Compax3-Regler, Servo- und Torquemotoren

Der direkte Weg

Für dynamische und präzise Abläufe wird meist die permanent erregte Synchronmaschine zusammen mit einem digitalen Regler eingesetzt. Neben einem hohen Wirkungsgrad und der Gutmütigkeit bei Überlastungen bietet diese Kombination standardmäßig die Integration der Lageregelung, eine Positioniersteuerung sowie vielfältige integrierte SPS-Funktionen. Probleme machen oftmals aber die mechanischen Übertragungskomponenten, die sich neben der Verschleißanfälligkeit auch auf die Leistungsbilanz von Drehzahl und Beschleunigung auswirken. Im Vergleich dazu bietet der Direktantrieb einen nahezu spielfreien und steifen Antrieb mit sehr guter Kopplung an die Last – ob Linear- oder Torquemotor. Zu beachten sind allerdings entsprechende Auslegungen an die jeweiligen Gegebenheiten und deutlich höhere Ansprüche an den Regler was Genauigkeit und Rückwirkungen angeht. Gerade bei diesen Antrieben, aber auch bei allen anderen hoch dynamischen Varianten, ist eine verzögerungsfreie und präzise Messung von Zustandsgrößen wie Geschwindigkeit, Winkel oder Beschleunigung notwendig – die Technologie des Gebers ist also von zentraler Bedeutung.

Vom einfachen digitalen Regler...

Bei dem typischen Aufbau eines digitalen Antriebs wird die Drehzahl und der Rotorwinkel über einen Geber gemessen, der auf der Motorwelle montiert ist und den Antriebsregler mit Istwerten versorgt. Die am häufigsten verwendeten und auch bewährten Winkelgeber sind der robuste und auch preiswerte Resolver sowie die genaueren, aber empfindlicheren Inkrementalgeber. Diese reichen von den einfachen Varianten mit Rechtecksignal über die magnetischen mit analogem Spursignal bis hin zu den hochauflösenden optischen Typen, ebenfalls mit analoger Spur.

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Zur Drehzahlgenerierung wird bei den üblichen Reglern der gemessene Winkel- oder Lage-Istwert differenziert und wieder dem Regelkreis für die Drehzahl zugeführt. Um sehr präzise Werte zu erreichen ist diese Umrechnung der Zustandsgrößen allerdings nachteilig, da sich Winkelfehler verstärken und die Auflösung verloren geht: Die Geschwindigkeitsquantisierung, die kleinste auflösbare Geschwindigkeit, ist direkt proportional der Lageauflösung/quantisierung, aber umgekehrt proportional zur Abtastzeit, und genau dies ist das Problem. Es ist eine Gratwanderung zwischen der gewünschten Dynamik des Antriebes und dem begrenzenden Faktor des Quantisierungsrauschens der Ist-Geschwindigkeit. Daher ist diese Methode für präzise Regelaufgaben nur bedingt einsetzbar. Selbst hochpreisige, optische Inkrementalgeber mit zusätzlichen analogen Spursignalen in Kombination mit Linearantrieben stoßen bei höchsten Anforderungen an ihre Grenzen.

...zur Reduktion der Quantisierung

Um eine Beschleunigung zu messen wird ein Sensor eingesetzt, mit dem die Winkelgeschwindigkeit über die Integration der gemessenen Relativbeschleunigung bestimmt wird. Der große Vorteil hierbei ist, dass im Vergleich zur oben beschriebenen Differentiation die Abtastzeit proportional eingeht: Eine Verringerung der Abtastzeit bringt also eine höhere Dynamik, ohne dass sich das Quantisierungsrauschens der Geschwindigkeit erhöht.

Eine der Methoden zur Messung der Relativbeschleunigung, die bereits vor Jahrzehnten entdeckt wurde, erlebt seit einigen Jahren eine Renaissance durch den Beginn der industriellen Umsetzung: Die Messung einer Dreh- oder Linearbeschleunigung in Antrieben nach dem Ferrarisprinzip.

