Maschinenperformance beginnt mit der Antriebstechnik

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Dynamik & Präzision: Die Antriebssteuerung

Die Antriebssteuerung und –regelung stellt das Bindeglied zwischen dem Antrieb, d.h. dem Motor, seiner spezifischen Sensorik und der zentralen, übergeordneten Maschinen-, Anlagen- und Gerätesteuerung dar, welche typischerweise mit einer SPS oder PC-basierenden Lösung realisiert ist.

Die neue Maxon Antriebssteuerungsgeneration Maxpos beinhaltet die Integration einer (oder mehrerer) Leistungsendstufen in Kombination mit einer leistungsstarken Prozessoreinheit, welche für die schnelle Auswertung von Motorsensoren, Motorstrommessung in Echtzeit, sowie eine konfigurierbare Strom-, Drehzahl- und Positionsregelung optimiert ist.

An die Maxpos können sowohl bürstenbehaftete DC-Motoren als auch bürstenlose EC-Motoren (= BLDC) angeschlossen werden. Um eine anwendungsorientierte Auswahl des Gebersystems zu ermöglichen, unterstützt die Maxpos verschiedene in der Industrie verwendete inkrementelle und absolute Gebersysteme (häufig auch als Encoder bezeichnet). Die Spannweite reicht von Digital-Inkremental Encodern, über Geber mit analoger Sin/Cos-Signalform wie zum Beispiel bei Glas-Linearmaßstäben gebräuchlich, bis zu SSI Absolutgebern und modernen Sensorprotokollen wie EnDat2.2 und BiSS C. Mit Eingangsfrequenzen von bis zu 5 MHz der Maxpos Encoderanschlüsse können auch hochdrehende Motoren uneingeschränkt mit hochauflösenden Gebern kombiniert werden und auch schnelle Bewegungsvorgänge von einer exakten Zielpositionierung profitieren.

Die effektiv nutzbare Dynamik von Antrieben und das Reaktionsverhalten auf schnelle Sollwert-Änderungen hängt auch von der Geschwindigkeit (= Taktrate) des Positions- und insbesondere des Stromreglers ab. Typische Stromregler arbeiten mit Abtastzeiten von 0.1 ms (= 10 kHz Reglertakt) und Drehzahl-/Positionsregler mit 1 ms (= 1 kHz Reglertakt). Bei hochdynamischen Antrieben mit Beschleunigungszeiten von wenigen Millisekunden reicht diese Reglerdynamik heute nicht mehr aus und wirkt sich begrenzend auf die Präzision der mechanischen Antriebsbewegungen und die Maschinenperformance aus. Die Positioniersteuerung Maxpos 50/5 stellt sich dieser Herausforderung und bietet eine neue Dimension im Bereich der Reglerdynamik. Mit Abtastraten des Stromreglers von 100 kHz (= 0.01 ms Zykluszeit) und des Drehzahl-/Positionsreglers von 10 kHz (= 0.1 ms) ist die Maxpos das entscheidende Verbindungsglied zwischen Anlagensteuerung und Antriebstechnik. Mit hochdynamischen Antrieben und einer schnellen Regelungstechnik à la Maxpos wird die Performance von Maschinen und die Qualität der damit produzierten Güter markant gesteigert.

