Wenn sich Kontroller selbst einrichten

Nach Informationen der Maxon Motor AG

Die 4-Quadranten PWM-Servokontroller sind für die Ansteuerung von permanentmagneterregten bürstenbehafteten sowie auch bürstenlosen DC-Motoren mit Hall-Sensoren bis ca. 700 W ausgelegt. Alle Servokontroller verfügen über ein driftfreies Drehzahlverhalten zwischen 0 und 150.000 min-1. Die hohe Bandbreite von Stromregler und Drehzahlregler resultiert aus der Abtastrate für den Motorstrom und die Drehzahl. Die Abtastrate für den Motorstrom beträgt 53,6 kHz, der Stromregler wird also im Zeitraster von 18,6 µs gerechnet, was laut Hersteller bis zu fünf Mal schneller als bei herkömmlichen Kontroller-Systemen ist. Die Abtastrate für die Drehzahl liegt bei 5,36 kHz, Tachospannung oder Inkrementalgeberzähler werden somit etwa alle 186 µs erfasst. Im Ergebnis bewirken diese schnellen Abtastzeiten geringste Phasenverschiebungen im Strom- beziehungsweise Drehzahlreglerkreis, was letztlich die große Bandbreite ermöglicht.

Die Servokontroller bieten frei konfigurierbare digitale und analoge Ein- und Ausgänge und können in diversen Betriebsmodi wie Drehzahlregler, Drehzahlsteller oder Stromregler betrieben werden. Über einen analogen Sollwert wird der Servokontroller kommandiert. Dies kann mittels analoger Spannung, externem oder internem Potentiometer, einem Fixwert oder mittels PWM-Signal mit variablem Tastverhältnis erfolgen. Darüber hinaus kann der Kontroller beispielsweise die Endstufe drehrichtungsabhängig freigeben und sperren oder mittels definierter Drehzahlrampe beschleunigen und abbremsen. Die Drehzahl kann mittels digitalem Inkremental-Encoder (2-Kanal mit/ohne Line Driver), DC-Tacho oder ohne Geber (IxR- Kompensation) geregelt werden.

Über USB-Schnittstelle mit dem PC verbunden, wird der Servokontroller mittels einer grafischen Benutzeroberfläche parametriert. Eine Vielzahl von Funktionen und Assistenten, sowie ein automatisches Verfahren zur Abstimmung der Regler helfen während der Inbetriebnahme und bei der Konfiguration von Ein- und Ausgängen, Überwachung, Datenaufzeichnung und Diagnose. Die in einer Betriebsart nicht benötigten Eingaben werden hierbei nicht extra abgefragt. Das Resultat der Zuweisungen und die Verdrahtung kann gespeichert und als Diagramm ausgegeben werden.

Die Software soll auch Probleme bei der Inbetriebnahme und bei Störungen aufdecken und untersuchen können. Das Diagnose-Werkzeug schlägt dann automatisch ein geeignetes Vorgehen zur Lösung des Problems vor. Dabei werden Kontroller, Motor, Sensoren sowie Drehzahlgeber analysiert. Nützlich bei der Inbetriebnahme ist laut maxon die intelligente Überprüfung der Verdrahtung zwischen Kontroller und Motor: Vertauschte Signal- und Motorleitungen werden erkannt und vom Diagnose-Werkzeug mit Korrekturvorschlägen beantwortet. Damit können auch Motoren mit unbekannten Daten und Anschlussbelegungen ohne mühevolle, zeitraubende Experimente an die Kontroller angeschlossen werden.

Eine Inbetriebnahme und optimale Parametrierung für ein bestimmtes System gestaltet sich häufig schwierig, da in der Praxis ein A-priori-Wissen über die Parameter des Systems wie etwa Massen oder Reibungen meist nicht vorhanden ist. Rechnerisch können die Reglerparameter damit entweder gar nicht oder nur umständlich und zeitaufwändig bestimmt werden. Um diese Problematik zu überwinden, bietet Escon eine softwaregeführte Inbetriebnahme an. Für den Stromregler werden die Parameter ermittelt und für den Drehzahlregler anschließend zusätzlich die entsprechenden Parameter automatisch bestimmt.

Das maxon-Autotuning ist ein modellbasiertes Selbsteinstellverfahren, das in zwei Hauptschritten erfolgt: Der Identifikation des Systems und der Berechnung der Reglerparameter. Die Systemidentifikation erfolgt im Frequenzbereich. Der Frequenzgang der Strecke wird durch ein Dauerschwingungsverfahren ermittelt. Dazu wird in den Regelkreis ein Zweipunktglied eingefügt, das den nichtlinearen Regelkreis bei geeigneter Wahl der Parameter zu charakteristischen Eigenschwingungen anregt. Die Grundschwingungen am Eingang X und am Ausgang Y der Strecke werden gemessen. Deren Verhältnis nach Betrag und Phase liefert einen Punkt des gesuchten Frequenzgangs. Durch einen adaptiven Algorithmus wird die Verstärkung des Zweipunktgliedes automatisch so eingestellt, dass eine stationäre Dauerschwingung am Ausgang der Strecke Y eine bestimmte Amplitude erreicht.

Durch passendes Einstellen der Zeitkonstante des Tiefpasses wird auch die Phasenverzögerung des Systems eingestellt. Mit Änderungen von Verstärkung und Zeitkonstanten können verschiedene charakteristische Frequenzen eingestellt werden. So erhält man weitere Werte nach Betrag und Phase zur Rekonstruktion des Frequenzganges der Strecke. Aus der so berechneten Übertragungsfunktion der Strecke können die Reglerparameter zum Beispiel nach der Methode der Polvorgabe berechnet werden. Per Knopfdruck können so automatisch die passenden Regelparameter bestimmt werden. Die in der Praxis gewonnen Erfahrungen zeigen, dass dieses automatische Einstellverfahren auch bei sehr unterschiedlichen Streckeneigenschaften zuverlässige Reglerparameter liefert. Dazu können die Reglerparameter je nach Anwendung und Kundenanforderung parametriert werden: Die Einstellung „soft“ führt zu einem langsamen aber gut gedämpften Regelverhalten. Im Gegensatz dazu führt die Einstellung „hard“ zu einem wenig gedämpften aber schnellen Einschwingvorgang auf den Sollwert.

Um sich gegen Überstrom, Übertemperatur, Unter- und Überspannung, Spannungstransienten und Kurzschluss in der Motorleitung zu schützen, verfügen die Servokontroller über diverse Schutzbeschaltungen. Ebenso verfügen sie über geschützte digitale Ein- und Ausgänge und eine einstellbare Strombegrenzung zum Schutz von Motor und Last. Motorstrom und Ist-Drehzahl der Motorwelle können mittels analoger Ausgangsspannung überwacht werden. Der Eingangsspannungs-Bereich, der hohe Wirkungsgrad von 95 % und die Einsatztemperatur von -30 bis +81 °C erlauben einen Betrieb in vielen Bereichen der Automatisierungstechnik, im Kleingeräte- und Gerätebau oder in der Mechatronik. Dabei sind für den Betrieb keine zusätzlichen externen Filter oder Motordrosseln notwendig und für die Inbetriebnahme stehen vorkonfektionierte Kabel als Zubehör zur Verfügung. mt

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