Der Aufbau eines Drehbeschleunigungssensors nach dem berührungslos messenden Ferrarisprinzip ähnelt dem einer Wirbelstrombremse: Bei rotativen Antrieben bewegt sich eine nicht magnetische und elektrisch leitfähige Scheibe (z.B. Aluminium, Messing oder Kupfer) im Luftspalt eines fest installierten Sensorkopfes. Dieser besteht aus Permanentmagneten zur Erzeugung des Erregerfeldes und den Messspulen, die bei einer Bewegung der Scheibe eine zur Relativbeschleunigung proportionale Spannung liefern. Das Erregerfeld durchdringt die Scheibe, durch eine Drehung werden Wirbelströme erzeugt, die dann ihrerseits ein von der Relativgeschwindigkeit abhängiges Magnetfeld erzeugen. Die dadurch in den Messspulen induzierte Spannung ist der Änderung des Magnetfeldes und damit auch der Relativbeschleunigung proportional. Die induzierte Spannung ist direkt abhängig von Parametern wie den Materialkonstanten, den Flächen der Messspulen, vor allem aber auch von der Dicke und der Leitfähigkeit der Scheibe. Da sich diese aufgrund der Wirbelstromverluste erwärmt, wirkt sich dieser Effekt besonders bei höheren Drehzahlen auf die induzierte Spannung aus, außerdem wird die Scheibe abgebremst. Probleme, die mit dieser Technik einhergehen sind die Einschränkung bei rotativen Antrieben auf Drehzahlen um die 1.000 U/min, die hohen Anforderungen an die Homogenität der Materialien sowie die Beeinflussung der Empfindlichkeit des Sensors durch Temperaturänderung.

Vorteile und Möglichkeiten

Auf den ersten Blick sehen die genannten Probleme für bestimmte Anwendungen sehr einschränkend aus, dem stehen aber deutliche Vorteile gegenüber, die im Wesentlichen aus der Verringerung der Quantisierung resultieren:

1) Minimaler Schleppfehler und Positioniersteifigkeit durch höhere Bandbreiten bei Drehzahl- und Lageregelung

2) Erhöhte Taktrate durch geringere Einschwingzeiten und Bedämpfung von mechanischen Resonanzeffekten

3) Höhere Prozessqualität durch Verbesserung der Geschwindigkeitskonstanz

4) Reduktion der Motorgeräusche (weniger hochfrequente Schwingungen)

Wichtig für die Anwendung ist, dass dieser Sensor, ebenso wie viele andere im hohen Präzisionsbereich auch, nicht im Solobetrieb arbeiten kann. Er benötigt ein zusätzliches Positionssignal, beispielsweise von einem Inkrementalgeber.

Die Einsatzmöglichkeiten von Servoreglern mit Ferrarissensoren sind vielfältig: Bei Linearmotorantrieben sind dies preiswerte Antriebsvarianten mit Low-Cost-Feedbacksystemen sowie Präzisionsantriebe mit hochwertigen Encodern. Aber auch rotative Direktantriebe und Antriebssysteme mit integrierter Messung der Lastbeschleunigung am Abtrieb sind möglich. Nicht zu vergessen die Möglichkeiten neuer Ansätze hinsichtlich mechatronischer Entwicklungen.

Resumée

Über das Prototypenstadium sind die Servoregler mit Ferrarissensoren bereits hinaus, fristen aber immer noch ein Nischendasein. Sie sind aber nicht, wie vielfach angenommen, eine Lieblingsbeschäftigung der Spezialisten, denn die möglichen Einsatzgebiete mit den genannten Vorteilen sind breit gefächert. Sie reichen von Bestückungsautomaten über Druckmaschinen und Roboter bis hin zu Werkzeugmaschinen. Auch wenn es noch einige Zeit bis zur Serienreife dauern wird, die Sensoren sind bereits verfügbar, der Markt ist vorhanden und die schon jetzt geforderten Genauigkeiten werden eher zu- als abnehmen. Inwieweit sich Unternehmen bereits Gedanken um Anwendungen mit Direktantrieben gemacht haben, zeigt Parker Hannifin, die schon jetzt ein breites Sortiment von Servo- und Torquemotoren für die Direktantriebstechnik bereithalten. Die angebotenen Compax3-Regler können ohne Option mit Linear-, Torquemotoren oder rotatorischen Synchronmotoren betrieben werde und auch die Ferrarissensoren haben ihre ersten Testphasen bereits hinter sich. Dr. Peter Stipp

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