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Servomotore und deren Ansteuerung (2)

aus RN-Wissen, der freien Wissensdatenbank

Hier ist ein Multi-Achs-Controller zur interpolierenden Bahn-Steuerung von (z.Z.) bis zu 8-Achsen entstanden, ich habe ihn RoBo-mac genannt.

Vom Roboternetz habe ich vieles gelernt, das in die Entwicklung eingeflossen ist; mit diesem Artikel möchte ich mich revanchieren. Er ergänzt den Artikel Stepmotore und deren Ansteuerung


Inhaltsverzeichnis

Vorwort Teil 2

Im Folgenden habe ich versucht, das zu Papier zu bringen, was mir f√ľr CNC & RoBo-mac wichtig erscheint. Sie werden hier keine Zeichnungen, Grafiken oder Kennlinien finden, weil Sie diese als "schon alles klar" √ľberlesen werden.

  • Nehmen Sie sich statt dessen Bleistift und Papier; malen Sie auf, was Sie gerade lesen und verstehen wollen.
  • Wenn Sie die Gedanken so nachvollziehen, "haben Sie gewonnen" !


Link zu Teil 1

Der Artikel besteht aus 2 Teilen weil er sonst zu gro√ü w√ľrde (meint ein freundlicher Lektor im Hintergrund) !!!


BLDC oder AC-Synchro

Servoantriebe mit Synchronmotor und Sinuskommutierung sind die Weiterentwicklung der BLDC.
Der Aufbau der Maschinen ist elektromagnetisch ähnlich, jedoch wird der Synchro konstruktiv so ausgelegt, daß das magnetische Drehfeld den Sinus-Verlauf möglichst gut abbildet, beim DLDC wird hingegen eher auf magnetischen Trapezverlauf optimiert. Ein BLDC kann als Synchronmotor, ein Synchronmotor jedoch nicht als BLDC betrieben werden, da die Positionsgeber (Hall-Generatoren) fehlen; BLDC neuester Technologie arbeiten jedoch bereits sensorlos, ausgewertet wird die Induktionsspannung der jeweils "nicht bestromten" Wicklung.

Der wesentliche Unterschied liegt in der Ansteuerung ‚Äď und die w√§chst zusammen. Die Drehzahl des BLDC wird √ľber die Spulenspannung gesteuert; wird diese per PWM getaktet, so liegt der Gedanke nahe, nicht Gleichspannungspakete zur 6-Schritt Trapezsteuerung zu verwenden, sondern per PWM eine sinoide Spannung an die Spule zu legen. Unter vergleichbaren Rahmenbedingungen, insbesondere der Erw√§rmung bietet die sinusbewertete PWM gegen√ľber einer 6-Schritt Trapezsteuerung ein etwa 4% h√∂heres Drehmoment.

Sinoide Pulsweiten-Modulation

Die Berechnung einer sinoiden Ansteuerung mittels PWM ist recht komplex, ich möchte die Zusammenhänge hier vereinfacht wiedergeben:

Werden 3 Spulen lediglich im "ein/aus" Betrieb geschaltet, so sind 2³ = 8 Schaltzustände darstellbar, hierbei "verboten" sind die Null-Vektoren: 0-0-0 und 1-1-1 (alle 3 Spulen gleichsinnig parallel). Verbleiben 6 Kombinationen.

Bezeichnet man die 3 Wicklungen mit L1/L2/L3, die jeweiligen Phasen-Schalter +/‚Äď so ergibt sich

0 60 120 180 240 300 360
L1 + 1 1 1 0 0 0
L1 ‚Äď 0 0 0 1 1 1
L2 + 1 0 0 0 1 1
L2 ‚Äď 0 1 1 1 0 0
L3 + 0 0 1 1 1 0
L3 ‚Äď 1 1 0 0 0 1
L1/2/3 + 1-1-0 1-0-0 1-0-1 0-0-1 0-1-1 0-1-0
L1/2/3 ‚Äď 0-0-1 0-1-1 0-1-0 1-1-0 1-0-0 1-0-1

Ich gebe gerne zu: Das LayOut dieser Tabelle entspricht nur fragmental dem Original, anschaulicher finden Sie diese unter RoBo-mac Servo-KnowHow


