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Servoantrieb Kompakte Servoantriebe positionieren hochpräzise

| Autor/ Redakteur: Dr. Peter Aicher / Ute Drescher

Der Automatisierungsgrad von Maschinen und Anlagen erhöht sich kontinuierlich. Dabie fällt die Wahl immer häufiger auf Servoantriebe, bieten sie doch kurze Reaktionszeiten und präzise Positionierung. Doch sie punkten noch mit weiteren Vorteilen.

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Als Antwort auf die aktuellen Markanforderungen hat Panasonic die Servoantriebe der Minas-A6-Serie entwickelt und jetzt weiter verbessert.
Als Antwort auf die aktuellen Markanforderungen hat Panasonic die Servoantriebe der Minas-A6-Serie entwickelt und jetzt weiter verbessert.
(Bild: Panasonic Electric Works)

Die Anforderungen an moderne Motoren sind hoch: möglichst klein sollen sie sein, dabei aber robust, schnell und präzise. Auch die Fähigkeit zur Synchronisation spielt eine Rolle. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, hat Panasonic die Servomotoren der Minas-A6-Serie weiter verbessert [1].

Der Stator eines Servomotors nimmt 50 % oder mehr der axialen Abmessungen ein. Die Abnahme des magnetischen Flusses bei einer Verkleinerung der Statordicke kann zwar durch dünnere und mehr Statorwindungen kompensiert werden, führt aber zu einem internen Temperaturanstieg und einer stärkeren thermischen Belastung der Motorisolation. Um Isolationsschäden zu vermeiden, muss diese Wärme nach außen abgeleitet werden. Meist verfüllt man daher mit wärmeleitfähigem Material. Manche Methoden verwenden hier Gussformen oder Vakuum und verschlechtern dabei die Produktionskosten (z.B. Gussformen) und die Produktionsgeschwindigkeit (u.a. Formenwechsel, Vakuum).

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Gießharz verbessert Wärmeleitfähigkeit

Um den Füllgrad des Gießharzes mit wärmeleitfähigen Partikeln zu erhöhen, haben die Entwickler bei Panasonic stattdessen das Gießharz so gewählt, dass kleine Partikel vorhandene Lücken möglichst gut verfüllen. Gleichzeitig verringert sich die Partikelreibung während sich die Fließeigenschaften verbessern.

Verfüllt wird dieses Gießharz durch eine Kombination aus Vorwärmung von Stator und Harz sowie Einbringung des Harzes von der Statorunterseite. Die erzielte hohe Wärmeableitung bei gleichzeitig hoher Produktivität in der Herstellung ermöglichte – im Vergleich zur Vorgängerserie – eine Reduzierung der Statordicke um max. 20 % und der Motorlänge um max. 15 %.

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Eingebettete Magnete erhöhen Robustheit

Neben der Miniaturisierung ist auch die Robustheit des Motors gefragt, etwa wenn er in Industrierobotern eingesetzt wird. Oberflächenmontierte Magnete (SPM: Surface Permanent Magnet) können sich durch Zentrifugalkräfte im Betrieb vom Rotor ablösen und Schäden verursachen.

Eingebettete Magnete (IPM: Interior Permanent Magnet) beheben diesen Nachteil. Allerdings entsteht an den sogenannten Brücken ein Streufluss, der den effektiven magnetischen Fluss verkleinert. Diese Brücken sind die Verbindungen des inneren Rotorabschnitts mit dem äußeren Rotorabschnitt, die die Permanentmagnete einbetten. Ein neu entwickeltes Schema zur Querschnittsreduzierung des Brückenabschnitts in Dickenrichtung gleicht diesen Nachteil aus; jetzt lassen sich alle neuen Rotortypen mit eingebetteten Magneten herstellen.

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Geschwindigkeit gesteigert

Zur Geschwindigkeits- und damit Produktivitätssteigerung einer Anwendung ist es wünschenswert, wenn die Grenzfrequenz des Regelkreises möglichst hoch eingestellt werden kann. Hierzu wurden sowohl durch konstruktive Optimierungen am Encoder die Abmessungen um 25 % verringert und die Auflösung auf 23 Bit erhöht, als auch die Regelung inklusive Störgrößenunterdrückung verbessert.

Ein neu entwickelter paralleler und optimierter Regleralgorithmus, der auf einer Mehrkern-CPU implementiert wurde, ist im Vergleich zur Vorgängerserie um etwa 25 % schneller und verbessert damit das Antwortverhalten des Positions- / Drehzahlregelkreises. In Kombination mit einem speziell auf den Motor mit IPM-Rotor zugeschnittenen Stromregler kann damit eine Bandbreite des Geschwindigkeitsregelkreises von bis zu 3,2 kHz erreicht werden.

Massenträgheitsmoment kompensiert

Auswirkungen von Störgrößen, z.B. beim Betrieb eines Gelenkarmroboters, wo laufend die Position des Gelenkarms geändert und Lasten aufgenommen und losgelassen werden, setzen Grenzen bei der Reglereinstellung. Diese Änderungen des Massenträgheitsmoments im Betrieb müssten sich idealerweise in den Reglereinstellungen wiederspiegeln, was aber nur selten umsetzbar ist. Unerwünschte Reaktionen des Reglers wie Vibrationen oder langsame Reaktionszeiten sind die Folge. Abhilfe schafft ein neu entwickelter Algorithmus, der das Massenträgheitsmoment der Last als Störgröße schätzt und die Auswirkungen durch Vorsteuerung eines Kompensationsdrehmoments unterdrückt.

