Antriebssteuerung Maschinenperformance beginnt mit der Antriebstechnik

Autor / Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Jürgen Wagenbach / Ute Drescher

Wer sich mit seiner Maschine oder Anlage differenzieren möchte, und zwar nicht nur über den Preis, sollte bei der Antriebstechnik anfangen. Unser Autor verrät, welche Komponenten wie zusammenspielen müssen. Eine Schlüsselrolle nimmt die Antriebssteuerung ein.

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Das Antriebspaket mit Dynamik.
Das Antriebspaket mit Dynamik.
(Bild: Maxon Motor)

Für moderne Maschinen, Anlagen und Geräte sind eine umfangreiche Funktionalität und hohe Zuverlässigkeit zwei Grundvoraussetzungen, um am Markt zu bestehen. Allerdings erlauben diese beiden Faktoren heute nur noch wenig Spielraum zur Differenzierung. Es stellt sich für Maschinen- und Gerätebauer deshalb zunehmend die Frage, wie ein Marktvorteil gegenüber der Konkurrenz, außer über den Preis, erzielt werden kann. Einerseits wird versucht, dies über das Produktdesign, Handling und die Benutzerschnittstelle zu erreichen, andererseits gewinnen die „Randbedingungen“ neben der eigentlichen Funktionalität an Bedeutung:

  • Kompaktheit, d.h. geringer Platzbedarf und einfacherer Maschinentransfer
  • Modularität, d.h. anwendungsspezifische Auf- und Umrüstung
  • Flexibilität, d.h. schnell und effizient auf kleine Produktionslosgrößen adaptierbar
  • Dynamik, d.h. hoher Produktionsausstoß und große Rentabilität
  • Energie-Effizienz, d.h. geringe Betriebskosten

Diese Randbedingungen bieten dem Maschinen- oder Gerätebauer wieder die Chance, eine funktionale Differenzierung zu erreichen und seine Leaderrolle im Markt zu finden. Der Vorteil einer Fokussierung auf „Randbedingungen“ liegt auch darin, dass Konkurrenten nur mit großem Aufwand und häufig nur in Form von Neuentwicklungen die Konzepte und das Knowhow kopieren können. Unter diesem Gesichtspunkt kommt der Antriebstechnik frühzeitig in der Entwicklung eine wesentliche Rolle zu. Die Antriebstechnik, inklusive deren Ansteuerung wirkt sich entscheidend auf die zu erzielende Flexibilität, Dynamik und Energieeffizienz aus.

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Energieeffizienz & Dynamik: Der Motor

Bei Asynchronmotoren ist die Energieeffizienz eine (auch staatlich) definierte Anforderung. Eine wesentliche Energieeinsparung lässt sich im „kleinen“ Leistungsbereich bis 500 W durch den Einsatz von Motoren mit hohem Wirkungsgrad für den Spannungsbereich von 24 V bis 48 V DC erzielen. Die eisenlosen Maxon DC-Motoren und die bürstenlosen EC-Motoren (= BLDC) bieten hierfür optimale Voraussetzungen mit einem Wirkungsgrad von teilweise mehr als 90%. Die Maxon Motoren besitzen eine sehr hohe Leistungsdichte, was im Vergleich zu konventionellen DC- und AC-Motoren sehr kompakte Automatisierungs- und Montagelösungen ermöglicht. Die hohe Dynamik der Maxon Motoren, welche mit Beschleunigungswerten im Bereich einiger Millisekunden extrem schnelle, präzise Bewegungen ermöglicht, ist die Voraussetzung, um der Anforderung nach massiv gesteigerter Maschinenperformance (= Produktionsstückzahlen/Stunde) gerecht zu werden. Die häufig wenig beachtete Auswahl des „richtigen“ Motortyps ist dabei von zentraler Bedeutung und es sollten nicht nur „alte“ Konzepte kopiert, sondern diese kritisch hinterfragt werden. Neue Lösungsansätze auf Basis von Maxon DC- und BLDC-Motoren können alle Anforderungen nach Energieeffizienz, Kompaktheit und Dynamik herausragend befriedigen und die Maschinenperformance deutlich steigern.