  • Im Unterschied zur zuvor besprochenen 6-Schritt Ansteuerung werden alle 3 Wicklungen √ľber 180 Grad mit 120 Grad Phasenversatz zyklisch bestromt; bei unbewerteter "ein/aus" Ansteuerung erhielten die beiden parallel geschalteten Wicklungen betragsm√§√üig 1/3 der Betriebsspannung, die verbleibende Wicklung 2/3. Der Strom w√ľrde sich 1 zu ¬Ĺ + ¬Ĺ aufteilen.
  • In dieser einf√ľhrenden √úberlegung werden die Phasen-Schalter noch nicht sinoid angesteuert, somit k√∂nnen keine kontinuierlichen Werte f√ľr Amplitude und Phasenlage des Spannungsraumzeigers erzeugt werden. Die vereinfachte Darstellung macht jedoch bereits deutlich, da√ü nicht nur je Phase ein sinusbewertetes "ein/aus" Signal per PWM getastet, sondern alle 3 Phasen unter Beachtung des Stromflusses harmonieren m√ľssen; jede Phase bestimmt die Durchflutung der beiden anderen mit!


Ein konventionell 3-phasig bestromter AC Motor durchl√§uft kontinuierliche Sinusschwingungen mit einem Phasenversatz von 120¬į je Spule. In Sternschaltung stellt sich beim Betrieb am 380/400V Drehstrom-Netz je Spule eine Spannung von 220/230V ein. Selbst wenn der Sternpunkt nicht an Masse liegt, so betr√§gt die Spannung am Sternpunkt (Symmetrie vorausgesetzt) gegen√ľber der Systemmasse/Schutz-Erde "0 Volt" (Null).
Die Symmetrie ist in der Praxis nicht 100%-ig gegeben, so daß gemäß VDE der Stern-Mittelpunkt (meist MP genannt) mit "Masse/Erde" verbunden wird, aus der Un-Symmetrie fließen geringe "Ausgleichsströme".

Wesentliche Erkenntnis:

Der Sternpunkt einer AC-Maschine wird im symmetrischen Drehstromnetz zum virtuellen Nullpunkt. Wird der Sternpunkt mit Masse/Erde verbunden, so flie√üt in der Theorie (Symmetrie vorausgesetzt) kein Strom. Das hei√ü aber auch: "Was in die eine Spule hinein flie√üt, mu√ü √ľber die beiden anderen hinaus flie√üen". Beim echten Sinus ergibt sich dies aus dem Phasenversatz von 120¬į, diese Physik gilt nat√ľrlich auch f√ľr eine sinuide PWM!
Die Block-Grafik macht deutlich, daß bei sinuider Ansteuerung ein Drehfeld nur dann entsteht, wenn das PWM-Taktverhältnis der 3 Phasen exakt aufeinander abgestimmt ist und der Sternpunkt so zum virtuellen Nullpunkt wird. Die erforderliche Vektorrechnung ist erheblich, sie wird mit hoher Qualität erst mit 16-Bit Prozessoren "On-Line" möglich. Die Theorie dieser Mathematik erläutert Bassel Sahhary in seiner Dissertation: http://opus.unibw-hamburg.de/opus/volltexte/2009/1904/pdf/2009_Sahhary.pdf Seite 40 ff.
Zitat:
Ein Wechselrichter ist ein Stellglied, das gepulste dreiphasige Spannungen mit vorgegebenem Betrag, vorgegebener Frequenz sowie erforderlichem Phasenwinkel an die Maschinenklemmen anlegt. ‚Ķ Entscheidend ist, da√ü das Stellglied keine kontinuierlich verstellbare Stellgr√∂√üe, d.h. keine kontinuierlichen Werte f√ľr die Amplitude und die Phasenlage des Spannungsraumzeigers, erzeugen kann. Der gew√ľnschte kontinuierliche Verlauf des Sollraumzeigers mu√ü daher durch eine Pulsweitenmodulation angen√§hert werden. Dies hat zur Folge, da√ü bei einer gew√ľnschten Lage des Raumzeigers z.B. zwischen 1 U und 2 U , die Raumzeiger 1 U , 2 U und 7 U oder 8 U nacheinander eingeschaltet werden, so da√ü sich nur im zeitlichen Mittel der Sollraumzeiger nach Betrag und Phase ergibt.


Drehwertgeber

Das Wort "wert" ist mit Bedacht gewählt. Die ersten Servo-Verstärker/Controller konnten zunächst nur Geschwindigkeiten regeln, als Drehwertgeber fungierte ein auf der Antriebswelle sitzender (analog) Tachogenerator. Um nicht nur Geschwindigkeit, sondern auch Positionierung regeln zu können, entwickelten sich elektrische und magnetische Impulsgeber (Neu-Deutsch: Encoder), deren Ausgangssignal auf einen Zähler gegeben wird.

