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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.

Einschwingverhalten von Schrittmotoren

Dienstag, Juli 9th, 2013

Um Schrittmotoren in der Anwendung besser verstehen und beurteilen zu können ist es hilfreich, zunächst das Verhalten des Motors bei einem einzelnen Schritt zu betrachten. Auf dieser Basis lassen sich viele Dinge wie z.B. die Vorteile von Halb- und Mikroschritt sowie die Bedeutung der Last und ihrer Ankopplung an den Motor besser nachvollziehen.

Für die in diesem Beitrag behandelten Messungen wurde zur Erfassung der Rotorbewegung ein Encoder mit 5.000 Strichen und TTL-Ausgang verwendet. Mit Hilfe der 4-fach Flankenauswertung lässt sich die Bewegung auf 20.000 Pulse/U auflösen. Bei einem normalen Schrittmotor mit 200 Vollschritten/U entspricht das 100 Pulsen pro Vollschritt.

Der Encoder wurde über eine drehsteife Elastomer-Kupplung direkt an den Motor angekoppelt. Als Testmotor wurde ein Oriental Motor Typ PK268-E2.0B in paralleler Beschaltung eingesetzt. Auf der B-Welle war ein Dämpfer Typ D6CL-6.3F (Massenträgheit J_Dämpfer=18,5*10-6 kg*m², J_Motor=48*10-6 kg*m²) montiert.

Testaufbau, Schrittmotor mit Encoder

Schrittmotor PK268-E2.0B mit Encoder und Dämpfer

Angesteuert wurde der Motor über eine 3-Achs Endstufe „3D-Step“ mit der klassischen L297/L298 Treiber-Kombination bei 2,0A(effektiv), also etwas unterhalb des Nennstroms von 2,8A. Die Erfassung der Encoder-Signale erfolgte über eine Beckhoff-SPS mit einer Taktrate von 2ms.

Bei einem Vollschritt sollte der Motor einen Winkel von 1,8° weiterschalten. Eine erste Messung zeigt, dass der Motor trotz der Belastung durch den Dämpfer und den Encoder dabei deutliche Schwingungen ausfürt. Der Rotor schwingt bis fast 2,8° über und pendelt auf 1,5° zurück, bevor die Schwingung langsam abklingt und nach ca. 10ms in einem Toleranzband von +/- 0,2° ausklingt.

Messergebnis Vollschritt mit Dämpfer

Vollschritt mit Dämpfer

Noch deutlich schlimmer sieht es aus, wenn man den Dämpfer von der B-Welle des Motors entfernt. Das Überschwingen ist mit max. 3,0° von der Amplitude her zwar nur unwesentlich stärker, jedoch lässt sich deutlich erkennen, dass die Dämpfung stark reduziert wird. Es dauert jetzt ca. 25ms, bis der Rotor im selben Toleranzband bleibt wie dies beim ersten Versuch bereits nach 10ms der Fall war.

Messergebnis für Vollschritt ohne Dämpfer

Vollschritt ohne Dämpfer

Nach Umschalten der Endstufe in den (stromkompensierten) Halbschritt und erneuter Montage des Dämpfers ergibt der nächste Versuch die folgende Sprungantwort. Zu beachten ist hier, dass der Motor nach einem Halbschritt im Vergleich zu den vorherigen Versuchen nur den halben Winkel, also 0,9° zurück gelegt hat. Die Schwingung reicht hier von ca. 1,15 bis zurück nach 0,7° und erreicht bereits nach einer Schwingung ein Toleranzband von +/-0,1°. Zur besseren Vergleichbarkeit wurde der Maßstab des Graphen unverändert beibehalten.

Messergebnis für Halbschritt mit Dämpfer

Halbschritt mit Dämpfer

Beim Übergang zu einer kontinuierlichen Drehbewegung wird der Rotor je nach Drehzahl weitergeschaltet, bevor die durch einen einzelnen Schritt angeregte Schwingung vollständig abgeklungen ist. Das zeigt auch die folgende Messung bei ca. 42Hz Halbschritt. Trotzdem führen insbesondere der erste Überschwinger und die stufenweise Bewegung im unteren Drehzahlbereich zu unangenehmen Betriebsgeräuschen.

Messergebnis für eine kontinuierliche Bewegung mit ca. 42Hz Halbschrittrate

Kontinuierliche Bewegung mit ca. 42Hz Halbschrittrate

In der Anwendung treibt der Motor eine mehr oder weniger steif angekoppelte Last an. Es ist angesichts dieser Messungen leicht nachvollziehbar, dass der Motor mit seiner Schwingneigung leicht Resonanzstellen in der Mechanik anregen kann.

