Wenn die Bohnen auf die Mahlscheiben treffen: Wie wir das BOOKOO Motto80 Antriebssystem entwickelt haben

Als wir mit der Entwicklung des Antriebssystems für die Motto80 begannen, war der Motor selbst nicht die erste Frage.

Wenn das einzige Ziel wäre, ein Blockieren nahezu unmöglich zu machen, wäre die Antwort relativ einfach: einen größeren Motor verwenden, ihm mehr Dauerleistung geben und einen großen Drehmomentbereich lassen.

Aber Motto80 ist eine Heim-Kaffeemühle. Um ihre 80 mm großen Flachmahlscheiben herum muss die Maschine auch den Einstellmechanismus, das Zufuhrsystem, Sensoren, die Antriebselektronik und den Rest der mechanischen Struktur unterbringen. Wenn man die gesamte Maschine um eine Handvoll extremer Belastungsereignisse herum konstruieren würde, würde sie erheblich größer und komplexer, als sie sein müsste.

Wir haben auch nicht versucht, die Mühle so schnell wie physisch möglich zu machen.

Während der Entwicklung haben wir für eine typische Einzeldosis unter feinen Espressobedingungen grob 10 bis 12 Sekunden als Designfenster verwendet. Dies ist keine garantierte Leistungsangabe. Eine formale Mahlzeitspezifikation müsste die Dosis, den Kaffee, den Mahlwerkssatz, die Drehzahl, die Mahleinstellung und die Zufuhrregelung definieren. Stattdessen gab uns das Fenster von 10 bis 12 Sekunden ein praktisches technisches Ziel: schnell genug für den täglichen Gebrauch, ohne das Zufuhrsystem, die Motorgröße, den Strom, den Lärm oder die thermische Belastung in unnötige Extreme zu treiben.

Das führte uns zu einer nützlicheren Frage:

Sobald die Bohnen die Mahlscheiben erreichen, wie entwickelt sich die Last tatsächlich?

Genauer gesagt, was sollte der Motor kontinuierlich leisten, was nur für eine kurze Zeit, und wie sollte das Steuerungssystem zwischen den beiden entscheiden?

Eine Kaffeemühle kann blockieren, bevor ihr das Drehmoment ausgeht

Es ist verlockend, ein Blockieren als ein einfaches Ereignis zu beschreiben: Eine besonders harte Bohne gelangt in die Mahlscheiben, der Motor kann nicht genug Drehmoment erzeugen, und die Mühle stoppt.

Das kann passieren, aber es beschreibt nicht viel von dem, was tatsächlich in einer Mühle mit Flachmahlscheiben geschieht.

Kaffee durchläuft mehrere Phasen innerhalb der Mahlscheiben: Aufnahme, anfängliches Brechen, weiteres Mahlen und Austragen. Wir können diesen Prozess in zwei Massendurchflussraten vereinfachen.

Sei ṁin die Menge Kaffee, die pro Zeiteinheit in die Mahlscheiben gelangt, und ṁout die Menge Kaffee, die ausreichend gemahlen und pro Zeiteinheit ausgetragen wurde.

Die Menge Kaffee, die sich in den Mahlscheiben befindet, kann dann ausgedrückt werden als:

dM/dt = ṁin − ṁout

Dies soll kein vollständiges physikalisches Modell einer Mühle sein. Es ist lediglich eine nützliche Möglichkeit zu verstehen, wie sich die Last aufbauen kann.

Wenn ṁin und ṁout einigermaßen nah beieinander bleiben, bleibt die Kaffeemenge in den Mahlscheiben relativ stabil. Bleibt ṁin jedoch höher als ṁout, beginnt sich Kaffee anzusammeln.

In diesem Fall wird gleichzeitig mehr Kaffee gebrochen, komprimiert und durch die Mahlscheiben transportiert. Das zum Bewegen alles Erforderliche Drehmoment steigt.

Dies wird besonders bei niedrigeren Drehzahlen wichtig.

