Damit die im Beitrag dargestellten Kompensations- und Regelungsfunktionen auch einfach bedienbar sind, steht dem Anwender im Fall des SystemOne CM eine Autotuning-Funktion zur Verfügung.

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Durch das von LTi entwickelte GPOC-Verfahren werden Verstärkung (Gain), Phasenverschiebung (Phase) und Offset des Gebers automatisch messtechnisch ermittelt und kompensiert. Das Rauschen in der Ist-Drehzahl wird auf diese Weise stark reduziert.

Bei den mechanischen Störgrößen stehen die Rastmomente an erster Stelle. Diesbezüglich ermittelt der genannte Antriebsregler über eine Testfahrt die Rastmomente des Motors und schaltet sie im späteren Produktionsbetrieb invers auf, so dass sie sich praktisch nicht mehr auswirken. Dieses Verfahren ist sogar für Linearmotoren einsetzbar, wobei jeder einzelne Pol separat kompensiert wird. Darüber hinaus ist es machbar, das Reibmoment über eine Erweiterung der Vorsteuerstruktur zu kompensieren, so dass sich speziell im Umkehrpunkt einer Achsbewegung die Bahngenauigkeit deutlich verbessert. Nicht zuletzt ist es beim Einsatz von Linearspindeln möglich, Fehler in der Spindelsteigung für beide Bewegungsrichtungen separat zu erfassen und zu kompensieren. Dies schließt die Korrektur von mechanischer Lose beziehungsweise Spiel mit ein. Kurzum: Die beschriebenen Kompensationsfunktionen haben das Ziel, aus einem vorhandenen mechanischen System mit all seinen Unzulänglichkeiten das Optimum herauszuholen und die Kosten für teurere Geber oder eine präzisere Mechanik einzusparen.

Damit nicht genug: Mit erweiterten Regelungsfunktionen ist es schließlich möglich, die Standard-Kaskadenstruktur der Regelung individuell zu optimieren und an die Anwendung anzupassen. Besonders wirkungsvoll ist der Ersatz des Drehzahl-Istwert-Filters durch einen Beobachter für die Signalfilterung, der ebenfalls das Rauschen unterdrückt, ohne allerdings die Phase des Drehzahl-Istwertes zu verzögern. In Kombination mit dem genannten GPOC-Verfahren lässt sich somit typischerweise die Drehzahlreglerverstärkung um den Faktor 2 erhöhen, wobei sich die Geräusche um den Faktor 4 reduzieren.

FFT des q-Stromsollwertes als Maß für akustische Geräusche: Durch den Einsatz eines Drehzahlbeobachters in Kombination mit dem GPOC-Verfahren lassen sich die 1. und 2. Harmonische des Stroms deutlich reduzieren.

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Durch die Verwendung eines Strombeobachters kombiniert mit einem Deadbeat-Regler, der den Ausregelvorgang quasi im „Totschlag-Verfahren“ in ein oder zwei Stellschritten durchführt, kann die Dynamik im Stromregelkreis deutlich verbessert werden. Dieser Ansatz kompensiert die effektive Totzeit im Stromregelkreis, so dass die Stromreglerverstärkung signifikant erhöht werden kann. Letztere wird zusätzlich adaptiert, um Sättigungseffekte des Motors bei großen Strömen zu kompensieren.

Neigt die Mechanik zur Schwingung, so ist es sinnvoll, die Geschwindigkeitsreglung über einen 2-Massen-Beobachter zu realisieren, der die zu regelnde Mechanik modellhaft über zwei elastisch gekoppelte Massen abbildet. Dadurch reduziert sich die Schwingneigung der Lastmasse, und die maximal erzielbare Dynamik des kompletten mechanischen Systems wird gesteigert. Zur Erhöhung der maximalen Drehzahl können sowohl Synchron- als auch Asynchronmotoren mit Feldschwächung verwendet werden. Dadurch sind diese Maschinen selbst oberhalb ihrer Nenndrehzahl mit kon­stanter Leistung betreibbar, so dass sich die maximale Maschinengeschwindigkeit steigern lässt.

Steht kein Gebersystem am Motor zur Verfügung, so können Synchron- und Asynchronmotoren in einfachen Anwendungen ebenso geberlos über ein erweitertes Kalman-Filter betrieben werden. Durch die Aufschaltung von Testsignalen ist sogar der lagegeregelte Betrieb eines Synchronmotors realisierbar.

ASIC-Technologie spart Bauraum

Mit den genannten Funktionen lässt sich demnach aus einer Maschine das Optimum an Dynamik und Präzision herausholen. Wenn gefordert, schafft das besagte Automatisierungssystem SystemOne CM High-Speed-Positionierungen mit 8500 Takten pro Minute und eine Bewegungspräzision im Mi­krometerbereich. Zusätzlich ist an diesem Regler ersichtlich, wie sich Er­höhung des Integrationsgrades auf Schaltungs- und Baugruppen-Ebene in puncto Materialeinsatz und Geräteabmessung positiv auswirkt. Denn der Dreiachsregler besitzt lediglich die Größe eines bisherigen Einachsreglers.

Vergleich einer Vorsteuerung durch Lagesollwert mit 32 beziehungsweise 48 Bit: Das Signal für die Beschleunigungsvorsteuerung enthält deutlich weniger Rauschen.

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Einen großen Anteil daran hat wiederum das neu entwickelte Regelungs-ASIC, das im Dreiachsregler dreimal zum Einsatz kommt. Dieses beinhaltet einen 32-Bit Mikrocontroller mit Floating-Point-Unit, auf dem die Regelung abläuft, und das darüber hinaus die komplette notwendige Peripherie zur Auswertung marktüblicher Geber und der Phasenströme sowie die Endstufenmodulation enthält. Zur Auswertung von analogen Messgrößen beinhaltet es Sigma-Delta-Wandler, die ein integrierendes Verhalten besitzen und somit diese Messgrößen rauscharm zur Verfügung stellen. Dies wirkt sich ebenfalls positiv auf die Regelungsqualität aus.

Autor: Joachim Albach ist Produktmanager bei LTi Drives in Lahnau.