Safety Teil 1 Feedbacksysteme für Vektor-Umrichter und Servoregler im Vergleich

Autor / Redakteur: Gerhard Plüddemann / Reinhard Kluger

Wichtig bei Vektorumrichtern und Servoreglern: Die richtige Auswahl der Feedbacksysteme zum Erfassuen des Motor-Rotationswinkels, das Übertragen der Informationen und deren Verarbeitung für Umrichter mit sinusförmigen Ausgangsströmen. Einige solcher Systeme sind auch für sicherheitsrelevante Funktionen geeignet, entsprechend der Normen wie IEC 62061, IEC 61800-5-2; ISO 13849.

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Klassische kaskadierte Reglerstruktur. Bild: Plüddemann
Klassische kaskadierte Reglerstruktur. Bild: Plüddemann
( Archiv: Vogel Business Media )

Intelligent geregelte elektrische Antriebe sind heute Schlüsselbausteine zur Lösung komplexer Automatisierungsaufgaben. Die Anforderungen an diese Antriebe sind direkt mit der Produktivität einer Maschine verknüpft und entsprechend hoch: Die Präzision von Bewegungsabläufen, Reaktionszeiten, Leistungsgewicht, Funktionalität und Zuverlässigkeit müssen zum akzeptablen Preis unter einen Hut gebracht werden. Auch die Eignung der Systeme für sicherheitsgerichtete Funktionen spielt eine zunehmende Rolle. Ein breiter Anwendungsbereich wird hier durch Vektor-Umrichter mit Asynchronmotoren oder Servoregler mit Synchronmotoren abgedeckt. Wie bei allen Regelsystemen gilt: Die Qualität der Regelungstechnik basiert signifikant auf der Qualität der ihr zu Verfügung stehenden Istwertsignale.

Grundanforderungen an Motor-Feedbacksysteme

Bei den vielen Gemeinsamkeiten bei der Ansteuerung von Asynchronmotoren und Synchronmotoren ergibt sich doch ein signifikanter Unterschied: Während bei der Ansteuerung von Asynchronmotoren durch Vektor-Umrichter die absolute Lage des Läufers nicht ermittelt werden muss, so ist dies zum Betrieb von Synchron – Servomaschinen eine grundlegende Voraussetzung. Diese mit Permanentmagneten auf dem Rotor ausgerüsteten Antriebe benötigen die absolute Position des Drehwinkels zumindest über einen Polpaarbereich, um daraus den zugehörigen Stromwinkel des Statorfeldes zu ermitteln. Auf diese Weise ist eine elektronische Kommutierung des Stromvektors möglich, die dem Antriebssystem ohne mathematische Modellnachbildungen die angenehmen, weitgehend linearen Eigenschaften mechanisch kommutierter (bürstenbehafteter) Systeme beschert: Proportionalität von Strom und Drehmoment sowie EMK und Drehzahl.

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Der Resolver für den Servo

Resolver liefern alles, was ein Servosystem braucht: Mindestens erforderlich ist die Absolute Lage über einen Polpaarbereich. ‚Single – Speed’– Resolver zum Beispiel liefern die absolute Information einer Umdrehung und damit die Information für die Lage des notwendigen Statorfeldes zur Kommutierung für diverse Polpaarzahlen. Aufgrund der auf ihrem einfachen Aufbau basierenden hohen Zuverlässigkeit (Prinzip Drehtrafo mit Trägerfrequenzübertragung; keine elektronischen Bauteile) haben Resolver jedoch auch zum Betrieb von Asynchronmotoren ihren Platz gefunden.

Die absolute Genauigkeit ist mit Werten bei einigen Winkelminuten zwar nicht die Stärke eines Resolvers. Dieses Manko wird jedoch durch andere positive Eigenschaften wie Wiederholgenauigkeit, Robustheit, Unempfindlichkeit gegenüber mechanischen Toleranzen, hoher Betriebstemperaturbereich und Immunität gegen Strahlung bei vielen Applikationen mühelos wettgemacht.

Das Wirkprinzip eines Resolvers basiert auf der winkelabhängigen Kopplung zwischen einer Trägerfrequenz (als Transportmittel) und zweier um 90° elektrisch versetzter Statorwicklungen. Das Amplitudenverhältnis der Statorsignale (Sinus; Cosinus) liefert (nach entsprechender Auswertung) den aktuellen mechanischen Drehwinkel. Der Betrieb erfolgt demgemäß über nur sechs Leitungen.

Transmitter-Betrieb und Receiver-Betrieb

Da gängige Resolver keine aktiven Bauteile aufweisen, ist die Betriebsart reversibel: Im Transmitter-Betrieb wird eine Trägerfrequenz (R1; R2) eingespeist und die Sinus – bzw. Cosinus – Amplitude ausgewertet (S1 bis S4), im Receiver-Betrieb werden Sinus – und Cosinus eingespeist und die Referenzspannung ausgewertet.

Konvertierung von Resolversignalen

Im Gegensatz zum recht einfachen Betrieb eines Resolvers stellt die Konvertierung der Nutzsignale in eine digital nutzbare Form eine komplexe Aufgabe dar. Neben guter Immunität gegenüber EMV – Störungen muss ein brauchbares System auch unempfindlich gegenüber solchen Amplitudenvariationen sein, die gleichzeitig auf die Nutzsignale einwirken (erzeugt z.B. durch Spannungsabfälle auf den Leitungen).

Fertig einsetzbare Bausteine wie z.B. 2S83 (Analog Devices) arbeiten meist mit einem analog / digitalen PLL - Regelkreis (Phase Locked Loop) unter Nutzung des Additionstheorems:

Formel siehe Bild 4 in der Bildergalerie

Dieses Verfahren weist bei konstanter Winkelgeschwindigkeit eine sehr gute Phasentreue auf, besonderes Augenmerk sollte man jedoch auf die Dynamik von Einschwingvorgängen haben. Die systembedingt stetige, in großen Teilen analoge Arbeitsweise ist eine solide Basis für relativ gute EMV-Immunität.

Eine weitere Möglichkeit der Konvertierung basiert auf der direkten mathematischen Umrechnung der Nutzsignale.

Formel siehe Bild 5 in der Bildergalerie und

Formel siehe Bild 6 in der Bildergalerie

Wie erkennbar, ist auch hier eine hohe Immunität gegenüber gleichzeitigen Variationen der Grundamplitude x gegeben (x / x = 1). Die praktische Umsetzung kann mithilfe hochwertiger A/D-Wandler und leistungsfähiger Controller, CPLD’s oder FPGA’s erfolgen. Zur Bewältigung der den Tangens-Funktionen innewohnenden, unhandlichen Unendlichkeitsstellen dient die Segmentierung der Nutzsignale, so dass jeweils nur ‚angenehme’ Kurvenbereiche im Bereich von etwa + − 45° bearbeitet werden müssen. Zur Arkustangenswandlung selbst bietet sich die Iteration über mathematische Reihenfunktionen an. Die Anwendung von Mehrfachwandlung (Oversampling) beim Einlesen der analogen Nutzsignale steigert hier die digitale Auflösung und wirkt sich positiv auf die EMV-Immunität aus.

Gerhard Plüddemann, Ingenieurbüro Plüddemann,

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