Encoder und Gray-Code

Der Encoder ist ein hochpräzises (meist) opto-mechanisches Bauteil, das eine Drehwinkelauflösung im Bereich von 1 Grad bis hin zu einigen Winkelsekunden ermöglicht. Letztere tasten die Ist-Position z.B. eines Drehtisches ab, Encoder mit einer Auflösung um 1.000 bis 3.000 Impulsen pro Umdrehung sitzen meist auf der Motorwelle.

Bei der "normalen" Bin√§r-Codierung √§ndern sich je Z√§hlschritt theoretisch mehrere Bits zeitgleich, Laufzeitfehler k√∂nnen bei der Parallel-Daten√ľbertragung jedoch dazu f√ľhren, da√ü sich eben nicht alle Bits absolut zeitgleich √§ndern und Kipp-Zust√§nde so fehlinterpretiert werden. Frank Gray entwickelte Mitte der 1950-iger Jahre einen Code, der mit nur einer einzigen Bit-√Ąnderung auskommt. Der Gray-Code ben√∂tigt zwar mehr Bits als der Bin√§r-Code, ist jedoch √ľbertragungstechnisch deutlich sicherer.

Increment-Encoder

tasten eine Strich-Scheibe im Durchlicht oder Reflexionsverfahren ab und erzeugen ein vom absoluten Drehwinkel unabh√§ngiges Taktsignal. Der klassische Increment-Encoder hat 2 Ausg√§nge, die ein um 90 Grad versetztes Signal (Sin/Cos) abgeben; nach Triggerung entsteht hieraus ein 2-Bit Rechtecksignal im Gray-Code, da√ü in einer Z√§hl-Elektronik ausgewertet werden mu√ü. Wird von diesem Gray-Code die steigende und die fallende Flanke bewertet, so vervierfacht sich die Aufl√∂sung der Strich-Scheibe ‚Äď und die Drehrichtung kann abgeleitet werden!

Absolutwert-Encoder

geben den aktuellen Drehwinkel (im Gray Code) an, so da√ü nach Betriebsst√∂rung die Maschinenposition direkt, ohne Referenzfahrt auslesbar ist. Aufgel√∂st wird eine volle Umdrehung, die Anzahl der Umdrehungen wird √ľber eine Referenzmarke abgetastet und im Controller gespeichert. Herstellung und Auslesen der Absolutwert-Encoder-Scheibe sind aufwendiger als beim Increment-Encoder. Fehler der Daten√ľbertragung addieren sich hingegen nicht, da jede Position f√ľr sich erneut ausgelesen wird. Der Winkelwert wird parallel oder per BUS √ľbertragen.


Servo-Verstärker/Controller

Die Begriffe Servo-Verst√§rker und Servo-Controller sind nicht klar von einander abgegrenzt. Meist wird unter Servo-Verst√§rker das eigentliche Leistungsteil verstanden, da√ü au√üer Kurzschlu√ü√ľberwachung keine wesentlichen intelligenten Funktionen beinhaltet, sondern lediglich die im Controller errechneten Vorgaben verst√§rkt. Controller kann ein PC, eine SPS bzw. PLC sein. Mitunter bilden SPS/PLC und Servo-Verst√§rker eine Baueinheit, die ebenfalls als Servo-Controller oder auch Servo-Driver bezeichnet wird. Diese Einheit erh√§lt dann die Soll-Bewegung aus dem PC ‚Äď oder einer √ľbergeordneten SPS/PLC.

Servo-Driver (o.g. Definition) unterscheiden sich im Leistungsteil nach dem anzusteuernden Motor, reglungstechnisch sind sie ähnlich; hier arbeitet eine Vielzahl von Funktionen aus mehreren Reglerblöcken zusammen:

  • Eine √ľbergeordnete Steuerung bestimmt die neue Soll-Position.
  • Soll-Position und Ist-Position der Achse bestimmen Drehrichtung und Nachf√ľhrwinkel des Motors.
  • Aus der Ist-Winkeldifferenz wird gleitend die Soll- Geschwindigkeit berechnet.
  • Unter Beachtung der max. Soll-Beschleunigung bestimmen Nachf√ľhrwinkel, Ist-Geschwindigkeit und Soll-Geschwindigkeit das erforderliche Soll-Drehmoment.
  • Entsprechend der Motorkennlinie wird f√ľr DC-Motore hieraus der Motorstrom bzw. die treibende Spannung errechnet, f√ľr AC-Motore die Frequenz des Drehfeldes.
  • Unterschiedliche mechanische Belastung / Lastwechsel lassen Soll-Drehmoment und Ist-Drehmoment von einander abweichen und beeinflussen so die angestrebte Ist-Geschwindigkeit.
  • Wird eine Bahn-Bewegung aus mehreren Achsen √ľberlagert, so melden die einzelnen Achs-Regler die Soll-Ist Abweichung Ihrer Achse dem √ľbergeordneten System. Dieses berechnet ggf. neue Soll-Werte zur Sicherstellung der Bahnkurve
  • Der Regelkreis schlie√üt sich.