Präzision: Die Sensorik

Um die Bewegungsvorgänge zu erfassen wird eine Information über die aktuelle Position, typischerweise bezogen auf die Motorwelle benötigt. Zur Erfassung dieser IST-Position kommen direkt auf der Motorwelle montierte Drehgeber oder spielfrei angekoppelte Linearmaßstäbe zum Einsatz. Aus der Ableitung der Positionsinformation wird von der Antriebssteuerung im Reglertakt auch die Drehzahlinformation (d.h. Positionsänderung pro Zeiteinheit) ermittelt. Es gilt dabei, dass umso höher die Geberauflösung ist, umso exakter kann die Position erfasst und die Motordrehzahl selbst bei hohen Abtastraten exakt berechnet und geregelt werden. Die Sensorauflösung definiert direkt die bestmöglich zu erzielende Positioniergenauigkeit und beeinflusst auch die Qualität der Drehzahlkonstanz insbesondere bei sehr langsamen Bewegungsvorgängen. In der Praxis haben sich verschiedene inkrementelle und absolute Sensortypen, sowie digitale, analoge und protokollorientierte Formen der Sensorsignalübermittlung etabliert. Die Maxon Produktpalette umfasst magnetische und optische Drehgeber, die direkt auf dem Motor montiert sind und eine sehr kompakte, kosten-optimale Lösung für die präzise Antriebstechnik bieten.

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.

Optimierung für die Praxis: Das Autotuning

Einen wesentlichen Einfluss auf das Reglerverhalten hat bei allen Antriebssteuerungen die Konfiguration der Reglerparameter. In der Praxis zeigt sich immer wieder, dass von Seiten des Anwenders die optimale Reglereinstellung eine der größten Herausforderungen ist und diese häufig nur sehr rudimentär ausgeführt wird. Ein manuelles Tuning erfordert viel Erfahrung und häufig einen hohen zeitlichen Testaufwand. Zudem ist eine initiale Grundkonfiguration nicht immer einfach zu finden. Die „zufällig“ ermittelte Erstkonfiguration wird deshalb im späteren Betrieb oft beibehalten mit negativen Folgen für die Präzision der Antriebsbewegungen. Die Vorteile von prinzipiell guten und schnellen Reglerstrukturen können hierdurch zunichte gemacht werden. Bei der Maxpos und der kostenfreien Inbetriebnahme-Software „Maxpos Studio“ wurde ein zentrales Augenmerk auf eine ausgereifte, zuverlässige Autotuning-Funktionalität gelegt, die den Anwender optimal unterstützt und den Inbetriebnahme- und Optimierungsaufwand reduziert.

Die Maxpos verwendet einen PI-Stromregler und einen PID-Positionsregler jeweils mit Feedforward-Steuerung. Die Ergebnisse des Autotunings führen automatisch und effizient zu einer Reglerkonfiguration, die für nahezu alle Anwendungsfälle ein optimales Regler- und Motorverhalten bietet, ohne dass hierfür zeitaufwendige manuelle Tests oder Simulationsberechnungen notwendig sind. Zusätzlich bietet die „Maxpos Studio“ Software neben dem Autotuning auch die Möglichkeit, das Reglerverhalten ähnlich einem Oszilloskop als bewegte Grafik online bei konkreten Bewegungs- und Lastvorgängen als sogenannten Live-Trace-Plot zu beobachten und manuell die Reglerparameter bei laufendem Motor anzupassen. Dies kann einfach und effizient über die direkte Verstellung des P-, I- und Feedforward-Anteils des Stromreglers, sowie für den Positionsregler mit direkt antriebsbezogenen Faktoren wie Trägheitsmoment, Reibung, Reglerbandbreite, Dämpfung und Nachstellzeit erfolgen. Der Live-Trace-Plot ist ein wichtiges Feature um die Reglereinstellung im konkreten Arbeitspunkt der Anwendung zu verifizieren, die Auswirkung manueller Anpassungen der Reglerparameter zu beurteilen und diesen effizient den „letzten Schliff“ zu geben.

