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Vorteile eines Lagereglers im Antrieb statt in der NC/PLC

Freitag, April 25th, 2014

Der folgende Beitrag befasst sich mit der Regelungsoptimierung von Synchron-Servomotoren und ist damit ein Kontrastpunkt zu meinem Schwerpunktthema Schrittmotoren.

Ausgangslage:
Betrachtet wird eine vertikale Achse eines Handlings-Systems, welche reine Punkt-zu-Punkt Bewegungen ausführt, also während der Verfahr Bewegung keine Bahn einhalten muss. Der Antrieb besteht aus einem Beckhoff AM8023-E021 Servomotor mit Bremse und Sigleturn-Geber mit OCT (One Cable Technology, dabei wird der Geberistwert mittels Hyperface über die Leitungen des Temperaturgebers im Motorkabel übertragen). Die Bewegung wird über ein Getriebe auf eine Kugelrollspindel übertragen. Angesteuert wird der Motor über eine AX5203.

Servoregler-Familie AX5000

Servoregler-Familie AX5000 (Quelle: Beckhoff Automation)

Die Regler der AX5000 Familie von Beckhoff werden über TwinCAT an die übergeordnete Steuerung (SPS bzw. PLC) angebunden. Dort werden sie von der Beckhoff NC angesprochen, welche über die Datenstrukturen NC2PLC und PLC2NC wiederum eine Schnittstelle zum eigentlichen SPS-Programm bietet. Die Servoregler arbeiten mit dem Sercos over EtherCAT (SoE) Protokoll, d.h. das Übertragungsmedium ist EtherCAT, die eigentlichen Antriebsfunktionen (Parameternummerierung, Zustandsmaschine) entsprechen aber denen bei Sercos-Antrieben.

Standardmäßig werden die Servoregler dabei so parametriert, dass Drehzahl- und Stromregler im Antrieb geschlossen werden, während der Lageregler in der NC geschlossen wird. Obwohl TwinCAT kurze Buszykluszeiten ermöglicht, stellt die Übertragung von Soll- und Istwerten über den Bus eine zusätzliche Verzögerung für den Regler dar, die einen deutlichen Einfluss auf dessen dynamisches Verhalten haben kann, wie das folgende Beispiel zeigt.

In der Standardeinstellung (Lageregler in der NC geschlossen) war ein Kv-Faktor von 5 s-1 eingestellt. Der max. Schleppfehler während der Verfahr Bewegung beträgt dabei ca. 75µm. Nach dem Ende der Bewegung (SETVELO=0) dauert es 344ms, bis der Schleppfehler unter 10µs fällt.

Lageregelung in der NC. Oben: Position, Mitte: Drehzahl, Unten: Schleppfehler. Per Cursor markiert: Zeit vom Ende der Bewegung bis zum Erreichen einer Lageabweichung <10µm.

Lageregelung in der NC. Oben: Position, Mitte: Drehzahl, Unten: Schleppfehler. Per Cursor markiert: Zeit vom Ende der Bewegung bis zum Erreichen einer Lageabweichung <10µm.[/caption] Nach dem der Lageregler im Antrieb geschlossen wurde, konnte der Kv-Faktor ohne weiteres auf 7,5 s-1 erhört werden. Der Schleppfehler reduzierte sich für das gleiche Verfahr Profil wie zuvor auf 0,5µm. Selbst bei Fahrt mit annähernd maximaler Geschwindigkeit (50mm/s am Abtrieb) bleibt der Schleppfehler bei max. 2µm. [caption id="attachment_222" align="alignnone" width="300"]Lageregler im Antrieb geschlossen. Oben: Position, Mitte: Drehzahl, Unten: Schleppfehler. Lageregler im Antrieb geschlossen. Oben: Position, Mitte: Drehzahl, Unten: Schleppfehler. Abweichende Skalierung vom Schleppfehler beachten!

Um den Lageregler in der AX5000 verwenden zu können, sind folgende Einstellungen erforderlich:
IDN-Parameter S-0-0-0032 in der Startup-Liste von 2 (velo control) auf 11 oder 12 (pos ctrl Feedback 1/2 lag less) umstellen. Die Einstellung „lag less“ sorgt durch eine Drehzahlvorsteuerung für minimalen Schleppfehler während der Bewegung.

Anpassen der Standardbetriebsart in der Startup-Liste

Anpassen der Standardbetriebsart in der Startup-Liste

In den Kanaleinstellungen unter Process Data / Operation Mode das Prozessabbild wie folgt anpassen. MDT: S-0-0036 „Velocity command value“ entfernen, statt dessen S-0-0047 „Position command value“ neu einfügen. AT: S-0-0189 „Following distance“ einfügen. Der Schleppfehler wird zusätzlich in die NC verknüpft, um den Schleppfehler dort ohne Totzeit anzeigen zu können. Ansonsten würde die Berechnung aus Sollposition(n) – Istposition(n-1) berechnet (n, n-1: diskrete Zeitpunkte).
Ggf. bereits vorhandene Verlinkungen in die NC löschen und Achsen neu verlinken.

