Übersicht Servoantriebe
Dieser Abschnitt ist eine kurze Einführung in die Technik der Servoantriebe.
Was ist ein Servoantrieb?
Ein Servoantrieb umfasst grundsätzlich einen intelligenten Servoverstärker und einen Servomotor, der in Verbindung mit einer SPS oder CNC für komplexe, spezialisierte Bewegungen in eine oder mehrere Richtungen sorgt. Diese komplexen und spezialisierten Bewegungen, die für die Automation industrieller Aufgaben notwendig sind, werden als Motion Control bezeichnet.
Servoantriebe werden in vielfältigen Bereichen zur Automation eingesetzt - im Automobilbau, bei der Rohölveredelung, in der Textilindustrie, bei Verpackungssystemen, in der Lagerhaltung und vieles mehr.
Servoantriebe mit geschlossenem Regelkreis
In einem Servoantrieb werden Rotorlage und Drehzahl vom Rückführsystem im Motor zurück zum Servoverstärker gemeldet. Der Servoverstärker wertet die Rückmeldung aus, vergleicht die Werte mit den Vorgaben und erzeugt dann entsprechende Ströme, um den Motor auf die vorgegebene Drehzahl zu regeln. Dieser Ablauf wird in einem geschlossenen Regelkreis ständig wiederholt. Ein Regelkreis, der die Position der Welle oder Last regelt, wird Lageregelkreis genannt, ein Regelkreis, der die Drehzahl des Motors auf dem vorgegebenen Wert hält, ist ein Drehzahlregelkreis.
Bestandteile eines Servoantriebs
Ein Servoantrieb besteht aus:
Servomotor |
Ein Servomotor treibt eine Achse einer Maschine an. Servomotoren werden durch Magnetfelder angetrieben. Sie haben ein von den Permanentmagneten erzeugtes stationäres Magnetfeld und ein von der Statorwicklung erzeugtes Drehfeld. Sie arbeiten nach dem Prinzip des Synchronmotors. Der Rotor eines drehenden Motors ist an beiden Enden gelagert. Jeder Motor hat mindestens zwei magnetische Pole, zumeist aber vier oder sechs. Durch den Servoverstärker wird der Statorstrom im Motor so erzeugt, dass ein steuerbares Drehmoment an der Motorwelle zur Verfügung steht. Servomotoren drehen (fahren) in zwei Richtungen positiv und negativ. Zwei Arten der Drehwinkelmessung sind in der Antriebstechnik gebräuchlich in Grad und in RAD, wobei eine Umdrehung 360° oder 2p RAD entspricht. Der Servoverstärker arbeitet mit Servo-Synchronmotoren und mit Direktantrieben (rotatorisch oder linear). Weitere Informationen finden Sie in den Motorhandbüchern. Motor Optimierung Die besten Laufeigenschaften eines Servomotors können nur durch die richtige Optimierung des Servoverstärkers erreicht werden. Angefangen bei voreingestellten Parametern (Stromregler wird automatisch durch Wahl des verwendeten Motors optimiert) muss der Drehzahlregler so eingestellt werden, dass sich bei einer Sprungantwort ein möglichst schnelles Einschwingen des Drehzahlistwertes auf den Sollwert ergibt. Hierbei ist darauf zu achten, dass dieses Einschwingen mit nur einem Überschwinger erreicht wird. Wenn der Positionsregler eingesetzt wird, so muss dieser anschließend so eingestellt werden, dass sich ein möglichst kleiner Schleppfehler (Abweichung zwischen Positionssoll- und istwert) ergibt. |
Last |
Die Last sind Teile einer Maschine, die von einem Motor angetrieben werden. Der Motor muss so ausgelegt sein, dass die Anforderungen an die Dynamik und Laufruhe der Maschine erfüllt werden. Ein Servosystem liefert Antriebsenergie an die Last z.B. über folgende mechanische Anbindungen:
Direktantrieb
Spindelantrieb
Zahnstange und Ritzel
Riemenantrieb |
Rückführeinheit |
Jeder Servoverstärker benötigt eine Rückführeinheit, die die aktuelle Position und Drehzahl des Motors zur Verfügung stellt. Abhängig von der Rückführeinheit werden die Informationen als digitale oder analoge Signale übermittelt. Zwei Arten von Rückführeinheiten werden unterstützt: Encoder Übermittelt analoge oder digitale Signale (optisch) Resolver Übermittelt analoge Signale (magnetisch) |
Servoverstärker |
Der Servoverstärker besteht aus einer dreiphasigen Leistungsendstufe, der Spannungsversorgung und einem Microcontrollersystem. Die verschiedenen Regelkreise sind vollständig digital im Microcontrollersystem realisiert. |
Rückführeinheiten
Die Servomotoren sind mit verschiedenen Rückführeinheiten erhältlich, u.a. mit:
In einem System, welches mit geschlossenen Regelkreisen arbeitet, wird
die von der Rückführeinheit erfasste Position zur Kommutierung des Motors
benutzt.