Anwendungen: Mehrwert durch dynamisches Antriebskonzept

Der Vorteil von modernen Reglerstrukturen, hohen Reglertaktfrequenzen und optimal eingestellten Reglerparametern ist nicht nur theoretischer Art, sondern zeigt sich in der Praxis durch die schnelle Reaktion auf Sollwertänderungen und der trotzdem extrem präzisen Einhaltung von Bewegungsprofilen. Für viele Anwendungen sind dies genau die antriebsseitigen Anforderungen um eine hohe Qualität der produzierten Güter und einen hohen Produktionsausstoß der Maschinen zu erreichen. Die Notwendigkeit von hoch-dynamischen Antrieben im Zusammenspiel mit einer High-Performance Regelung wie der Maxpos lässt sich an den folgenden Aussagen ableiten:

  • Extrem präzis positionierte oder synchronisierte Bewegungen
  • Hohe Beschleunigungen
  • Kurze, dynamische, häufig repetitive Zyklen
  • „Feinfühlige“ Reaktionen, d.h. sehr präzise Drehmomentregelung und -begrenzung

Diese Anforderungen verstecken sich einzeln oder mehrfach bei fast alle Maschinen und Anlagen:

  • Druckmaschinen und Anlagen zur Papierverarbeitung, z.B. in der Zeitschriften- und Buchproduktion
  • Dosen- und Flaschenabfüllanlagen und –verschließer, z.B. in der Lebensmittelindustrie
  • Rundtakt-Bearbeitungscenter, z.B. in der Automobil- und Werkzeugindustrie
  • Anlagen zur Etikettierung, Perforation und das Schneiden im fließenden Materialprozess, z.B. bei der Papier-, Holz-, Kunststoff- oder Kabelverarbeitung
  • Pick-and-Place, Die- und Wire-Bonding Maschinen, z.B. bei der Produktion elektronischer Bausteine und der Elektronikbestückung
  • Delta- und Scara-Robotor zum Teilehandling, z.B. in der Lebensmittel-, Medizin- und Automobilindustrie
  • Elektrische Schrauber zum kontrollierten Fixieren von Komponenten, z.B. in der Automobil- und Uhrenindustrie
  • Feinfühlige Greifer in der Robotik, z.B. in der Lebensmittel-, Pharmazie- und Medizinindustrie

Die Liste ließe sich praktisch beliebig verlängern und in all diesen Anwendungen steht ein einzelner Antrieb meistens nicht für sich alleine, sondern ist in einen Verbund von einer Vielzahl von Antrieben, Sensoren und Aktoren eingebunden.

Modularität & Kompatibilität: Das Systemkonzept

Eine übergeordnete Steuerung, typisch eine SPS, koordiniert und synchronisiert die einzelnen Antriebe und nimmt die Prozess- und Steuerungsfunktionen der Komplettlösung wahr. Dieser zentrale Ansatz bietet den Vorteil einer einheitlichen, effizienten Programmierumgebung unabhängig von der Leistung der benötigten Antriebe oder dem Hersteller der Antriebssteuerung. Dies erlaubt dem Entwickler die Konzentration auf die Anwendung und die Auswahl der „optimalsten“ Komponenten für seine Anforderungen. Durch die Nutzung von etablierten Industriestandards in Bezug auf Programmierumgebung und Bus-Systeme profitiert der Maschinen- und Gerätebauer von einem geringen Einarbeitungsaufwand, einer hohen Portierbarkeit, einem reduzierten Entwicklungsrisiko und einer verkürzten Time-to-Market seiner neuen Lösungen. Für die Antriebssteuerungen bedeutet dies, dass zwingend folgende Anforderungen erfüllt werden müssen:

  • Industrielle, schnelle Bus-Anbindung
  • Einfache Integration in etablierte SPS-Konzepte
  • Transparente Einbindung in SPS-Programmierumgebungen
  • ommandierung mit bekannten Funktionsbausteinen der SPS Motion Control Bibliothek

Kompatibilität: Industrie-Standards

Die Maxpos ist als Ether-CAT-Slave basierend auf der Funktionalität nach den Standards der Ethernet Technology Group (ETG) konzipiert worden. Die Maxpos nutzt das CoE (= CAN Application Layer over Ether-CAT) Protokoll für die Bus-Kommunikation und unterstützt die folgenden Betriebsarten des etablierten Geräteprofils CiA402 für elektrische Antriebe:

  • CST – Cyclic Synchronous Torque
  • CSV – Cyclic Synchronous Velocity
  • CSP – Cyclic Synchronous Position
  • HM – Homing
  • PP – Profile Position
  • PV – Profile Velocity

An internationalen „Plug Fest“ Anlässen der ETG, bei welcher die Interoperabilität von Produkten mit Ether-CAT-Bus in der Praxis getestet wird, konnte die Maxpos mit Master-Systemen diverser Hersteller die geforderte Kompatibilität erfolgreich unter Beweis stellen. Der freiwillige, ebenfalls erfolgreich durchgeführte Ether-CAT Conformance Test ist ein weiterer Baustein zur Absicherung der Kompatibilität und der Reduktion von Entwicklungsaufwand und risiko auf Seiten des Systemintegrators. Dies sichert Investitionen und gewonnenes Knowhow in die Antriebstechnik auch für die Zukunft ab und ermöglicht auf etablierten Industrie-Standards die schnelle und effiziente Integration der Maxpos in Ether-CAT-basierende SPS-Umgebungen (z.B. Beckhoff Twin-CAT).

Performance: Datenaustausch in Echtzeit

Typischerweise erfolgt bei mehrachsigen Maschinen und Geräten die Bahnberechnung, Koordination und Synchronisation der Antriebe innerhalb der SPS. Die Maxpos erhält bei einem solchen Konzept zyklisch sehr schnell über den Ether-CAT-Bus neue Sollwertvorgaben und verarbeitet diese im CST, CSV oder CSP Mode in Echtzeit. Die Vorgabe neuer Strom-, Drehzahl- oder Positionssollwerte und der Austausch umfangreicher antriebsseitiger Ist-Informationen (SOLL-/IST-Positionen, Motorströme, etc.) können ohne Einschränkungen bis zu 3000-mal pro Sekunde über den Ether-CAT-Bus erfolgen. In Abhängigkeit von der Konfiguration ist für Highspeed-Anwendungen, die zum Beispiel eine sehr schnelle Kommandierung neuer Stromwerte im CST-Mode erfordern, ein Datenaustausch sogar bis zu 10000-mal (!!) pro Sekunde (d.h. Bus-Zykluszeit = 0.1 ms!) möglich. Der Inhalt des Datenaustausches ist über ein variables PDO-Mapping anwendungsgerecht und flexibel konfigurierbar. Zwischen den Sollwerten interpoliert die Maxpos um möglichst sanfte, kontinuierliche Antriebsbewegungen zu erzielen. Die Synchronität der Datenübernahme und der Reglertakte ist durch die Nutzung sogenannter Distributed Clocks sichergestellt. Der schnelle Datenaustausch per Bus ermöglicht es der übergeordneten SPS, die Synchronisation mehrerer Achsen präzise zu regeln, vorzugeben und mit den von der Maxpos zur Verfügung gestellten Rückinformationen zu überwachen.

Fazit: Maschinenperformance fängt in der Antriebstechnik an

Die Maxpos bietet alle Voraussetzungen um dynamische, präzise und synchrone Antriebsbewegungen zu realisieren. Durch die verschiedenen Betriebsarten, welche alle auf dem etablierten Industriestandard DS402 und der Unterstützung des echtzeit-tauglichen Ether-CAT-Bus basieren, kann die Antriebssteuerung effizient in SPS-Konzepte unter Nutzung der vorhandenen Entwicklungsumgebungen integriert werden. Die Maxpos ist dabei der Schlüssel zu mehr Effizienz und bisher unerreichter Dynamik in der Antriebstechnik. Maschinen- und Gerätehersteller, die zu den Leadern in der Industrie gehören, bietet sich hiermit die Möglichkeit, neue Benchmarks in der Performance ihrer Anlagen zu setzen. (ud)

* Dipl.-Ing. (FH) Jürgen Wagenbach ist Leiter Customer Support Elektronik & Systemtechnik bei der Maxon Motor AG, Sachseln/Schweiz.

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