Um die Leistungsfähigkeit dieses Verfahrens zu zeigen, wurde der Positionsfehler eines Motors verglichen, der mit dem erwarteten und mit dem 30-fachen des erwarteten Massenträgheitsmoments angetrieben wurde [2]. Die Abweichung liegt um bis zu 40 % niedriger als bei bekannten Produkten anderer Hersteller. Zusätzlich zu den in [2] beschriebenen Verfahren zur Störunterdrückung (u.a. adaptive Filter), minimiert diese Technik darüber hinaus den Einfluss von fluktuierenden Störfaktoren wie z.B. Reibung.

Steuern in Echtzeit mit RTEX

Im Verbund mit anderen Geräten wird zunehmend Netzwerkkommunikation gefordert. Bei Servoantrieben wird v.a. Echtzeitkommunikation, schnelle Reaktionszeiten auf Sollwerte, Synchronbetrieb mehrerer Achsen und der Austausch von Daten zwischen Servoverstärker und Steuergerät erwartet.

Realtime Express (RTEX) [3] ist eine proprietäre, von Panasonic entwickelte Netzwerkarchitektur zur Echtzeitsteuerung von Servomotoren, die neben hoher Leistungsfähigkeit und einfacher Verdrahtung auch sehr robust gegen elektromagnetische Störungen ist. RTEX hat vor allem in Asien breite Verwendung gefunden bei Geräten zur Produktion von Halbleitern, LCDs und elektronischen Bauteilen. Durch Optimierungen im Verarbeitungsalgorithmus und die Verwendung einer Mehrkern-CPU konnte die Zykluszeit der Netzwerkkommunikation und die Leistungsfähigkeit im Netzwerkverbund weiter verbessert werden. Zykluszeiten bis 62,5 μs sind nun möglich, was einer Verbesserung um 25 % zur Vorgängerversion entspricht.

SPS ergänzt Servoantrieb

Als Ergänzung zu den Servoantrieben mit RTEX-Schnittstelle wurde die All-in-one-Steuerung FP-XH entwickelt. Diese speicherprogrammierbare Steuerung verfügt über 16 digitale Ein- und Ausgänge (erweiterbar auf 384 Ein-/Ausgänge), 4 Schnelle-Zähler-Kanäle und kann bis zu 8 Achsen unter Verwendung der RTEX-Netzwerkarchitektur steuern. Neben typischen SPS-Funktionen unterstützt die FP-XH Bewegungssteuerungsfunktionen wie elektronische Kurvenscheibe und Portalsteuerung und ist damit ideal für den Einsatz in kleinen Systemen. Zudem stellt RTEX Informationen der angeschlossenen Servoantriebe bereit (u.a. Servicedaten zur Kondensatorlebensdauer, Massenträgheitsmomentverhältnis), womit eine Betriebsüberwachung und vorbeugende Wartung realisiert werden können.

Sicherheitsfunktionen integriert

Als weitere Ergänzung im Portfolio entwickelt Panasonic Servoverstärker, die es ermöglichen werden, direkt am Servoverstärker sicherheitsrelevante Sensordaten zu verarbeiten und vielfältige Sicherheitsfunktionen zu realisieren. Zur Sicherstellung der geforderten funktionalen Sicherheit beim Betrieb von Panasonic-Servoantrieben kann dann auf eine zusätzliche Sicherheitssteuerung verzichtet werden.

Als Ergebnis lässt sich feststellten, dass durch verschiedene Maßnahmen die Servoantriebe der Minas A6 Serie zur Vorgängerserie deutlich verbessert werden konnten. Durch Verbesserungen im Regler und bei der Störunterdrückung kann eine Bandbreite des Drehzahlregelkreises von max. 3,2 kHz erreicht werden. Durch einen IPM-Rotor wurde die Robustheit der Motoren erhöht bei gleichzeitiger Längenreduzierung um bis zu 15 %. Zudem wurde die Zykluszeit der Netzwerkkommunikation (RTEX) um bis zu 25 % verbessert, was in Kombination mit der neuen Panasonic-SPS FP-XH dazu genutzt werden kann, kompakte Anwendungen für die hochgenaue Positionierung von bis zu 8 Achsen zu realisieren. Für eine einfachere Umsetzung notwendiger Sicherheitsanforderungen arbeitet Panasonic zudem an Servoantrieben mit erweiterten Sicherheitsfunktionen, damit hier zusätzlicher Geräteaufwand eingespart werden kann. (ud)

[1] Noritaka Aso und andere, “High Performance Servo Motor and Amplifier with Compact, High-Speed, High-Accuracy Positioning Systems”, Panasonic Technical Journal, Vol. 63, No. 2 , S. 35-40, November 2017.

[2] Yoshihivo Kira und andere, "Technological Developments of AC Servo Systems", Panasonic Technical Journal, Vol. 55, No. 3, S. 10-15, Oktober 2009.

[3] Panasonic Corporation, "Realtime Express (RTEX) Advanced Network to realize high-precise real-time performance for Servo Control", https://www3.panasonic.biz/ac/na/motor/fa-motor/ac-servo/rtex/index.jsp, September 2018.

Hier geht es zu den Datenblättern einzelner Servoantriebe und -motoren von Panasonic.

SPS IPC Drives 2018: Halle 4A, Stand 341

* Dr. Peter Aicher ist Senior Manager im Bereich Key Account Sales bei Panasonic Electric Works Europe AG.

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