Servo-Antriebe - eal.ei.tum.de · Electric Drives Field S y s te m m o d e lin g ... - Spannungszwischenkreisumrichter (VSI) ... TI, Hitachi , dSPACE, Arm are the

Servo-AntriebeProf. Dr.-Ing. Ralph M. Kennel

Elektrische Antriebessysteme und Leistungselektronik

Technische Universität München

Prof. Dr. -Ing. J. M. Pacas, Universität Siegen

Prof. Dr. -Ing. R. M. Kennel, Technische Universität München

Electric Drives Field

System

modeling

Power

electronics

Real time

signal

processing

Grid

interfrence

SensorsControl

theory

Electrical

machines

Electric

drives

• A complex, multydisclipnery

• Fully digital controlled mature technology

It is also a very competitive

and attractive research field in

the academia and in the

industry

An in-depth knowledge of

devices is essential to make

the equipment design

reliable, efficient, and cost

effective

TUM, Germany, 2014 by m.dal 2

Inhalt

Einführung

- Anwendungen

- Anforderungen

- Stand der Technik (allgemein)

Anwendungen

• Werkzeugmaschinen

• Produktionsmaschinen:

– „Pick and Place“-Maschinen

– Verarbeitung, Bearbeitung und Transport von Materialien

– Drucken, Schneiden, Falzen

– Textilmaschinen

– Roboter

• Medizintechnik

Chirurgische Werkzeuge und Operationsroboter

• Automobil- und Flugzeugtechnik ……



Druckmaschinen

Werkzeugmaschinen

Vorschubantriebe

regeln die Position

zwischen Werkstück

und Werkzeug

Hauptantriebe

bringen die für den Prozess

notwendige Leistung auf

Werkzeugmaschine



Konfigurationen

2-Achs-Anwendungen

1-Achs-

Anwendungen

3-Achs-Anwendungen



Hochgeschwindigkeitsbearbeitung

MIKRON HSM 400U Technische Daten

• Arbeitsbereiche– Längsbewegung X [mm] 400

– Querbewegung Y [mm] 240

– Senkrechtbewegung Z [mm] 350

• Hochfrequenzspindel– Drehzahl/Leistung 40% ED [min-1/kW]

30'000/12 - HSK E 40

– Drehzahl/Leistung 40% ED [min-1/kW] 42'000/13 - HSK E 40

– Drehzahl/Leistung 40% ED [min-1/kW] 54'000/8.5 - HSK E 32

• Vorschubgeschwindigkeit [m/min] 40

• Achsenbeschleunigung XYZ [m/s²] 17

• Steuerung Heidenhain iTNC 530

• Arbeitstisch– Rundtisch [Ø mm] 156 (Macro Magnum)

– Tischbelastung [kg] 25



TriCenter DMT 100

Deckel Maho

Parallelkinematik



Grundfunktionen

auf Anschlag positionierenPositionieren

Vorschub(bewegungen)Formateinstellung

Dosieren Schneiden, Falten, Abkanten



elementare Fertigungsschritte

Sortieren Verpacken

Montieren Beladen, Entladen Palettieren

Bedrucken, Stempeln,

Kleben, Löten,

Schrauben, Stecken



Stand der Technik: Mechanische Kopplung

SpindelZahnstange / Ritzel Zahnriemen

Getriebe Kette





allgemeine Anforderungen

an Servoantriebe

• modularer Aufbau und passendes mechanisches Design

• brauchbare Verkabelung

• passende Schnittstellen zum Bediener und/oder zur übergeordneten Steuerung

• Erfüllung von Sicherheitsbestimmungen

• minimaler Einfluss auf die Umgebung bzw. Umwelt

• wettbewerbsfähige Kosten

• Realisierung von vorgegebenen Drehmomentverläufen, Drehzahlprofilen und/oder Bahnkurven in industriellen Prozessen

• hohe Dynamik in allen Regelkreisen

• hohes Verhältnis Maximaldrehmoment /Trägheitsmoment

• volles Drehmoment im Stillstand

Stand der Technik

Geschwindigkeit:

Drehmoment:

– Stillstand und sehr kleine Frequenzen (2p/Woche) möglich

– HSC (High Speed Cutting) bis 60.000 min-1

– hohe Dynamik in weiten Grenzen einstellbar

– Einschwingzeit des Drehmoments im Bereich 100 µs

– Getriebelose Direktantriebe



Vorschub-

Antriebe

Achs-

Spindel-

Antrieb

Haupt-

günstiger

Wirkungsgrad

geringer

Raumbedarf

gute

Gleichlauf-

eigenschaften

4-Quadranten-

Betrieb

hohes Spitzendrehmoment

konstantes

Maximaldrehmoment

Drehzahlen bis 10.000 Upm

Leistungen bis 20 kW

hohes Dauerdrehmoment

konstante Maximalleistung

Drehzahlen bis > 20.000 Upm

Leistungen bis 100 kW

Merkmale von Servoantrieben

konventioneller (Drehmoment-)Verstärker



meist analoge Elektronik

übergeordnete Regelung in SPS, NC oder RC

keine "Intelligenz" im Antrieb

niedrige Kosten

konventioneller drehzahlveränderbarer Servoantrieb



digitale Drehzahlregelung

Lageregelung in NC oder RC

typische Struktur in Industrieantrieben

für die allgemeine Automatisierungstechnik

herkömmliche vs. moderne Servos

• vorwiegend mit BLDC Motoren

aber auch mit DC-Motoren

ausgeführt

• analoge Steuerungselektronik

und analoge Schnittstellen

• "Verstärker" oder

drehzahlgeregelte Antriebe ohne

"motion control"-Funktionen

• umrichtergespeiste permanent erregte Synchronmaschinen

• digitale Regelung und Steuerung

• hochauflösende Lagesensoren

• erweiterte "motion control"-Funktionen

moderne Servosherkömmliche Servos



Inhalt

Einführung

Servo-Motoren- Motortypen

- Eigenschaften vom Servomotoren

- Historie

- Auslegungskriterien

Aktoren

Regelungsstruktur von Servo-Antrieben

- --

Drehzahl-regelung

Drehmoment-/StromRegelung

M3~

i

Lageregelung

Lagegeber

Tacho

Kommutierungssignale

s*

s

n* i*

n

MotorUmrichter

Gleichstrom- (DC-) Servoantriebe

Pancake-Servo

BaumüllerDC-Servo

Maxon

DC-Servo

Maxon



Elektrochemische Motoren Elektromagnetische Motoren Motoren mit mechanischer Kraftübertragung

bürstenbehaftete Motoren bürstenlose Motoren piezoelektrische Motoren

Unipolar-

motoren Gleichstrom-

motoren

Drehfeld-

motorenasynchron

Feldwicklung Magnete

(Reihen-)

Haupt-

schluss

synchron Wanderwellen-

motoren

Ultraschall-

motoren

Schleifring-

läufer

Neben-schluss Käfigläufer

mit Feld-

wicklung

Permanent-

magnet

Transversal-

fluss

Reluktanz

Doppel-

schluss

frequenz-

gesteuert

feld-

orientiert

Synchron-

Reluktanz

Geschaltete

Reluktanz

Schritt-

motoren

trapezförmige

EMK

sinusförmige

EMK

„vergrabene Magnete“ Oberflächenmagnete

sehr große Vielfalt ans Ausführungsformen!

Gleichstrom- und Drehstrommaschinen

Gleichstrom-

maschineAsynchron-

maschine

EC Motor/BLDC Motor

Synchronmaschine

Drehmoment- und Leistungsverlauf von elektrischen Maschinen

TTr

Pr

nr nmax

T

nr nmax

DC SM ASM

Vorteile

Nachteile

einfache Regelung

Innenbelüftung

einfach zu realisieren

hohe Schutzart

geringer Raumbedarf

Wartungsfreiheit

niedriges

Eigenträgheitsmoment

hohes Stillstands-

Drehmoment

hohe Dynamik

- Verlustleistung

im Stator

hohe Schutzart

Wartungsfreiheit

hohe Überlastbarkeit

niedrige Kosten

hohes Stillstands-

Drehmoment

großer

Drehzahlstellbereich

niedrige Schutzart

mechanischer

Verschleiß

(Bürsten, Kollektor)

Strombegrenzung

Stillstand

(Kollektor-Lamellen)

hohe Drehzahl

(Kommutierung)

max. Klemmen-

spannung von 200 V

(Trafo notwendig)

Verlustleistung im Rotor

(heiße Welle)

hohe Kosten

eingeschränkter

Drehzahlbereich

eingeschränkte

Überlastbarkeit

(Entmagnetisierungsgefahr)

Oberschwingungsverluste

vorwiegend im Rotor

(Wärmeentwicklung)

hohes Trägheitsmoment

Feldstrom erforderlich

(Verluste, Bauvolumen,

größerer Umrichter)

spezielle Asynchron-

maschine bei großem

Feldschwächbereich

komplexe Regelung

parameterabhängige

Regelung

Vergleich von verschiedenen elektrischen Maschinen

bürstenlose Servomotoren

• Synchronmotoren

mit Block-Kommutierung (Brush-Less-DC)

mit Sinus-Kommutierung

• Asynchronmotoren

Block-Kommutierung (Brush-Less-DC)

el

el

el

iUuU

iVuV

iWuW

U1

U2

V1V2

W1

W2

N

S

U1

U2

V1V2

W1

W2

N

S

t1

t1 t2

t2

uU

uV

uW

iU

iV

iW

„Sinus“-Kommutierung

el

el

el

iUuiU

iVuiV

iWuiW

U1

U2

V1V2

W1

W2

N

S

U1

U2

V1V2

W1

W2

N

S

t1

t1 t2

t2

uU

uV

uW

iU

iV

iW

ECbrushless

DC

SMSynchron-

motor

ASMAsynchron-

motor

SM SM

ASM

?

?

DC

1970 ff. 1980 ff. 1990 ff.