Anpassen des Prozessabbildes im Beckhoff Drivemanager

Anpassen des Prozessabbildes im Beckhoff Drivemanager

Zusammenfassung:
Die Verlagerung des Lagereglers von der NC in den Antrieb ermöglicht den Betrieb mit deutlich reduzierten Regelabweichungen und schnelleren Ansprechzeiten des Antriebs. Ermöglicht wird dies durch den Entfall der Buslatenzen sowie durch den höheren Lagereglertakt im Antrieb (typisch 8kHz statt 1kHz in der NC). Ein weiterer Vorteil ist die Entlastung der CPU in der SPS durch den Entfall der Regelung dort.

Ausgewählte Eindrücke von der SPS/IPC/Drives

Sonntag, Dezember 2nd, 2012

In diesem Artikel stelle ich einige ausgewählte Eindrücke von der diesjährigen SPS/IPC/Drives vor. Die SPS ist die weltweit größte und bedeutende Messe für Automatisierungs- und Antriebstechnik und findet jährlich in der letzten Novemberwoche in Nürnberg statt. Da ich mich vorwiegend mit dem Thema Antriebstechnik beschäftige, interessiert mich natürlich der „Drives“-Teil der Messe am meisten…

Wer schon immer mal wissen wollte, wie ein Planetengetriebe funktioniert, oder Schwierigkeiten mit der räumlichen Vorstellung der Zahnradbewegungen hat, für den könnte das folgende Video hilfreich sein. Gesehen auf dem Stand der Firma Framo Morat in Halle 1.

Planetengetriebe

Einen interessanten Einblick gewährte der aufgeschnittene EC-Servomotor (die man übrigens auch als BLDC-Motor bezeichnet) auf dem Stand der Firma Ott Antriebstechnik in Halle 1. Von links nach rechts zu sehen: Getriebe, Motor-(wicklung), Haltebremse, Leistungselektronik, Encoder.

Geöffneter BLDC-Motor mit Getriebe und Encoder

Einblick in einen EC-Servomotor

Eine etwas andere Messedemo mit hohem Aufmerksamkeitswert gab es in Halle 3 am Stand der Firma Stöber Antriebstechnik zu sehen. 30 über Servomotoren angetriebene Zahnstangen formen einen „mechanischen“ Spektrumanalyser. Über den Nutzwert eines solchen Aufbaus eines solchen Aufbaus kann man sicherlich streiten, allerdings ist das für eine Messedemo mal eine erfrischende Abwechslung zu den üblichen 2-5 synchronisierten Antrieben, die kollisionsfrei miteinander interagieren.

Spektrumanalyser

Am 28.11. um 17 Uhr wurde am Stand des Vogel-Verlages der erste App-Award für die Automatisierungstechnik vergeben. In drei Kategorien „Corporate“, „Katalog“ und „Technik“ wurde die jeweils beste App ausgezeichnet. Neben dem Votum der Jury fand im Vorfeld ein Leservoting statt, außerdem wurden die Bewertungen in den Appstores berücksichtigt. eDrives, die App zur Antriebsauslegung, konnte sich im Leservoting gegen die durchaus namenhafte Konkurrenz durchsetzen. Leider reichte es in der Kategorie Technik trotzdem nicht ganz für den Sieg, die App von National Instruments hatte in den Augen der Jury die Nase vorn.

App-Award der Elektrotechnik.

Besichtigung der Motorenfertigung bei Schneider Electric in Lahr

Donnerstag, September 27th, 2012

Ich hatte letzte Woche die Gelegenheit, die Motorenfertigung bei Schneider Electric in Lahr (ehemals Berger Lahr) zu besichtigen. Berger Lahr entwickelte 1958 den ersten Schrittmotor [1]. Heute werden Schrittmotoren fast ausschließlich in Asien produziert. Umso erstaunlicher ist es, dass in Lahr auch heute noch 3-phasige Schrittmotoren hergestellt werden. Die Fertigungstiefe dürfte über die Jahrzehnte allerdings etwas abgenommen haben. So werden die Blechstanzteile für die Statorpakete nicht mehr in Lahr hergestellt, dort allerdings noch zusammengesetzt und verbacken. Leider war es in der Produktion nicht erlaubt, Fotos zu machen (mit einer Ausnahme, siehe unten). Daher kann ich die Maschine, auf der die Motorwicklungen in den Stator eingebracht werden, hier leider nicht zeigen.

Auch wenn Lahr die Wiege des Schrittmotors ist, werden dort inzwischen überwiegend Servomotoren in allen Leistungsklassen gefertigt. Auch hier ist die Fertigung auf die wesentlichen Schritte beschränkt worden, um wettbewerbsfähig bleiben zu können. Statorgehäuse, Wicklungspakete und elektrische Anbauteile (Bremsen, Drehgeber) sowie Lager und andere mechanische Teile werden zugeliefert. Trotzdem bleiben genügend interessante Prozessschritte übrig, z.B. das Einschrumpfen der Wicklungskörper in das Statorgehäuse, das anschließende Vergießen der Wicklung, das Lackieren der Gehäuse und die Endmontage. Im Bereich der Endmontage durfte ich dann noch ein Bild machen. Zu sehen sind hier einige Servomotoren in größerer Bauform vor dem Einbau des Rotors in den Stator:

Links: Die Rotoren mit Permanentmagneten (unten) sowie vormontierter Bremse, oben ist der Sitz für den Encoder vorbereitet. Rechts: Statorgehäuse, im Inneren sind die Weicheisen-Füße des Wicklungsträgers zu erkennen, die das elektrische Feld zum Rotor leiten.

[1] Geschichte von Berger Lahr, Webseite Schneider Electric