Außerdem ist noch eine Kaskadenregelung für Strom-, Drehzahl- und
Positionsregelung integriert.
Die Drehzahlinformation wird durch die Ableitung
der Position berechnet.
Der Stromregler wird auch als Drehmomentregler bezeichnet,
da das Drehmoment direkt proportional zum Strom ist.
Resolver
Den Resolver kann man sich als Transformator vorstellen, dessen Kopplungen der Sekundärwicklungen (Sinus und Cosinus) sich mit der Position der Antriebswelle ändern. Damit kann eine absolute Position innerhalb einer Umdrehung bestimmt werden. Der Resolver wird mit einer sinusförmigen Spannung erregt. Die Erregerspannung und die beiden Ausgangsspannungen haben eine kleine Amplitude und sind empfindlich gegen Störungen. Der Servoverstärker kann zwei- und mehrpolige Resolver unterstützen, um die aktuelle Position und Drehzahl der Motorwelle zu berechnen.
Encoder
Encoder sind optische Messsysteme, die am Ausgang Signale zur aktuellen Position des Motors zur Verfügung stellen. Es werden zwei Arten von Encodern unterschieden: rotatorische und lineare Encoder. Rotatorische Geber werden bei Standardmotoren auf der Motorwelle montiert. Lineare Encoder werden typischerweise an der Last direkt montiert.
Das Bewegungsprofil
Übersicht
Bewegungsabläufe werden einheitlich in einem Diagramm, genannt Bewegungsprofil, dargestellt. Das Verstehen und Umsetzen von Bewegungsprofilen in der Anwendung ist ein wichtiger Schritt, um die bestmögliche Systemleistung zu erreichen.
Das Bewegungsprofil ist die Darstellung einer oder mehrerer Bewegungsabläufe über der Zeitachse.
Vorgegebene Bewegung
die Bewegung, die der Motor idealerweise fehlerfrei
ausführen sollte, wenn er eine Drehzahl- oder Lagevorgabe erhält.
Tatsächliche Bewegung
die Bewegung, die tatsächlich vom Motor ausgeführt
wird, wenn er eine Drehzahl- oder Lagevorgabe erhält.
Die Lücke zwischen Sollwert und Istwert schließen
Die beste Systemleistung wird erreicht, wenn die Abweichung zwischen vorgegebener und tatsächlicher Bewegung möglichst gut ausgeregelt werden kann. Die Abweichung wird Schleppfehler genannt. Den Servoantrieb zu optimieren bedeutet, die relevanten Parameter im Verstärker so einzustellen, dass die Abweichung statisch und dynamisch möglichst optimal ausgeregelt werden kann.
Merkmale von Bewegungsprofilen
Die Profile haben folgende Merkmale, die allen Bewegungsabläufen gemein
sind:
Es werden Sollposition, maximale Geschwindigkeit und Beschleunigungs-/Bremsrampen
definiert.