Historie : Motorarten (-typen) in Servoantrieben

Synchronmotor

mit oberflächenmontierten Permanentmagneten



Auslegungskriterien für Servomotoren

• Drehmoment– Dauermoment, Stillstandmoment

– Überlastverhalten

(bei Servoantrieben liegt das Verhältnis

Dauer-Drehmoment zu Maximal-Drehmoment

zwischen 1:3 und 1:6)

– das Maximal-Drehmoment bestimmt die Baugröße !!!

• Drehzahl– Stellbereich (Maximal-Drehzahl)

– Rundlaufeigenschaften bei kleinen Drehzahlen

– Leistungssteigerung über Drehzahlerhöhung möglich

(ohne Vergrößerung des Motors !)

Direkt- und Linearantriebe

Direktantriebe

Linearantriebe

Motoren für Direktantriebe



“Metamorphose” des Linearmotors

Quelle: Brückner

source:

Brückner

Linear Motors

• encapsulated (IP65)

• rated force: 790N to 6600N

(with water cooling)

• maximum force:

1720N to 14500N

• maximum velocity :

95m/min

• encapsulated (IP65) • rated force: 200N to 8100N

(with water cooling)

• maximum force:

550N to 20700N

• maximum velocity :

370m/min

1FN1 Siemens

1FN3 Siemens



Vor- und Nachteile von Linearmotoren

Vorteile

• direkte Kraftübertragung

ohne zusätzliche

mechanische Komponenten

• geringerer mechanischer

Verschleiß

• sehr gute Dynamik

• gute Positioniergenauigkeit

Nachteile

• deutlich höhere Kosten

• höhere thermische Verluste

• kostenintensive

Wegmesssysteme

• begrenzte Vorschubkräfte

• große Vertikalkräfte



Inhalt

Einführung

Servo-Motoren

Leistungselektronik

(Umrichter, Verstärker) - Spannungszwischenkreisumrichter (VSI)

- Modularkonzept

- Spannungsversorgung für Elektronik

Stromrichter - Leistungselektronik

- --

Drehzahl-regelung


M3~

i

Lageregelung

Lagegeber

Tacho


s*

s

n* i*

n

MotorUmrichter

Umrichter für ServoantriebeStand der Technik

• konventioneller 3-phasiger

Spannungszwischenkreis-Umrichter (VSI)

• konstante Zwischenkreisspannung

• IGBTs als Leistungshalbleiter

• Netzeinspeisung über

ungesteuerte Diodenbrücken

vollgesteuerte/geregelte Netzgleichrichter

Stand der Technik - Modularkonzept

DC Zwischenkreis

• gemeinsamer Zwischenkreis

mehrere Achsen

• geregelte

Zwischenkreisspannung

engere Toleranzen

auf der Motorseite

• Rückspeisefähigkeit

bei höheren Leistungen

• netzseitig

vollgesteuerter/geregelter

Wechselrichter

Energie-Rückspeisung

(4-Quadranten-Betrieb)

Einstellung des

Leistungsfaktors (PFC)

Reduktion der

Netzrückwirkungen

Auslegungskriterien für Umrichter

• Strom– Dauerstrom (Achtung bei sinusförmigem Strom im Stillstand !)

– Überlastverhalten

(wegen der sehr kleinen Zeitkonstanten von Umrichtern

sind Dauer-Strom und Maximal-Strom in der Regel identisch)

– der Maximal-Strom bestimmt die Baugröße !!!

(bei Spannungszwischenkreis-Umrichtern ist dieser

proportional zur Maximal-Leistung)

• Spannung– bei Spannungszwischenkreis-Umrichtern

meist durch die Netzspannung festgelegt

DC Zwischenkreis

WR

L1

L2

L3

==

=

= DC-Zwischenkreis

Elektronik-Versorgung1~

=

auch bei 4-Quadranten-Einspeisung notwendig(zum Abbremsen der Anlage bei Netzausfall)



Elektronikversorgung

• häufig wird das Netzteil der Elektronik

aus dem Zwischenkreis versorgt

bei Netzausfall bleibt die Elektronik auch ohne Netz

in Betrieb, bis der letzte Antrieb stillgesetzt ist

• bestimmte Anwendungen erfordern

eine funktionsfähige Elektronik vor (evtl. auch nach)

der Zuschaltung des Hauptschalters

redundante Netzteile erforderlich

Inhalt

Einführung

Servo-Motoren

Umrichter (Verstärker)

Servoantriebs-Regelung- Kaskadenregelung

- Servoantriebs-Regelung

- Synchronisierung der Regler

Grundstruktur der Antriebsregelung

- --

Drehzahl-regelung


M3~

i

Lageregelung

Lagegeber

Tacho


s*

s

n* i*

n

Kaskadenregelung mit 3 Regelkreisen

MotorUmrichter

(well-known) DC Drive Control

- -

Drehzahl-Regler

Ankerstrom-Regler

DC

i

Tacho

Steuersatz

n* i*

tacho generator

-

Feldschwächung

- -

-

M-Regler Strom-Regler

Feld-Regler

Ma-schinen-modell

ej

e-j

e-j

M3~

i

u

Encoder

n* i*q

i*d*

für Asynchron-

maschinen

für Synchron-

maschinen

Feldorientierte RegelungDrehzahl-

regler

Synchronized Digital Controllers

constant speed 10 m/min without synchronization

constant speed 10 m/min with synchronization

Source: NC-Fertigung (magazine), vol. 2/93, page 55

large noise amplitude

Modern Digital Drive Controllers DSPs and FPGAs

Digital motion controllers mostly use compact microcontrollers as the

brain of the drive control hardware

DSP offers the performance and flexibility to implement advanced

control algorithms

• Position trajectories for multi-axis systems

• The real time generation of complex velocity profiles

The resulting design of the control hardware is simple,

more flexible and more reliable.