Motor, Encoder, Servo-Verst√§rker und Controller bilden einen Regelkreis, meist einen PID-Regler. Dieser schwingt per Definition, denn er holt seinen Nachstellwert aus der Regelabweichung ‚Äď und gibt dem Servo-Techniker sein "T√§glich Brot"!

Die Hardware Kosten eines Servo-Antriebs liegen deutlich √ľber denen leistungsgleicher Schritt-Motor Systeme und k√∂nnen schnell einige 1.000,- Eu je Achse erreichen.


Analoge Servo-Verstärker

Der klassische Servo-Verst√§rker war zun√§chst ein "diskret" (aus einzelnen Transistoren) aufgebauter, galvanisch gekoppelter Gleichstromverst√§rker. Mit fortschreitender Produktionstechnologie der Halbleiter-Industrie konnte Ende der 1960iger Jahre eine "verschwenderische Anzahl von Transistoren" zu einem Operationsverst√§rker zusammengefa√üt und auf einem IC integriert werden. Clou der OP-Verst√§rker Technologie war, da√ü bei baugleicher Hard-Ware des ICs eine Vielzahl unterschiedlicher Funktionen (Operations) einzig und allein durch √§u√üere Beschaltung mit wenigen passiven Bauteilen (Kondensator / Widerstand) realisierbar wurde. Der St√ľckzahleffekt dieser Technologie machte den Regler-Teil des Servo-Verst√§rkers "bezahlbar". Problematisch blieb der Leistungsteil und seine erheblichen W√§rmeverluste aus den "L√§ngs-Regler Transistoren" ‚Äď sie verheizten den Teil der Energie, der bewegungsdynamisch nicht ben√∂tigt wurde!

Der zugeh√∂rige Servo-Motor war dementsprechend zun√§chst ein klassischer Gleichstrommotor. Nat√ľrlich l√§√üt sich mit 3 L√§ngs-Regler Strecken auch ein elektromagnetisches Drehfeld erzeugen; Operationsverst√§rker wurden als Frequenzgenerator und Phasenschieber beschaltet, der Einsatz von AC-Synchros wurde so ebenfalls m√∂glich.

Operationsverst√§rker dieser Zeit arbeiteten mit positiver/negativer Spannung gegen Masse. Hieraus geblieben ist, da√ü die Soll-Wert Ansteuerung meist +/‚Äď 10 Volt betr√§gt, wobei das Vorzeichen die Drehrichtung bestimmt.


Pulsweiten-Modulation

Einen ersten Schritt in Richtung digital stellt die Pulsweiten-Modulation (PWM) dar, die digital einen quasi-Analogwert erzeugt. Bei konstanter Frequenz bzw. Periodendauer wird das Puls-Pause Verh√§ltnis (ein/aus) variiert. Liegt das Tastverh√§ltnis bei 1:1 so stellt sich an einem Integrator die halbe Eingangsspannung als Ausgangsspannung ein, bei √Ąnderung des Tastverh√§ltnisses erh√∂ht bzw. reduziert sich die Ausgangsspannung des Integrators. √úblicherweise wird f√ľr die PWM nicht das Puls-Pause, sondern das Puls-Periode Verh√§ltnis angegeben, das die H√∂he des (√ľber einige Perioden) integrierten Ausgangswertes im Verh√§ltnis zum Eingangswert direkt angibt.

PWM - Signal√ľbertragung

Mit der PWM ließen sich per OP sogar sinusbewertete Spannungen am Integratorausgang erzeugen - vorausgesetzt die Steuer-Frequenz beträgt ein mehrfaches (min ca. Faktor 10) der zu erzeugenden Nutz-Frequenz.

Zur Modulation verglich in seiner analogen Bl√ľtezeit ein mit Recht so beliebter Operationsverst√§rker in Komparatorschaltung ein Dreieck- oder S√§gezahn Signal (der Steuer-Frequenz) mit dem zu √ľbertragenden Nutzsignal, Ehrensache, auch das Sinus- und S√§gezahn-Signal wurde von einem OP erzeugt!

PWM - Leistungssteuerung

Nochmals: Problematisch blieb in Analog-Zeiten der Leistungsteil mit seinen erheblichen W√§rmeverlusten aus den "L√§ngs-Regler Transistoren" (regelbaren Vor-Widerst√§nden) ‚Äď sie verheizten √ľber riesige K√ľhlk√∂rper den Teil der Energie, der bewegungsdynamisch nicht ben√∂tigt wurde! Es lag nahe, auch hier die PWM zu nutzen.