Eine Reduzierung der Drehzahl führt nicht einfach dazu, dass derselbe Mahlvorgang langsamer abläuft. Da pro Sekunde weniger Mahlzähne durch die Mahlzone gelangen, nimmt die Verarbeitungs- und Auswurfkapazität der Mahlwerke im Allgemeinen ab, wenn andere Bedingungen ähnlich bleiben. Die Rate, mit der Kaffee in die Mahlwerke gelangt, nimmt jedoch nicht unbedingt im gleichen Verhältnis ab.

Diese Aufnahmerate wird durch die Geometrie der Zuführung, die Bohnengröße, die Schwerkraft, die Geometrie des Vorbrechers der Mahlwerke und die Menge des dem Einlass zugeführten Kaffees beeinflusst.

Das Ergebnis kann eine Situation sein, in der der vordere Teil der Mahlwerke weiterhin Kaffee aufnimmt, während der Rest des Mahlpfades ihn nicht mehr in der gleichen Rate abführen kann.

Sobald dies geschieht, kann sich eine positive Rückkopplungsschleife entwickeln:

Zufuhr überschreitet Verarbeitungskapazität → Kaffee sammelt sich an → Drehmomentlast steigt → tatsächliche Drehzahl fällt → Verarbeitungskapazität sinkt weiter → mehr Kaffee sammelt sich an

Wenn nichts diesen Zyklus unterbricht, kann die Mühle schließlich blockieren.

Dies ist auch der Grund, warum eine hohe sofortige Drehmomentanzeige nicht unbedingt bedeutet, dass ein einzelnes, ungewöhnlich hartes Korn das Ereignis verursacht hat. Die Last kann stattdessen von Kaffee herrühren, der sich bereits in den Mahlscheiben befand, als zusätzliche Bohnen dahinter eindrangen.

Eine nützlichere Art, die Last zu beschreiben, ist daher:

Tload = f(Kaffee, Mahlwerk-Geometrie, Spalt, Drehzahl, Durchsatz, Materialbestand)

Eine einzelne maximale Blockierdrehmomentzahl kann dieses sich ändernde System nicht erfassen.

Der Durchsatz ist Teil des Antriebssystems

Sobald wir die Kaffeemühle auf diese Weise betrachten, hört der Durchsatz auf, ein separates Komfortmerkmal zu sein, und wird Teil des Antriebssystems selbst.

Es gibt eine einfache Methode, um die Drehzahlabnahme zu reduzieren: den Kaffee sehr langsam zuführen. Wenn ṁin deutlich unter der Verarbeitungskapazität der Mahlscheiben bleibt, sieht der Motor eine leichtere und stabilere Last.

Der Kompromiss ist offensichtlich. Das Mahlen der Dosis dauert länger als nötig.

Am anderen Extrem könnten wir den Kaffee so schnell wie möglich in die Mahlscheiben drücken. Die Mahlzeit kann sich verkürzen, aber das durchschnittliche Drehmoment, der Spitzenstrom und der kurzfristige Temperaturanstieg steigen. Gleichzeitig wird der Spielraum bis zum Blockieren kleiner.

Der nützliche Betriebspunkt liegt zwischen diesen Extremen.

Für die Motto80 besteht das Ziel darin, die Förderrate angemessen nahe an der nachhaltigen Verarbeitungskapazität der Mahlwerke zu halten, während gleichzeitig eine ausreichende mechanische und elektrische Reserve für die natürlichen Änderungen während des Mahlens gewährleistet wird.

Hier erweist sich das 10- bis 12-Sekunden-Designfenster als nützlich. Es gab uns ein praktisches Ziel, um die Förderrate, die Motorlast, den Lärm, das thermische Verhalten und die tägliche Wartezeit in Einklang zu bringen.

Ziel war es daher weder, langsam zu füttern, nur weil es für den Motor einfacher ist, noch den Durchsatz um jeden Preis zu maximieren.

Es ging darum, eine Zufuhrrate zu finden, die die Mahlscheiben effizient nutzt und gleichzeitig dem System genügend Spielraum lässt, um die Lastschwankungen zu bewältigen, die beim echten Mahlen auftreten.