TI, Hitachi , dSPACE, Arm are the manifactures

• Control applications are a very fertile area for University activities:

robotics, mechatronics, electric drives, power conversion, renewable

energy, Class D Audio Amplifiers


1) The TI TMS320C24x Family

TMS320F240 Evaluation board



2) 56F8013 DSP Key Features

• 56800E 32MHz/32MIPS DSP+MCU

• 16K byte program flash

• 4K byte data/program RAM

• Programmable “Code Protection”

• EEPROM emulation

• Up to 96MHz PWM clock

• Up to 96 MHz timer, 12 operating mode

• Two ADC per Module, 12-bitresolution

• ADC internally synchronized to PWM reload

event

• Up to 26 GPIO

• I2C ,SPI ,SCI interface


3) STM32 DSP


4) FPGAs

A field-programmable gate array (FPGA) is an integrated

circuit designed to be configured by a customer or a

designer after manufacturing—hence "field-

programmable". The FPGA configuration is

generally specified using

a hardware description

language (HDL), similar to that

used for an application-specific

integrated circuit (ASIC) (circuit

diagrams were previously used

to specify the configuration, as

they were for ASICs, but this is

increasingly rare).


http://en.wikipedia.org/wiki/File:Altera_StratixIVGX_FPGA.jpg

http://en.wikipedia.org/wiki/File:Altera_StratixIVGX_FPGA.jpg

http://en.wikipedia.org/wiki/Integrated_circuit

http://en.wikipedia.org/wiki/Field-programmable

http://en.wikipedia.org/wiki/Hardware_description_language

http://en.wikipedia.org/wiki/Application-specific_integrated_circuit

http://en.wikipedia.org/wiki/Circuit_diagram

Rapid prototyping tools for software

Recent developments in the area of rapid prototyping tools for software have brought about a new paradigm in the development of control systems ([1],[2]).

• In the industrial sector, these tools have enabled developers to quickly and easily design, simulate, and deploy complex real-time control systems

• Rapid prototyping tools provide a seamless transition fromsystem design to implementation, and therefore can be employed to bridge the gap between theory and practice in teaching control system courses

[1] Yan, Y. and R. Zane (2004). Digital controller design for electronic ballasts with phase control. IEEE 35th

Annual

Power Electronics Specialists Conference, vol. 3, pp. 1855-1860.

[2] Uran, S., D. Hercog, and K. Jezernik (2004). Experimental control learning based on DSP2 learning module.

2004

IEEE International Conference on Industrial Technology, vol. 1, pp. 310-315.TUM, Germany, 2014 by m.dal 61

Commercial Rapid Prototyping

Systems


DSP-2 control board/

DSP-2 Simulink Lib,

Therminal

dSPACE control /

Controldesk

Simulink for Model-Based

Design

Real Time Digital Simulators for Hardware in the Loop (HiL) system


Typical Fields of Application

• Engine, powertrain, and

chassis.

• Comprehensive closed-loop

tests on ECUs,

release/acceptance tests

• Networked ECUs

• Special requirements, e.g.,

with high system flexibility, or

high current applications

• Truck applications

• Racing applications (Formula

One, rally)


Real Time Digital simulators for HiL system

• Design and Test Protection

• Equipment, Relays and Power Electronic

Controllers

• Hardware-in-the-Loop Solutions for Generation,

Transmission and Distribution Systems Study

and Test

Real Time Digital simulators for HiL

system


Inhalt

Einführung

Servo-Motoren


Servoantriebs-Regelung

Drehzahl- und Positionsgeber - Gebertechnologien

- Genauigkeit und auflösung

- Anforderungen in

digital geregelten Servoantrieben

mögliche Anordnungen des Lage-/Drehzahlgebers

Linear-Maßstäbe

Vorteile• exakte/direkte Messung

• geringe Verfälschung

Nachteile• hohe Kosten

• geringe Robustheit



Quelle : Heidenhain

Drehgeber

Quelle : ERN-Geber, Heidenhain

Vorteile• niedrige Kosten

• hohe Genauigkeitdurch Getriebeuntersetzung

Nachteile• Elastizitäten

und Getriebelose



Inkrementalgeber(mit rechteckförmigen Signalen)

Spur A

Spur B

4-fachAuswertung

Null-Impuls

LogikSpur B

Spur A

Drehrichtung

360°/p

4-fachAuswertung



Kaskadenregelung (mit 3 Regelkreisen)

- --

Drehzahl-regelung


M3~

i

Lageregelung

Lagegeber

Tacho


s*

s

n* i*

n

3 Regelkreise 3 Messsysteme

Feedback SensorsState of the Art

• current sensors

Hall effect sensors with additional A/D conversion (usually 12 Bit)

• position/speed sensors

a single encoder replacing 3 different systems

this has serious impact

on the requirements for encoders !!!