Merkmal |
Bedeutung |
Bewegung |
Bewegung wird durch den Befehl, eine Zielposition anzufahren, gestartet. Durch das Bewegungsprofil mit Rampen und maximaler Geschwindigkeit werden immer wieder neue Positionssollwerte vorgegeben. Die Position, an der die Bewegung gestoppt wird, wird als Zielposition bezeichnet. |
In Position |
Wenn die tatsächliche Position des Antriebs in den Bereich der Zielposition kommt, wird die Differenz mit dem In-Positionsfenster verglichen. Ist die Differenz kleiner als das In-Positionsfenster, so wird eine In-Positionsmeldung ausgegeben. |
Arbeitsbereiche und -begrenzungen
Übersicht
Ein wichtiger Schritt zur Erhöhung der Maschinensicherheit ist das Festlegen sicherer Arbeitsbereiche und -begrenzungen.
Zwei Arten der Einstellung
Es gibt zwei Arten, Betriebsbereiche und -begrenzungen festzulegen:
Einstellungsart |
Bedeutung |
Abschaltung bei Überschreitung der Arbeitsbereiche |
Im Servoverstärker sind verschiedene Überwachungsmöglichkeiten eingebaut, die bewirken, dass Strom, Drehzahl oder Position so begrenzt werden, dass gefährliche Zustände zum Abschalten des Verstärkers führen um Maschinenschaden zu vermeiden. Zum Beispiel muss jede Positionierachse die in Positionsregelung arbeitet, mit Hardware-Endschaltern ausgerüstet sein. Diese sollen ein Verfahren der Achse in die mechanischen Endanschläge verhindern. Zusätzlich können noch Software-Endschalter über Parameter in DRIVE.EXE definiert werden. Die Differenz zwischen Soll- und Istposition wird Schleppfehler genannt. Eine Überwachung des Schleppfehlers über ein Schleppfehlerfenster verhindert ein Durchgehen des Motors. |
Begrenzung der Arbeitsbereiche |
Die Arbeitsbereiche definieren die Bedingungen, unter denen der Servoverstärker
sicher arbeitet. Einige von diesen Arbeitsbereichen sind: |
Beschleunigen und Bremsen
Übersicht
Wenn der Servoverstärker in Positionsregelung mit Fahrsätzen betrieben
wird, können verschiedene Beschleunigungs/Bremsprofile ausgewählt werden.
Welche Art bei einer Maschine eingesetzt werden soll, hängt davon ab, wie
die Mechanik aufgebaut ist und welche Dynamik gefordert ist. Wenn es sich
bei der Maschine um eine schwingfähige Mechanik handelt (Beispiel Roboterarm),
so ist es ratsam die Sinus²-Rampe zu verwenden. Bei dieser Rampenart wird
das Drehmoment linear verändert, so dass sich für den Drehzahlverlauf ein
quadratischer Verlauf ergibt. Damit wird eine Schwingungsanregung der Mechanik
verringert. Nachteil dieser Rampenart ist, dass sich die Beschleunigungs/Bremszeit
bei gegebenem Drehmoment des Motors im Vergleich zu Trapezform verdoppelt.
Wenn
es sich bei der Anwendung um eine mechanisch schwingungsarme Maschine handelt,
die hochdynamisch beschleunigt/abgebremst werden soll, so empfiehlt sich
der Einsatz der Trapez-Rampe. Hierbei kommt es zu einem Drehmomentsprung
am Anfang und am Ende einer Beschleunigungs/Bremsrampe (zeitoptimal).
Zwei Arten des Beschleunigens/Bremsens
Die folgende Tabelle beschreibt die zwei grundsätzlichen Arten des Beschleunigens/Bremsens - linear und quadratisch. Ein Bewegungsprofil kann eine Kombination beider Arten umfassen.
Methode |
Beschreibung |
Trapez |
Brems-/Beschleunigungsrate mit konstanter Geschwindigkeitszu-/abnahme. |
Sinus² |
Um einen Ruck zu vermeiden, wird der Antrieb innerhalb der Beschleunigungs-/Bremsrampe kontinuierlich beschleunigt/gebremst. Das Drehzahldiagramm gleicht einer Sinus²-Kurve. |