omnidirektionale kinematische Lenkkonfigurationen. Das Engineering und die Inbetriebnahme erfolgen nativ innerhalb der Siemens TIA Portal-Umgebung sowie dem modularen Simove-Framework. Diese Integration ermöglicht es Maschinenbauern, kinematische Parametersätze, Fahrzeugsteuerungsalgorithmen und Sicherheitsüberwachungsprofile in einer einheitlichen Softwareumgebung zu standardisieren, was die Entwicklungszyklen für kundenspezifische FTF-Chassis verkürzt.

Servomotordynamik und zweikanaliger Rückführmechanismus
Eine dynamische Positionierung über wechselnde Lastzustände hinweg erfordert aufeinander abgestimmte elektromechanische Eigenschaften. Die Simotics E-1EE1-Servomotoren erweitern das Herstellerportfolio um höhere Drehmoment- und Leistungsbereiche über die Achshöhen 40 bis 63 und wurden speziell für Kleinspannungsanwendungen im 24-V- und 48-V-Bereich konzipiert.

Die Positions- und Geschwindigkeitsregelung erfolgt über einen integrierten 14-Bit-Absolutwertgeber mit BiSS-C-Schnittstelle. Ausgestattet mit einer internen zweikanaligen Architektur unterstützt das Rückführsystem Implementierungen der funktionalen Sicherheit bis hin zu Safety Integrity Level 2 (SIL 2). Zu den Optionen für die mechanische Integration gehören wählbare Planeten- und Winkelgetriebe, optionale elektromechanische Haltebremsen zum Halten vertikaler Lasten sowie modulare Kabelanschlüsse, die für enge Biegeradien im Fahrzeugkörper ausgelegt sind. Die automatische Motorparametrierung erfolgt über ein integriertes elektronisches Typenschild, wodurch der Antriebsumrichter Wicklungskonstanten, Nennströme und thermische Profile beim Hochlauf selbstständig konfiguriert.

Operativer Einsatz in der automatisierten Intralogistik
Die aufeinander abgestimmte Antriebskombination zielt auf Produktionslogistik, Materialumschlagzentren und Automobilfertigungszellen ab, in denen autonome Transportflotten im Dauerbetrieb arbeiten. Durch die Zusammenführung von Leistungswandlung, sicherheitsgerichteter Kommunikation und Mehrachs-Bewegungssteuerung auf kleinstem Kleinspannungs-Bauraum minimieren Fahrzeughersteller die Gehäuseabmessungen und vereinfachen gleichzeitig den Nachweis der Hardware-Konformität.

Zusätzlicher Kontext:
Dieser Abschnitt beschreibt technische Spezifikationen und Wettbewerbsvergleiche, die nicht in der ursprünglichen Produktankündigung enthalten sind.

Die mobile Niederspannungsautomatisierung stützte sich historisch auf CANopen-basierte dezentrale Antriebe oder spezialisierte Mikroantriebe, die mit Feldbus-Standards wie EtherCAT arbeiteten. Bei der Konstruktion fahrerloser Transportfahrzeuge führte die Integration heterogener Motorantriebe mit speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) bei der Abbildung von Sicherheitsfunktionen wie Safe Torque Off (STO) und Safely-Limited Speed (SLS) gemäß IEC 61800-5-2 häufig zu erheblichem Engineering-Aufwand.

Industrielle Kleinspannungs-Antriebslösungen arbeiten innerhalb der in IEC 60364-4-41 definierten Grenzwerte für Sicherheitskleinspannung (PELV/SELV), was die Anforderungen an Isolation und Berührungsschutz bei der Fahrzeugwartung reduziert. Vergleichbare mobile Kleinspannungs-Antriebssysteme liefern typischerweise eine Dauerabgabeleistung zwischen 100 W und 1,5 kW pro Achse bei standardmäßigen DC-Nennspannungen von 24 V und 48 V. Der Einsatz von Industrial-Ethernet-Protokollen mit integrierten Sicherheitsschichten – wie PROFINET IRT in Kombination mit PROFIsafe – adressiert den wachsenden industriellen Bedarf an standardisierter Flottendiagnose, Echtzeit-Trajektorienaktualisierungen und zentraler Sicherheitsüberwachung ohne dedizierte fest verdrahtete Sicherheitsrelais.

Bearbeitet von Natania Lyngdoh, Induportals-Redakteurin, mit Unterstützung von KI.

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