(because the needs of all feedback loops have to be fulfilled)

Messung der Rotorlage

• Resolver mit externem R/D-Converter

• Resolver mit R/D-Wandlung über den Rechner

• Inkrementalgeber (mit Rechteck-Signalen)

• Inkrementalgeber (mit Sinus-Signalen)

ggf. mit einer zusätzlichen Absolut-Spur



Resolver

Statorue

RotoruR

Statoru2

Statoru1

R1

R2

S1 S3

S4

S2

u2(

0

u1(

0

Tamagawa



Resolver : Signalverarbeitung

sinusMultiplizierer

VR-counter

cosinusMultiplizierer

ue=us sinwt

u1=us sinwt cos

u2=us sinwt sin

D/A-converter

Synchrone Gleichrichtung

Stator

UF1

UF2

UFD

Integrator

VCO

Oszillator

+

-

Position

UF

UT



hochauflösender optischer Geber(eingebaut in einem Servomotor)



Inkrementalgeber(mit sinusförmigen Signalen)

Spur A

Reference mark

Dig itale LogikSpur B

4-fach-Auswertung

Drehrichtung

360°/p

4-fach-Auswertung

Spur B

Spur A



Auswertung der Position

bei Inkrementalgebern mit sinusförmigen Ausgangssignalen

a

b

Incremental

sensor

1

-1

1

-1 sign xa

sign xb

xa

xb

Pulse

generation

16 bit

counter

A

D

A

D

arctan( xb/x

a)

e = f(xb/x

a)

~~

w = De/Dt

Microprocessor

sign xa sign x

b



Position

Differenz zwischen

der tatsächlichen

(Winkel-)Position

und der vom Geber

ermittelten (gemessenen)

(Winkel-)Position

(z. B. Anzahl von Strichen)

Geschwindigkeit

Differenz zwischen

der tatsächlichen

Geschwindigkeit

und der vom Geber

ermittelten (gemessenen)

Geschwindigkeit

(z. B. Tachospannung)

Genauigkeit von Positions- und Geschwindigkeitsgebern

Position

Anzahl der

unterschiedlichen

Positionen (Winkel),

die vom Geber

unterschieden werden

können.

(z.B. Strichzahl)

Geschwindigkeit

Anzahl der

unterschiedlichen

Geschwindigkeiten

(Drehzahlen),

die vom Geber

unterschieden werden

können.

(z.B. minimale Tachospannung)

Auflösung von Positions- und Geschwindigkeitsgebern

absolute und differentielle Genauigkeit

Anforderungen

für Positions- und Geschwindigkeitsmessung

Position :

Geschwindigkeit :

• Genauigkeit : 0,001°

• ggf. Multi-Turn-Funktion

• Drehzahlbereich : 0,01 ... 20.000 Upm

• Auflösung : 0,001 Upm bei Drehzahlen < 0,1 Upm

bei einer Zykluszeit von 50 µs ergibt das

eine Auflösung des Gebers von 30 Bit !!

Auflösung von Positionsgebern

€ 500

Geber

optisch kapazitivmagnetisch

Inkremental-

geber

Absolutwert-

geber

interferometrische

Geber

variable

Electroden

variables

DielektrikumResolver Zahnrad

Resolver

mit niedriger

Polzahl

Resolver

mit hoher

Polzahl

Pseudo-

Absolutwert-

geber

Homodyn-

interferometrischer

Geber

Heterodyn-

interferometrischer

Geber

Pseudozufallsfolgen-

(PRC) kodierter

Geber reflektierender

Geber mit CCD

Geber Technologien

Eigenschaften von Gebern

Meßbereich

measuring area

Auflösung

resolution

Robustheit

robustness

Massenprodukti

on

mass production

magnetisch

magnetic

Resolver:am Umfang

Zahnrad:

punktförmig

niedrig

(multipole Resolver:

20 Bit)

gut schlecht

optisch

optical punktförmighoch

(CCD: > 30 Bit)

problematisch(temperatur- und

stoßempfindlich)

sehr gut(fotografische

Herstellung)

kapazitive

capacitive

am Umfang hoch gut gut

zu wenig Erfahrung, um konkrete Aussagen zu machen.

Meßbereich Auflösung Robustheit Massenproduktion

magnetisch

optisch

kapazitive

GleichlaufverhaltenVergleich : Resolver und hochauflösender optischer Geber

speed behaviour of an analogue drive with brushless tachometer

speed behaviour of a digital drive with high resolution encoder

0

1

2

3

4

5

6

7

0 20 40 60 80 100 120 140

angle

spee

d [1 /

min]

3,5

0 20 40 60 80 100 120 140angle

sp

ee

d [

1 / m

in]

2,5

Smooth Operation

angle

sp

ee

d [

1 / m

in]

Inhalt

Einführung

Servo-Motoren



Drehzahl- und Positionsgeber

zusätzliche Funktionen- Motion Control (Bewegungssteuerung)