Dem Vorteil des Verfahrens, nahezu verlustfrei aus einer Spannung eine andere zu erzeugen steht der gravierende Nachteil gegen√ľber, da√ü ein Rechtecksignal (nach Fourier) eine nahezu unendliche Anzahl von Oberwellen beinhaltet - und die fungieren als (St√∂r-)Sender!


Digitale Servo-Controller & DSP

Die √úberg√§nge vom analogen zum digitalen System liefen also flie√üend. Operationsverst√§rker und Digitale Z√§hlerbausteine erhielten technologisch Konkurrenz vom Microcontoller. Vor allem W√§rmeeffekte, die den OP driften lassen, f√ľhren dazu, da√ü das Regler-Ergebnis analoger Reglungen nur in Grenzen temperaturstabil l√§uft.

  • DSP steht f√ľr "Digitaler Signal Proze√ü"
    ein Main Stream Begriff mit dem sich HiFi Anlagen und Video-Recorder gleicherma√üen br√ľsten, nun also auch die Digitalen Servo-Controller! Es gilt individuell zu pr√ľfen, ob da, "wo DSP draufsteht auch DSP drin ist"! Und vor allem was an DSP drin ist.


Digitaler Leistungsteil

F√ľr den Leistungsteil ist physikalisch die PWM das Verfahren der ersten Wahl. Pulsweiten-Modulation taktet bei Wechselstrom-Systemen das Quasi-Sinus Drehfeld, bei Gleichstrom-Systemen die H-Br√ľcke. Bei Ann√§herung an den zu erwartenden Null-Wert wird die Br√ľcken-Spannung (und hiermit die Drehzahl) reduziert, um ein "Tanzen" bei Erreichen des Null-Wertes zu unterdr√ľcken. Als Schaltelement werden vorzugsweise MOSFET oder IGBT (eine technologische Weiterentwicklung mit der Schalttechnologie des Bipolaren Transistors), eingesetzt.

Nicht alle Motore (ob Gleich- oder Wechselstrom) sind jedoch f√ľr das Takten geeignet. Wird eine Induktivit√§t abgeschaltet, so entsteht an ihr eine Spannung. Diese kann nicht nur die Leistungselektronik zerst√∂ren, sondern auch den Motor selbst, wenn der mechanische Windungsaufbau - schwerpunktm√§√üig Isolation und innere Stabilit√§t - f√ľr ein Takten nicht geeignet ist. Werden √§ltere Motore an modernen Digital Reglern betrieben, so kann eine in Reihe geschaltete Induktivit√§t (sog. Sinus-Drossel) den Motor entlasten. Nur steigt hierbei die Blindstrom Komponente und der Aufwand der erforderlichen Kompensation.

Behauptet wird (von einigen Herstellern), daß eine DSP-PWM o.g. Probleme mit Harmonischen bzw. Oberwellen aus der Taktung reduziere. Bewertet wird hierbei das induktive Verhalten des Verbrauchers, sodaß bereits nach der 2. Periode eine deutlich "sinoidere" Ansteuerung errechnet werden soll als ohne DSP!


Digitale Eingangs- und Reglerstufe

Die fr√ľhen digitalen Regler arbeiteten f√ľr die Soll-Wertvorgabe ebenfalls mit der Pulsweiten-Modulation; diese wird zunehmend von einer Technologie verdr√§ngt, die sich in der Schrittmotor Technologie parallel entwickelt hat: Das Takt/Richtungssignal, im englischen abgek√ľrzt mit PUL/DIR (Puls/Direction).

Naturgem√§√ü ist es technologisch naheliegend, die Z√§hlergebnise von Soll- und Ist-Wert direkt im Microprozessor zu berechnen und nicht den Umweg eines per PWM √ľbertragenen Analogwertes einzuschlagen; dieser mu√ü zuvor zur Weiterberechnung digitalisiert werden. Auch diese modernere PUL/DIR Ansteuerung wird als DSP propagiert.


Weblinks

All dies muß getestet werden, ich habe hierzu OKTAVIAX, den Acht-Achser entwickelt; unter

 http://www.youtube.com/watch?v=TT344LsOnuY 

macht er ein Tänzchen (Bitte Lautsprecher einschalten).


Dieser Artikel ist ein (produkt-neutraler) Auszug aus dem Manual CNC & RoBo-mac, einem Multi-Achs-Controller f√ľr (z.Z.) bis zu 8 Achsen. Mehr dazu unter


NLB

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