Neben dem schnellen Regler ist die sinusförmige Stromkommutierung eine weitere Voraussetzung für präzise, „feinfühlige“ Antriebsbewegungen mit einem nahezu rippelfreien Drehmomentverlauf ab Drehzahl 0 bis zum Maximum. Eine Anforderung, die typischerweise in der Robotik, beim schnellen Handling empfindlicher Güter im Produktionsprozess oder der Antriebssynchronisation zu finden ist. Eine extrem kurze Zykluszeit des Stromreglers von 0.01 ms (wie bei der Maxpos) bedeutet auch, dass alle für die feldorientierte Regelung (FOC) und Sinuskommutierung notwendigen Strommessungen, Signalumwandlungen, komplexen Integrationsberechnungen und Transformationen innerhalb dieser extrem kurzen Zeitspanne unbeeinflusst von allen anderen Funktionen zuverlässig ausgeführt werden müssen. Der 100 kHz Stromreglertakt in Kombination mit einer Sinuskommutierung für Drehzahlen bis zu 200‘000 min-1 konnte durch die Integration der notwendigen Berechnungsalgorithmen auf einem sogenannten FPGA (= Field Programmable Gate Array) realisiert werden. Die sehr hardware-nahe FPGA-Logik bietet eine deutlich höhere spezifische Rechenleistung als dies mit konventionellen, auf Prozessor-Basis programmierten Lösungen möglich ist. Ein weiterer Vorteil ist die klare Entkopplung des Stromreglers von anderen interrupt-gesteuerten und weniger zeitkritischeren Funktionen, die auf Prozessor-Ebene realisiert werden können. Ein Vergleich der Sprungantwort des Maxpos-Stromreglers mit 100 kHz Reglertakt und einer typischen marktgängigen Lösung mit nur 10 kHz zeigt den positiven Effekt eindrücklich auf.

Bei der Sprungantwort des Maxpos-Stromreglers ist einerseits der sehr schnelle, steile Stromanstieg zu erkennen, aber auch die ebenso wichtige Tatsache, dass praktisch kein Überschwingen und Einschwingverhalten auftritt. Der effektive Motorstrom hat bereits nach 0.15 ms seinen sprungartig vorgegebenen Sollwert stabil erreicht. Innerhalb dieser Anstiegszeit führt der Maxpos-Stromregler rund 15 Strommessungen und Reglerberechnungen aus. Der konventionelle langsamere Regler (10 kHz) der Vergleichsteuerung benötigt hingegen 0.3 ms bis der Sollwert erstmalig erreicht wird. Diese 0.3 ms entsprechen bei dem langsameren Regler nur 3 Taktzyklen. Es fällt diesem Regler, aufgrund der weniger häufigen Reaktion auf aktuelle Stromwerte, somit deutlich schwerer, den stabilen Übergang in den Sollwert zu finden, d.h. dieser Regler schwingt über und benötigt mehr als 1 ms bis zum Erreichen eines stabilen IST-Stromwerts. Es lässt sich leicht erkennen, dass die Regler-Abtastfrequenz einen direkten Zusammenhang mit den realisierbaren Anstiegszeiten sowie dem Überschwingverhalten hat. Dies gilt sowohl für den Stromregler, wie auch für alle kaskadierten übergeordneten Regler (z.B. Drehzahl und Position). An den Stromregler werden als untergeordneten Regler die höchsten Performance-Anforderungen gestellt, da die Anstiegszeit des Motorstroms nur durch die sehr kleinen elektrische Zeitkonstanten des Antriebsmotors (Stichworte: Induktivität, Wicklungswiderstand => L/R-Zeitkonstante) begrenzt wird und der Stromregler möglichst in Echtzeit auf jede Stromänderung reagieren sollte, um Überschwinger weitestgehend zu vermeiden. Der Drehzahl- oder Positionsregler kann (und wird) typischerweise um den Faktor 10 langsamer ausgelegt, da hier die mechanische Zeitkonstante des kompletten Antriebs inklusive der Last begrenzend auf schnelle Änderungen wirkt und der Regler „träger“ reagieren darf. Dieser „Daumenregel“ folgt auch der Drehzahl- und Positionsregler der Maxpos, welcher mit 10 kHz aber immer noch deutlich mehr Performance als die typischen Regler (1 KHz) von Positioniersteuerungen und digitalen Servoendstufen bietet. Der Drehzahl-/Positionsregler der Maxpos ist in einem sogenannten Soft-Core Prozessor realisiert, welcher im FPGA integriert ist. Dies bietet eine sehr gute Performance mit einem Reglertakt von 10 kHz, aber erlaubt eine größere Flexibilität bei der Anpassung dieser übergeordneten Regler für applikationsspezifische Lösungen mit eventuell benötigten Zusatzfunktionalitäten oder spezifischer Bahnplanung und Bewegungsprofilen.

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