- sicherheitsrelevante Funktionen

- EMV

Bewegungssteuerung: Klassen

• Punkt zu Punkt: keine Konturbearbeitung

• Streckensteuerung:

es wird nur eine Achse auf einmal bewegt

• Bahnsteuerbetrieb:

mehrere Achsen werden gleichzeitig bewegt



Motion Control (Bewegungssteuerung)

x

y

x

y

xy

z

Punkt zu Punkt Bewegung

z.B. Bohren

Mehrachsen- Bahnsteuerung

in einem multidimensionalen Raum

z.B. Fräsen

Monoachse oder zweiachsige

Bewegung in einer Ebene

z.B. Fräsen



zeitoptimale Positionierung



Synchronisation und Positionierung



Substitution von

mechanischen

Komponenten durch

elektronische Lösungen

gleiche Funktion bei

höherer Flexibilität




Elektronisches Getriebe

Hauptantrieb

Virtueller

Master

Synchronisierte

Kommunikation



Hauptantrieb

elektronisches Getriebe

• flexible, programmierbare Übersetzungsverhältnisse

• synchronisierte, präzise Lageregelung

• genaue Lageregelung mit Winkelmessung

als Ersatz für die Mechanik!

• gleiches Verhalten wie in der mechanischen Lösung

muss garantiert werden

• "Zähne" dürfen nicht vergessen werden!

hohe Anforderungen an Regelung und Messsystem



Regelungsstruktur

Integration von Prozessfunktionen

Lageregelung

Drehmomentregelung Geschwindigkeitsregelung



Druckmaschine



wellenlose Druckmaschine



Querschneider

knife drums

2 sets of timing gears

planetary gear

couplings servomotors



Querschneider: Bewegungsprofile

knife drums

2 sets of timing gears

planetary gear

couplings servomotors



Master

Slave

MasterMarker

SlaveMarker

Time

Velo

city

Quelle : Danfoss

Verpackungsmaschine




Kurvenscheibe

Master

Slave

Master sSlave






Kurvenscheibe

• programmierbares Bewegungsprofil

• genaue Lageregelung mit Winkelmessung

als Ersatz für die Mechanik!

• gleiches Verhalten wie in der mechanischen Lösung

muss garantiert werden

• Synchronisation von mehreren Achsen oft notwendig




Kurvenscheibe

„Fliegende Säge“: bewegliches Ziel

Time

Positio

nI/

OV

elo

city

Saw up/down

Quelle: Danfoss



Positionierung mit beweglichem Ziel



bewegliches Ziel

• Lageregelung mit "feed forward„

oder Modellfolgeregelung werden verwendet,

um die Anforderungen zu erfüllen

• präzise Lageregelung ist notwendig

• das dynamische Verhalten der Regelung

hat direkten Einfluss auf die Prozessqualität:

Schneiden, Sägen usw.

• oft Synchronisation mehrerer Achsen notwendig



Antriebe mit Diagnosefunktionen

sichere Bewegung

konventionelles

Sicherheitskonzeptmains

supervision

Frequency

Inverter 2

Motor

standstill

supervision

delayed

contacts

emergency

switch-off

three-level

confirmation

3

Mains

Tmotion

supervision

encoder

Standard cabinet configuration for Servodyn-D

Mains ConnectionModule (NA)

incl. current limitation andradio interference

suppression filter

Supply Module (VM)

with sinusoidal currents during supply and

regeneration

Inverter Module (DM)

Guard

Motor

Three-phase current system

Safetyguard locking

module cross-connection

- Integration of EMERGENCY-STOP

- Connection and monitoring of amode selector switch

- Connection and monitoring ofan enabling (control) device

- Integrated mains monitoring for

single- and multiple-phase system failures

- Integrated control and monitoringof guard locking

- Safe speed reduction in specialoperation

- Safe standstill in special operation

- Maximum speed monitoring

mains contactor control

motor measuring system

sichere Bewegung

Blindleistung

Prof. Dr.‐Ing. Ralph Kennel

([email protected])


Arcisstraße 21

80333 München

Blindleistung

Spannung

Strom

Blind-

leistung

t

t

t

Spannung

Strom

t

t

t

Wirkleistung

Wirk-

leistung… natürlich, kann dies mathematisch

in einen konstanten Term (Wirkleistung)

und einen veränderlichen Term (Blindleistung)

aufgespalten werden

t

Wirkleistung

Wirk-

leistung

… tatsächlich handelt es sich nur um

pulsierende Wirkleistung !!!

pulsierende Wirkleistung ≠ Blindleistung

Blindleistung

+

-

+

-

+

-

U0

Asynchronmaschinenbenötigen Blindleistungfür die Magnetisierung

… wo kommt dieBlindleistung

her ???

… das ist für Wechselrichter kein Problem !

… da die Summeder Blindleistung(en)

in allen 3 Phasen Null („0“) ist !

Motor

(z. B. Asynchronmaschine)

Blindleistung

+

-

+

-

+

-

U0

… das ist für Wechselrichter kein Problem !

… da die Summeder Blindleistung(en)

in allen 3 Phasen Null („0“) ist !

… im Hinblick auf die Blindleistung ist der Wechselrichterwie ein Verschiebebahnhof für Züge !