Und diese Unterscheidung führt zu einem weiteren wichtigen Teil des Designs: Der Motor muss nicht jede Aufgabe kontinuierlich auf dem gleichen Niveau ausführen.

Dauerlast und Spitzenlast sind unterschiedliche Aufgaben

Ein einziger Mahlzyklus enthält zwei verschiedene Arten von Last.

Der Großteil des Zyklus wird durch die Dauerlast bestimmt. Diese bestimmt den durchschnittlichen Strom, die Motorverluste, den Temperaturanstieg und das Verhalten der Mühle über mehrere aufeinanderfolgende Dosen hinweg.

Die Spitzenlast ist anders.

Eine kurze Störung kann auftreten, wenn mehrere Bohnen gleichzeitig in den Bissbereich gelangen. Dichter, hell gerösteter Kaffee, eine feine Mahleinstellung, niedrige Drehzahlen oder eine vorübergehende Ansammlung von Kaffee in den Mahlscheiben können alle einen kurzen Anstieg des Drehmomentbedarfs verursachen.

Der Motor benötigt genügend Reserve, um sich von diesen Ereignissen zu erholen. Er muss jedoch sein Spitzendrehmoment nicht kontinuierlich erzeugen.

Diese Unterscheidung ist wichtig, denn Leistung und Drehmoment sind keine austauschbaren Spezifikationen.

Die mechanische Leistung an der Welle beträgt:

Pmech = Tω

Die elektrische Eingangsleistung ist nicht dasselbe wie die mechanische Leistung, die an der Welle abgegeben wird. Ebenso ist die maximale mechanische Leistung nicht dasselbe wie das maximale Drehmoment.

In der Nähe eines Stillstands kann beispielsweise das Drehmoment sehr hoch sein, während die Drehzahl gegen Null geht. Die mechanische Leistung kann daher fallen, auch wenn der Strom und die elektrischen Verluste weiter steigen.

Die in unserer Auswertung verwendeten Motordaten des 6068 verdeutlichen dies:

Der Übergang vom ersten zum zweiten Betriebspunkt erhöht die Eingangsleistung um ca. 870 W, aber die Wellenleistung steigt nur um ca. 320 W. Ein Großteil der zusätzlichen Eingangsleistung geht als Wärme und andere Verluste verloren.

Deshalb sollten 1053 W nicht als Dauerleistung des Motors angegeben werden. Es beschreibt einen Hochlast-Testbetriebspunkt, nicht eine für den Dauerbetrieb vorgesehene Leistung.

Eine Einkammer-Kaffeemühle für den Hausgebrauch verhält sich auch ganz anders als eine Industriemaschine unter Dauerlast. Ein typischer Mahlvorgang dauert nur wenige Sekunden, und die Ereignisse mit der höchsten Last können noch wesentlich kürzer sein. Da der Motor eine thermische Masse besitzt, führt ein kurzer Stromanstieg nicht sofort zu der gleichen stationären Temperatur, die sich bei kontinuierlicher Aufrechterhaltung dieser Last ergeben würde.

Wir können diesen Unterschied daher bewusst nutzen.

Die Motto80 kann den hoch effizienten Betriebsbereich des Motors vorübergehend verlassen, wenn die Mahlscheiben einer kurzen Störung begegnen, indem sie zusätzlichen Strom und Wärme nutzt, um mehr Drehmoment zu erzeugen und die Drehzahl wiederherzustellen. Dies ermöglicht es dem System, einen praktischen Formfaktor für Heimkaffeemühlen beizubehalten, ohne einen Motor zu installieren, der so groß dimensioniert ist, dass er sein maximales Drehmoment kontinuierlich liefern kann.

Aber es gibt eine wichtige Grenze:

Die Spitzenkapazität muss Spitzenkapazität bleiben.

Wenn ein normales Espresso-Mahlverfahren die meiste Zeit nahe der Stromgrenze verbringt oder wiederholte Dosen eine deutliche thermische Leistungsreduzierung verursachen, dann sind Motor, Mahlwerk und Zufuhrstrategie nicht richtig aufeinander abgestimmt.