Die Amplitude des Überschwingens hängt direkt mit dem Drehmoment und damit mit dem Motorstrom zusammen. In diesem Versuch wurde der Motor bereits ca. 30% unterhalb seines Nennstroms betrieben. Bei Nennstrom ist also eine noch stärkere Schwingung zu erwarten. Umgekehrt bedeutet dies, dass eine Absenkung des Motorstroms –sofern in der Anwendung entsprechende Drehmomentreseven vorhanden sind- zu einer Reduktion von Schwingungen führen wird.

Wie der Gegenversuch mit dem Dämpfer zeigt, hilft eine steif angekoppelte Last, das Gesamtsystem zu bedämpfen. Auch die Auswahl einer geeigneten Kupplung sowie eine stabile Lastmechanik (geringe Schwingungsneigung) sind Hilfen, um Resonanzprobleme zu vermeiden. Einen deutlichen Vorteil bietet vor allem der Wechsel zum Halbschritt-Modus. Bei Einsatz einer Endstufe mit Drehmoment-Kompensation (also der Erhöhung des Phasenstroms in den Halbschrittpositionen) entsteht durch den Einsatz von Halbschritt kein nennenswerter Drehmomentverlust. Daher und wegen der erhöhten Schwingungsneigung im Vollschritt rate ich grundsätzlich von der Verwendung des Vollschrittbetriebs ab.

Eine weitere Optimierung besteht im Einsatz von Steuerungen mit Mikroschritt und ggf. der Möglichkeit, das beim Schrittmotor besonders ausgeprägte Rastmoment zu kompensieren. Diesem Thema werde ich demnächst einen eigenen Beitrag widmen.

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.

Experten für Antriebstechnik treffen sich in Nürnberg

Sonntag, November 20th, 2011

In wenigen Tagen ist es wieder soweit: In Nürnberg öffnet mit der SPS/IPC/Drives die wohl größte und bedeutendste Fachmesse für Antriebstechnik und Industrieautomatisierung ihre Pforten. Vom Schrittmotor bis zum Lineardirektantrieb, von der I/O-gesteuerten Lösung bis hin zu den diversen Echtzeit-Feldbussen, sowie von der klassischen SPS bis hin zu modernen, PC-basierten Systemen ist alles vertreten. Auf dem parallel stattfindenden Kongress trifft sich das Who-is-Who der Branche, um über die neusten Entwicklungen und Trends zu diskutieren. Doch neben den Großen der Branche findet man auf der SPS auch viele kleine aber innovative Unternehmen. Es lohnt sich also, schon vorab einen Blick in das Ausstellerverzeichnis zu werfen und den Besuch gut zu planen. Seit diesem Jahr bietet die Messegesellschaft dazu einen interaktiven Hallenplan, auf dem man sich die interessanten Messestände markieren kann.

Die Stimmung auf der Messe ist immer ein guter Indikator für das folgende Geschäftsjahr. So stand die Messe 2009 unter dem Eindruck der Wirtschaftskrise, während man letztes Jahr wieder sehr optimistisch nach vorn blickte. Ich für meinen Teil bin gespannt, wie die Stimmung dieses Jahr ausfällt. Die Anzahl der Aussteller und die zusätzlich belegten Hallen sind jedenfalls als positive Anzeichen zu werten.

Anwendungsmöglichkeiten für Schrittmotoren in der Produktions- und Automatisierungstechnik

Freitag, August 19th, 2011

Durch Auswahl der für die Anwendung optimalen Schrittmotor-Steuerung lassen sich Schrittmotore deutlich schneller und einfacher in die verschiedensten Anwendungen integrieren. Der folgende Beitrag gibt einen Überblick über die Möglichkeiten und nennt einige Anwendungsbeispiele von der animierten Produktfotografie bis hin zu Drosselklappensteuerungen oder Wickeleinrichtungen.

Schrittmotoren als Ersatz für langsam laufenden Gleichstrom-Getriebemotoren

In vielen Anwendungen werden Antriebe benötigt, die lediglich eine konstante und oft niedrige Drehzahl bereitstellen müssen. Beispiele sind Antriebe für Zuführeinheiten, Band- oder Kettenantriebe für den Produkttransport, Stationen zum Einschleusen von Bauteilen in Montageprozesse usw. Aufgrund der niedrigen Drehzahlen werden hierfür oft Getriebemotoren eingesetzt, vielfach noch mit bürstenbehafteten Gleichstrommotoren. Aufgrund ihrer hohen Polpaarzahl und des vergleichsweise hohen Drehmomentes bieten sich Schrittmotoren als alternative Antriebsform an. Die Vorteile liegen auf der Hand: Besseres Störverhalten (EMC) durch Entfall des Bürstenfeuers und vor allem deutlich niedrigere Ausfallraten, da die verschleißanfälligen Komponenten Getriebe und Bürsten entfallen. Durch den Wegfall des Getriebes ist die Lösung mit Schrittmotor zudem oft auch preiswerter. Dank moderner Ansteuerverfahren mit Mikroschritt stehen Schrittmotoren anderen Antrieben in Hinblick auf das Geräuschverhalten in nichts nach.