Motor


Blindleistung

+

-

+

-

+

-

U0

… im Hinblick auf die Blindleistung ist der Wechselrichterwie ein Verschiebebahnhof für Züge !

… daher können Wechselrichter sehr gut eingesetzt werdenzur Blindleistungskompensation in Netzen !

… speziell beim Einsatz in regenerativen Energienwie Windkraft oder Solaranlagen!

Motor


PFC

Prof. Dr.‐Ing. Ralph Kennel

([email protected])


Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik

Arcisstraße 21

80333 München

Vorlesung

Leistungselektronik – Grundlagen und Standardanwendungen

P

F

C

=

Power

Factor

Control

Leistungsfaktor

=

PW (Wirkleistung)

PS (Scheinleistung)

PFC

… bei Diodengleichrichtern

ist der Leistungsfaktor normalerweise cos = 1

Spannung

t

Strom

t

cos = 1

sowie bei vollgesteuerten Gleichrichtern

… der Begriff „PFC“ wird meist jedoch auch im Hinblick auf

Harmonische verstanden !

obwohl Harmonische mit „PFC“ nichts zu tun haben

meint man mit „PFC“ oft auch

die Kompensation von Harmonischen

B4-Brücke mit kapazitiver Last

Stromkurvenform

Netzrückwirkungen

… der Begriff „PFC“ wird meist jedoch auch im Hinblick auf

Harmonische verstanden !

obwohl Harmonische mit „PFC“ nichts zu tun haben

meint man mit „PFC“ oft auch

die Kompensation von Harmonischen

im öffentlichen Netz verboten

(wegen der Netzrückwirkungen)

Filteraufwand erheblich !


netzseitige Stromkurvenform

Netzrückwirkungen


0

20

40

60

80

100

120

H1 H3 H5 H7 H9 H11 H13 H15 H17 H19 H21

without filtering

Oberschwingungsspektrum

im öffentlichen Netz verboten

(wegen der Netzrückwirkungen)

Filteraufwand erheblich !

Netzrückwirkungen

+

-

+

-

+

-

Netz

U0≈

line voltage

line current

motoring

regeneration

Stromkurvenform

Netzharmonische

+

-

+

-

Netz

U0≈

Oberschwingungsspektrum

0

20

40

60

80

100

120

H1 H3 H5 H7 H9 H11 H13 H15 H17 H19 H21

with optimized filtering

-

Netzharmonische

Netzharmonische

0

20

40

60

80

100

120

H1 H3 H5 H7 H9 H11 H13 H15 H17 H19 H21

without filtering

0

20

40

60

80

100

120

H1 H3 H5 H7 H9 H11 H13 H15 H17 H19 H21

with optimized filtering

signal electronics

power equipment

mains input

line voltage

line current

motoring

regeneration

Schaltschrank-

aufbau

mit modernenServoantrieben

Netzeinspeisung mit

Rückspeisefähigkeit

(200 Aeff)

EMV

Inhalt

Einführung

Servo-Motoren




zusätzliche Funktionen

Kommunikation- Anforderungen für Mehrachsenantriebe

- Einfluss auf das Regelungsverhalten

Echtzeit-Kommunikation

Echtzeit Kommunikation:

die gesendete Information wird pünktlich empfangen, im

idealen Fall ohne Jitter.

die Kommunikation ist deterministisch,

keine zufälligen Übertragungs- oder Wartezeiten

Reaktionszeit1ms 10m

s

100m

s

1ms 10ms 100ms 1s

Kategorie

1

Kategorie

2

Kategorie

3

Kategorie

4

EchtzeitKategorie

10s

Synchronisierte

Bewegungen,

hochdynamische Antriebe

Werkzeugmaschinen,

Roboter

Fördereinrichtung,

allg. Automation

Prozessregelung

Leitebene,

Gebäudetechnik



Mehrachsen- Bahnsteuerung : X-Y - Trajektorie

bei einer Geschwindigkeit von 60 m/min :entspricht eine Maßpräzision von 1 Mikrometer

einer Zeitpräzision von 1 Mikrosekunde



Bewegungssteuerung (Motion Control) in Druckmaschinen

Bandgeschwindigkeit:

10 m/s=10mm/ms

erforderliche Genauigkeit : 20µm

zeitliche Präzision für die Lageregelung

(Kommunikation zwischen den Achsen): < 2 µs



zentrale Bewegungssteuerung(Motion Control)



Klassische Aufteilung

CNC Servoantrieb



Moderne Aufteilung : CNC Servoantrieb

Intelligenter Servoantrieb





dezentrale Bewegungssteuerung(Motion Control)

Zeitsynchronisation: 2 Antriebe

Master

Slave 1

Delay

Sy

1

t0 1 2 3 4 5 6

t0 1 2 3 4 5 6

Sy

1

t0 1 2 3 4 5 6

Slave 2 DelaySy

1

Im Idealfall kein

Jitter



Kommunikationssystememit integrierter Echtzeitfähigkeit

• SERCOS interface

• PROFIBUS MC

• Ethernet real time (z. B. SERCOS III)

• FireWire-Based Servo Interface

• spezifische Erweiterungen von CAN

• MACRO

• …..