Der Zweck der Spitzenkapazität besteht darin, sich von einem Spitzenereignis zu erholen und nicht den Spitzenbetrieb zum normalen Betriebszustand zu machen.

Drehmomentreserve ist nur wichtig, wenn man sie steuern kann

Drehmoment zur Verfügung zu haben, ist nur die Hälfte des Problems. Das Steuerungssystem muss dieses Drehmoment auch zur richtigen Zeit und in der richtigen Menge anwenden.

Hier wird die feldorientierte Regelung oder FOC wichtig.

Die Motto80 verwendet FOC, um den mit dem Motordrehmoment verbundenen Strom direkt und kontinuierlich zu regeln. Vereinfacht gesagt wandelt FOC die dreiphasigen Motorströme in ein rotierendes d-q-Referenzsystem um, wodurch die mit dem magnetischen Fluss und dem Drehmoment verbundenen Stromkomponenten unabhängiger gesteuert werden können.

In einem gängigen vereinfachten PMSM-Modell ist das elektromagnetische Drehmoment innerhalb des anwendbaren Betriebsbereichs annähernd proportional zum q-Achsenstrom, iq.

Die praktische Konsequenz ist wichtiger als die Mathematik.

Wenn der Drehzahlregelkreis feststellt, dass die tatsächliche Drehzahl unter dem Sollwert liegt, kann er zusätzliches Drehmoment anfordern. Der FOC-Stromregelkreis übersetzt diese Anforderung dann in gesteuerten Motorstrom.

Betrachten Sie ein einfaches Beispiel.

Angenommen, das Ziel sind 600 U/min. Kaffee gelangt in die Mahlscheiben und die tatsächliche Drehzahl fällt kurzzeitig auf 570 U/min. Der Regler erkennt den Drehzahlfehler und erhöht iq, wodurch das Motordrehmoment steigt.

Wenn die Störung kurz ist, kann sich die Drehzahl schnell erholen.

Aber wenn sich Kaffee weiter ansammelt, der Strom weiter steigt und die Drehzahl sich nicht erholt, hat es das System nicht mehr mit einer gewöhnlichen Lastschwankung zu tun. Es bewegt sich auf einen instabilen Zustand zu.

Deshalb bewerten wir die Drehzahlregelung nicht nur anhand der niedrigsten Drehzahl, die während einer Störung erreicht wird.

Stattdessen betrachten wir mehrere Signale zusammen:

• Drehzahlabfall.
• Spitzenstrom.
• Dauer.
• Erholungszeit.

Ein Abfall von 600 U/min auf 500 U/min, der sich innerhalb von 100 ms erholt, unterscheidet sich grundlegend von demselben Abfall, der drei Sekunden anhält, während der Strom bereits am Limit ist.

Das gekoppelte Verhalten dieser Signale sagt uns erheblich mehr über das Antriebssystem aus als eine einzelne Spitzenleistungszahl.

Das gleiche Prinzip gilt für den Überhitzungsschutz.

Spitzendrehmoment ist ohne eine Abbruchregel nutzlos. Wenn die Drehzahl bei einem echten Stillstand gegen Null geht, führt ein Erhöhen des Stroms nicht mehr zu einer entsprechenden Steigerung der nutzbaren mechanischen Leistung, während die elektrischen Verluste weiter steigen.

Der Controller muss daher den Geschwindigkeitsfehler, den Strom, die Dauer des Hochstromzustands, ob sich die Geschwindigkeit erholt und den thermischen Zustand des Motors und der Antriebselektronik berücksichtigen.

Wenn die Last wiederherstellbar ist, kann das System das Drehmoment erhöhen und die Mühle sich erholen lassen.

Wenn niedrige Drehzahl und hoher Strom ohne Erholungstendenz anhalten, ist es nicht mehr sinnvoll, das Drehmoment weiter zu erhöhen. Die geeignete Reaktion ist, die Erhöhung des Drehmoments einzustellen und in den Schutzmodus zu gehen.