Für den einfachen Einsatz in der Anwendung muss allerdings ein Taktsignal für die Schrittmotorsteuerung bereits gestellt werden. Auf Basis des Timer-ICs NE555 kann mit wenigen Bauteilen eine Schaltung aufgebaut werden, die ein über Spindeltrimmer einstellbares Taktsignal erzeugt. Das Bild zeigt den Schaltplan mit dem NE555 in der Grundschaltung als so genannter Multivibrator. Über den Spindeltrimmer kann die Frequenz innerhalb von mindestens einer Dekade verstellt werden. Durch Variation des Kondensators (z.B. Weglassen von C2) kann der Frequenzbereich zusätzlich variiert werden. Eine entsprechende Leerplatine ist über mechapro.de erhältlich. Die gleiche Grundschaltung wurde in der Schrittmotor-Endstufe Tinystep II verwendet (nur in den Ausführungen „plus“ und „Tragschienen-Gehäuse“. Andere Motortreiber enthalten einen Mikrocontroller, der die Ansteuerung der Endstufe übernimmt. Ist ein Controller vorhanden, bietet es sich natürlich an, diesen auch für die Takterzeugung zu verwenden. Die Treiber der DS10-Reihe von LAM bieten so die Möglichkeit, über I/O zwei parametrierbare Frequenzen auszuwählen.

Beschaltung des NE555 als Multivibrator zur Takterzeugung

Bei größeren bewegten Massen oder Bewegungen mit höheren Drehzahlen benötigen Schrittmotoren eine Anlauframpe. Neben umfangreich programmierbaren Treibern (wie z.B. der DS30-Serie von LAM) gibt es Lösungen mit analoger Sollwertvorgabe für die Drehzahl. So kann eine übergeordnete Steuerung direkten Einfluss auf die Drehzahl des Schrittmotors nehmen, ohne Frequenzen bis in den zweistelligen kHz-Bereich erzeugen zu müssen. Die bietet einen Eingang für +/-10V, mit dem die Drehzahl bis 5U/s eingestellt werden kann. Neben den zuvor genannten Anwendungen können Schrittmotoren so auch für Registerregelungen, Wickelvorrichtungen usw. eingesetzt werden.

Vielfältige Möglichkeiten mit frei programmierbaren Schrittmotorsteuerungen

Frei programmierbare Treiber wie die DS30-Serie von LAM ermöglichen den Einsatz von Schrittmotoren für vielfältige Anwendungen, ohne das eine permanente PC-Verbindung oder eine komplexe SPS erforderlich wären. Digitale und analoge Ein- und Ausgänge synchronisieren das interne Programm mit dem Verhalten der Anlage. Um z.B. eine Drosselklappenverstellung abhängig von einem analogen Sollwert zu realisieren, wird in der Steuerung der Wert des analogen Eingangs mit der Sollposition des Antriebs verknüpft. Beim Einsatz in Wickelvorrichtungen kann der Analogwert hingegen zur Anpassung der Geschwindigkeit des Wicklers eingesetzt werden. Zur Steuerung von Drehtellern für die Produktfotografie können z.B. feste Wegstrecken eingestellt werden, die dann entweder über einen Eingang oder voll automatisch ausgelöst werden können. Durch den Einsatz von Wartezeiten und eines Ausgangssignals kann ggf. sogar die Ansteuerung der Kamera integriert werden, so dass nach Ablauf eines Fotoshootings nur noch die Bilder von der Kamera auf einen PC übertragen werden können. Noch komfortabler geht es nur noch durch den Einsatz eines USB-Controllers und einer auf die Anwendung abgestimmten PC-Software…

Falls eine Referenzfahrt oder ein Freigabesignal erforderlich ist, kann dies problemlos über die digitalen Eingänge gelöst werden, während die digitalen Ausgänge z.B. Fehlerzustände, Bereitsignale u.ä. signalisieren können. Zusätzlich steht ein analoger Ausgang zur Verfügung, mit dem z.B. die aktuelle Geschwindigkeit des Motors ausgegeben werden kann. Für alle Eingangswerte und die internen Variablen stehen mathematische Funktionen zur Verfügung, so dass auch komplette Regler realisiert werden können.

Abseits von reinen Schrittmotor-Endstufen mit Takt-/Richtungssignalen erschließen Schrittmotor-Steuerungen mit Zusatzfunktionen ein breites Anwendungsfeld. Ich hoffe, ich konnte Sie mit den vorgestellten Beispielen inspirieren und würde mich über Ergänzungen aus Ihrer beruflichen Praxis freuen.