Standard-Schnittstelle zwischen Motorfeedback und Regler

Acht ist genug!

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Elektrische Antriebe benötigen im Regelkreis, abhängig von Ausführung und Anwendung, von entsprechenden Signalgebern Informationen für die: Kommutierung, Drehzahlregelung und Posi-tionsbestimung. Die Einführung der digitalen Drehzahlregelung nahm einen wesentlichen Einfluß auf die Signalgeber.

Der Autor ist Rolf Wagner,Leiter Marketing und Vertrieb Sensoren Max Stegmann GmbH, Donaueschingen

Immer mehr Funktionen sollten in einem einzigen Signalgeber integriert werden. Funktional ideal schien der Resolver, der praktisch sämtliche Funktionen in einem Gerät vereint.
Die Ausnahme bildet hier die Funktion der absoluten Position über mehrere Umdrehungen, die jedoch relativ selten eingesetzt wird.
Die geringe Genauigkeit des Resolvers und sein systembedingtes I-Verhalten im Regelkreis sind jedoch genau die Kriterien, die den durch die digitale Drehzahlregelung erreichbaren Merkmalen, wie hoher Gleichlauf und hohe Dynamik bzw. Laststeifigkeit, entgegenstehen.
Aus diesem Grund entstanden wiederum eine Vielzahl unterschiedlichster Signalgeberausführungen.
Dies führte zu einer unübersehbaren Anzahl von Schnittstellen.
Konventionelle Signalgeber
Bekannte Systeme optischer Drehgeber sind sogenannte Inkrementalgeber oder Absolute Winkelcodierer. Gerade die letztgenannten sind wegen ihres großen Aufwands zur Herstellung nach konventioneller Art relativ teuer.
Hierbei wird die auf einer Glasscheibe codierte, binäre Information gelesen.
Für jede binäre Stelle benötigt man eine entsprechende optische Abtastung. Sämtliche Abtastungen müssen zueinander unter allen Bedingungen so eingestellt sein, daß kein Lesefehler auftreten kann.
Die Schnittstelle solcher Absoluten Winkelcodierer überträgt auch ständig den kompletten Absolutwert.
Hiperface-Geber
Hiperface steht für High-Performance-Interface und beschreibt die physikalische Schnittstelle zwischen Motorfeedback-System und Regler. Die Hiperface Motorfeedback-Systeme sind eine Mischung aus Inkrementalgeber und Absolutwertgeber. Der Absolutwert wird hierbei zunächst nur beim Einschalten des Gerätes gebildet und via der RS 485-Schnittstelle über den Parameterkanal einem externen Zähler mitgeteilt, der dann basierend auf diesem Absolutwert inkremental über die analoge Sinus-Cosinusschnittstelle weiterzählt. Damit auch bei großen Drehzahlen eine hohe Auflösung möglich ist, wird das Inkrementalgebersignal nicht wie üblich in digitalen Werten, sondern als analoge Sinus/Cosinusspannung via Prozessdatenkanal übertragen und im Regler entsprechend interpoliert (z.B. mit einem 10 Bit A/D-Wandler). Bei einer Periodenzahl von 512 pro Umdrehung entsteht somit bei einer Drehzahl von 12.000 1/min nur eine Frequenz von 102,4 kHz, die dann problemlos auch über weite Strecken übertragbar ist. Die sinusförmigen Signale haben den Vorteil, daß der Übertragungskanal nicht wie bei digitalen Signalen extrem breitbandig ausgelegt werden muß, sondern daß eben nur so viel Bandbreite nötig ist, wie die Drehzahl erfordert. So braucht z.B. ein Servomotor bis 6.000 1/min bei einer gewünschten Auflösung von 20.000 Imp./Umdrehung eine Bandbreite von 2 MHz zur Übertragung digitaler Signale. Beim Einsatz von SinCos nur 51,2 kHz.
Motorfeedback-Systeme
SinCos und SinCoder heißen die Motorfeedback-Systeme, deren entscheidende Vorteile nicht nur die standardisierte elektrische Schnittstelle ist. Der SinCoder wurde hauptsächlich für den low-end-Bereich konzipiert. Er kommt überall dort zum Einsatz, wo der Resolver an seine Grenzen gestoßen ist. Üblicherweise beträgt die Genauigkeit von Resolvern 10 – 20 Winkelminuten. Der SinCoder liegt bei 1 Winkelminute! Auch in puncto Auflösung ist der SinCoder dem Resolver weit überlegen. Mit einer 1024-fach höheren Auflösung bietet er eine Informationsdichte, die aufgrund der gestiegenen Kundenansprüche immer mehr gefordert wird. So benötigt man z.B. für ein “stetiges” Regelverhalten der Drehzahl einen sehr hohen Informationsfluß in Echtzeit. Bei Einsatz eines 10 Bit A/D-Wandlers ergibt sich eine Auflösung von 20 Bit. Im Gegensatz zum Resolver zeigt der SinCoder reines P-Verhalten, d.h. am Regler stehen Informationen online an, die durch die Demodulation entstehende Zeitverzögerung entfällt. Der SinCos ist prädestiniert für den Einsatz im High-end-Bereich. Trotz seiner Kompaktheit wurde ein mechanisches Getriebe für die Erfassung von mehreren Umdrehungen (Multiturn) integriert. Gerade für C-Achs-Betrieb sind hohe Genauigkeiten gefordert. Für dieses Einsatzgebiet besticht der SinCos durch eine Genauigkeit von 18 Winkelsekunden!!
Das elektronische Typenschild
Durch die Integration eines EE-PROMS in beiden Geber-typen (SinCos und SinCoder) können aufwendige Eingabearbeiten entfallen. In diesem elektronischen Typenschild werden die Motorkenndaten hinterlegt, was zur Folge hat, daß der Regler sich selbständig auf die Parameter des Motors einstellt. Das zeitraubende, fehlerbehaftete Eingeben via Tastatur entfällt somit. Nicht nur ein Segen für die geplagten Ingenieure, auch die Betriebswirtschaftler freuen sich über die daraus resultierenden Kosteneinsparungen.
Revolutionäre Befestigungssysteme
Da beide Geräte über die gleiche Mechanik verfügen, kann der Motorenhersteller das B-seitige Wellenende für alle Motortypen gleich ausführen.
Motoren unterschiedlichster Leistungsklasse haben somit immer die gleiche Mechanik, um so mit SinCoder oder SinCos alle Applikationen abdecken zu können.
Mit der Einführung der digitalen Drehzahlregelung beginnt ein neues Zeitalter für MotorfeedbackSysteme. Die bisherigen Lösungen, wie z.B. die Resolvertechnik, werden den gestiegenen Ansprüchen an Genauigkeit, Auflösung, P-Verhalten und Kommutierungsjustage- bzw. information nicht mehr gerecht. Die hier vorgestellten patentierten Hiperface Feedbacksysteme erfüllen diese Anforderungen:
n Hoher Temperaturbereich und extrem hohe Störfestigkeit für Einbau in den Motor
n Die für die Drehzahlregelung erforderliche Winkelinformation kann mit hoher Genauigkeit auch bei Drehzahlen bis 12.000 1/min. mittels weniger elektrischer Leitungen über eine Strecke von 100 m störsicher übertragen werden.
n Einfacher Einbau in den Motor, die absolute Position ist der mechanischen Wellenstellung elektrisch zuzuordnen.
n Die Geräte sind extrem kompakt und haben sowohl als Single- als auch als Multiturngeber gleiche mechanische Abmessungen.
n Auch andere Informationen, wie Motorkenndaten und logistische Informationen können gelesen und gespeichert werden.
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