Prof. Dr. -Ing. R. M. Kennel, Bergische Universität Wuppertal

SERCOS interface

AT2

ATMAT

mAT1

t1.1

t1.2

t1.M

t2

tScyc

t1.m

MDT

MSTMST

• tScyc SERCOS Zykluszeit

• t1.x Übertragungsstart des Antriebstelegramms AT

• t2 Übertragungsstart des Mastertelegramms MDT



PROFIBUS

konstante Zykluszeit

Synchronierung

GC S1 S2 S3 Other Reserve GC S1 S2 S3 Reserve

PROFIBUS Cycle

Other

Application

Cycle

(3 Drives)

PROCESS FIELD BUS

SIEMENS

6SE7016-1EA30

WR 2,2 kW

Nr. 467321

SIMOVERT SC

SIEMENS

6SE7016-1EA30

WR 2,2 kW

Nr. 467321

SIMOVERT SC

SIEMENS

6SE7016-1EA30

WR 2,2 kW

Nr. 467321

SIMOVERT SC



Inhalt

Einführung

Servo-Motoren




zusätzliche Funktionen

Kommunikation

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Servomotoren- Synchronmaschinen mit Permanentmagnetens

Umrichter (Verstärker) - Spannungszwischenkreisumrichter (VSI)

mit geregelter Zwischenkreisspannung

Servoantriebs-Regelung- Kaskadenregelung mit P-/PI-Reglern

- zeitliche Synchronisierung der gesamten Regelung


- der „Engpass“ im Stand der Technik

zusätzliche Funktionen- z. B. „sichere Bewegung“ durch integrierte Redundanzen

Kommunikation- Echtzeit-Kommunikation mit Zeitsynchronisation

Electric Drive Industry Trends Power electronic devices

# Volume and Weight reduced by more then 10:1 in last 20 years

introduction new semiconductor power switches like SiC and GaN IGBTs

# Significant increase in Power Density

due to decreasing switching and conduction losses

# The increase in the PWM frequency offers faster response of current and

torque control loops and improves the overall drive performance.

Digital Control Devices (Dedicated Control Processor)

# High Functional integration with micro-controllers /DSPs /FBGA, ASICs

Technology-wise mature on the basic control level

but still an Emerging Technology application-wise in many areas

The goal for future of the drive systems should b

true improvements in Reliability and Quality


Drive Control Trends• Open loop V/Hz or Scalar control has been accepted

only for low performance, low cost applications

• Closed loop Vector control or Field Orientation control

accepted for high performance drives

• DTC control is gaining acceptance because of simplicity

• Speed and position sensor-less control are finding applications

in specific industries: e.g. printing, coating, pulp, metal……

• Drive self-commissioning and auto-tuning of controller parameters

will enhance the drive performance

• Accurate on-line estimation of machine parameters

will enhance the drive performance

• On-line diagnostics and fault-tolerant control

will enhance the system reliability


• significant research effort is directed towards motor and drive integration,

development of low cost intelligent power devices

and invention of reduced topologies of the drive power converter.

• elimination of encoder and the phase current sensors contribute to the cost decrease,

simplified cabling and an increased reliability of the drive.

The problems of sensor-less drive realization attract attention

of significant R/D forces all over the world.

• To shorten the installation, replacement

and to speed up the production process change,

the drive should be equipped with adaptation features,

self commissioning procedures and the decision making routines

capable of replacing or eliminating the intervention of human operator.


Literaturhinweise• Groß, H., Hamann, J., Wiegärtner, G.: Elektrische Vorschubantriebe

in der Automatisierungstechnik, Publicis MCD Verlag, 2000

• Schönfeld, R.: Digitale Regelung elektrischer Antriebe,

Hüthig Verlag, Heidelberg 1988

• Pfaff, G.: Regelung elektrischer Antriebe I+II, Oldenburg 1992

• Leonhard, W.: Control of Electrical Drives. Springer-Verlag, 1996

• Weck, M.: Werkzeugmaschinen Band 3, VDI Verlag 1989.

• Lehman, R.: AC-Servo-Antriebstechnik: Grundlagen und Anwendungen,

Franzis Verlag 1990

• Krishnan, R.: Electric Motor Drives, Modeling Analysis and Control,

Prentice Hall



Literatur

• Schröder, D.: Elektrische Antriebe: Regelung von Antriebssystemen, Springer-

Verlag, Berlin 2008, 3.Aufl.

• Groß, H., Hamann, J., Wiegärtner, G.: Elektrische Vorschubantriebe in der

Automatisierungstechnik, Publicis MCD Verlag, 2000

• Schönfeld, R.: Digitale Regelung elektrischer Antriebe, Hüthig Verlag, Heidelberg

1988

• Pfaff, G.: Regelung elektrischer Antriebe I+II, Oldenburg 1992

• Leonhard, W.: Control of Electrical Drives. Springer-Verlag, 1996

• Weck, M.: Werkzeugmaschinen Band 3, VDI Verlag 1989.

• Lehman, R.: AC-Servo-Antriebstechnik: Grundlagen und Anwendungen, Franzis

Verlag 1990

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