Die Mahlscheiben, der Dosierer und der Motor müssen gemeinsam kalibriert werden

An dieser Stelle wird der Grund für die Betrachtung des gesamten Antriebssystems als ein System deutlich.

Der Motor kann nicht unabhängig vom Zufuhrsystem kalibriert werden, und keines von beiden kann von der Mahlscheiben-Geometrie getrennt werden.

Für einen gegebenen Mahlwerksatz, Mahlspalt, Drehzahl, Kaffee und die gewünschte Mahldauer gibt es einen entsprechenden nützlichen Bereich an Durchsatzraten.

Jeder Teil des Systems hat eine andere Aufgabe.

Die Mahlwerksgeometrie

bestimmt, wie Kaffee in die Mahlscheiben gelangt, gebrochen, weiter gemahlen und schließlich wieder aus ihnen austritt.

Das Zufuhrsystem

bestimmt, wie viel Kaffee pro Zeiteinheit die Mahlscheiben erreicht.

Motor und FOC-System

bestimmen, wie das erforderliche Drehmoment bei Lastwechseln geliefert und geregelt wird.

Zusammen bestimmen sie Mahldauer, Drehzahlstabilität, Spitzendrehmoment, Wärmebelastung und den verfügbaren Spielraum vor einem Stillstand.

Deshalb wurde die Motto80 nicht durch Maximierung einer dieser Variablen isoliert entwickelt.

Der Motor muss die normale Mahllast bequem bewältigen und gleichzeitig eine höhere Kurzzeitleistung beibehalten. Das Zufuhrsystem muss nahe an der nachhaltigen Verarbeitungskapazität der Mahlscheiben arbeiten, ohne kontinuierlich Materialansammlungen zu verursachen. Und das FOC-System muss die Drehzahl bei behebbaren Störungen wiederherstellen und gleichzeitig erkennen, wann eine Last nicht mehr behebbar ist und Schutz erforderlich ist.

Dies sind keine unabhängigen Spezifikationen. Sie sind Teile desselben Betriebssystems.

Was definiert also eigentlich das Antriebssystem?

Das bringt uns zurück zu unserer Ausgangsfrage.

Es ist einfach zu fragen, wie viele Watt der Motor hat. Es ist auch einfach, maximale Drehmomentwerte, maximale Drehzahlen oder eine angegebene Mahlzeit zu vergleichen.

Diese Zahlen können uns jeweils etwas sagen, aber keine von ihnen allein beschreibt, wie sich eine Mühle verhält, sobald Kaffee tatsächlich in die Mahlscheiben gelangt.

Was wir wollen, ist spezifischer.

Beim normalen Mahlen sollten Zufuhrrate, Mahlwerksdurchsatz und Motorkapazität im Gleichgewicht bleiben. Wenn eine kurze Störung dieses Gleichgewicht vorübergehend bricht, sollte das System genügend Drehmoment und Regelspielraum haben, um sich zu erholen, ohne den Spitzenbetrieb zum neuen Normalzustand zu machen.

Deshalb ist die Motorleistung an sich nicht die nützlichste Art, das Antriebssystem der Motto80 zu beschreiben.

Die sinnvollere Frage ist, was unter realer Last passiert: Verhält sich die Drehzahl, der Strom, die Zeit und die Temperatur im vorgesehenen Betriebsbereich, sobald die Bohnen in die Mahlwerke gelangen?

Letztendlich ist es das, was wir testen.

Das Antriebssystem sollte durch synchronisierte Mahlspuren unter kontrollierten Bedingungen bewertet werden, bei denen das Motorverhalten, die Drehzahl, der Strom, die Zufuhrrate und die Temperatur gemeinsam beobachtet werden können.

Eine Kaffeemühle wird nicht durch eine Zahl auf einem Motorspezifikationsblatt definiert. Sie wird durch das Verhalten des gesamten Systems definiert, wenn die Bohnen die Mahlscheiben erreichen.