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antriebstechnik 11/2018

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ELEKTROMOTOREN Wenn’s

ELEKTROMOTOREN Wenn’s mal wieder länger dauert … Realisation von extrem langsamen Geschwindigkeiten bei BLDC- und Schrittmotoren Bei vielen Anwendungen in den unterschiedlichsten Branchen sind prozesstechnisch hohe Dynamik und Flexibilität die entscheidenden Anforderungen an die eingesetzte Antriebstechnik. Es gilt, auch bei sehr langsamen Drehzahlen eine hohe Regelgüte zu erreichen. Um bei dynamischen Anwendungen auch im unteren Drehzahlbereich ab 0 min -1 eine sehr gute Regelsteifigkeit zu erreichen, hat Nanotec einen intelligenten Software- Algorithmus entwickelt. Rainer Schönwald ist Entwicklungsleiter bei der Nanotec Electronic GmbH & Co. KG in Feldkirchen Beschwerlich zieht der Boxermotor mit 30 PS die Karosserie des Käfers über die Alpen gen Süden. Schnell mal einen Cappuccino am Gardasee trinken, das war in den 60er Jahren ohne entsprechende Vorbereitungen und dem Mitführen eines Survival Kits (Blumenvase, gehäkelte Toilettenpapierrolle…) undenkbar. Außerdem belastete die Anreise mit einer bauartbedingt geringen Geschwindigkeit das Zeitbudget der zur Verfügung stehenden Urlaubstage von ehemals durchschnittlich 20 Tagen spürbar. Wenn sich dann noch in den Bergen der Herbst ankündigte, vernebelte ein dichter weißer Dunst zu später Stunde oftmals die Sicht auf die Straßenführung. Spartanisch ausgeführte Straßenmarkierungen und -begrenzungen reduzierten die Durchschnittsgeschwindigkeit auf natürliche Weise weiter dramatisch. Exponentiell umgekehrt zur Anzahl der sicht- und erkennbaren Leitpfosten stieg die Unsicherheit, wann sich schemenhaft der nächste rettende Orientierungspunkt zeigen würde. Ein Stand der Technik Vergleichbar sind die Rahmenbedingungen von geregelten (Closed Loop = CL) BLDCund Schrittmotoren mit Feedback bei langsamen Geschwindigkeiten. Konstruktiv eigentlich für hohe Geschwindigkeiten ausgelegt, kommen diese Systeme bei Encoderauflösungen von durchschnittlich 500 bis 4 096 Inkr./U und sehr geringen Drehzahlen in Bezug auf ihre Dynamik an regelungstechnische Grenzen. Wird z. B. nur noch alle 10 min ein Encoderinkrement detektiert, müssen intelligente Algorithmen den Blindflug zwischen zwei Leitpfosten ausgleichen. Ziel ist es daher, eine über den gesamten Drehzahlbereich stabile und reproduzierbare rotatorische Auflösung zur Verfügung zu stellen. Eine weitere wichtige Anforderung betrifft die Positionsnachführung bzw. -korrektur. Soll die feldorientierte Regelung (Field Oriented Control = FOC) konsequent beibehalten werden, versagen aufgrund der großen Totzeiten bei sehr geringen Geschwindigkeiten bekannte Implementationen, wie die Interpolation zwischen zwei Positionsinformationen durch eine e-Funktion zu kompensieren. Vielversprechend sind Lösungen wie das Abschätzen von Geschwindigkeit und Beschleunigung. Diese Verfahren rekonstruieren aus der historischen Datenbasis das zu erwartende Verhalten und sollen dadurch die inhärent vorhandenen Quantifizierungsfehler von Low-Cost-Encodern mit geringer Auflösung kompensieren. In Abhängigkeit von der jeweiligen Anwendung und des Verwendungszwecks sind zwei Methoden für die Bestimmung der (quasi-)aktuellen Position weit verbreitet: Die zeitlich-zyklische Abtastung („fixedtime“), welche die Positionsänderung zwischen zwei Zeittakten ermittelt sowie die Erfassung der Positionsänderung („fixedposition“), welche die Zeit zwischen zwei Positionsänderungen berechnet. Von diesen beiden physikalischen Grundgrößen, Positionsänderung und Zeitschlitz, kann die aktuelle Geschwindigkeit entsprechend abgeleitet werden. Die Implementation dieser Methoden ist relativ einfach und der Ressourcenverbrauch gering. Unabhängig von der präferierten Lösung, um die Steifigkeit der Regelung zu gewährleisten, steigt 24 antriebstechnik 11/2018

ELEKTROMOTOREN mit zunehmendem zeitlichen Abstand zwischen den physikalischen Rückmeldungen von Positionsänderungen systembedingt auch die Herausforderung, die zunehmenden Totzeiten zu kompensieren. Präemptiver Algorithmus 01 Vergleich Geschwindigkeitsverhalten bei Drehmomentsprung 02 Vergleich Stromverhalten bei Drehmomentsprung Alle Verfahren, die sich auf historische Positionsinformationen stützen, können übergeordnet in die Kategorie der defensiven Auswertemethoden eingeordnet werden. Kennzeichen dieser Methoden ist die Konsolidierung der Information über das bisherige Prozessverhalten, um daraus eine Erwartungshaltung für das kommende Event zu erzeugen. In Abhängigkeit von und nach Bewertung der vorhandenen Datenbasis aus der Vergangenheit auf der einen und des aktuellen Prozessverhaltens auf der anderen Seite hat diese Vorgehensweise jedoch einen signifikanten Einfluss auf die Regelgüte. Weicht, z. B. durch einen Drehmomentsprung, das reale Prozessverhalten stark vom kalkulierten Wert ab, wird in Abhängigkeit von den Einstellungen der PI-Regelparameter das An- bzw. Ausregelverhalten mehr oder weniger gedämpft ausgeführt. Befindet sich das Gesamtsystem an der Grenze zur Selbsterregung (geringe Phasenverschiebung zwischen der Regeldifferenz und dem Stellwert), kommt unter Umständen eine Schwingungsneigung hinzu. Um eine hohe Regelgüte und -steifigkeit auch in den unteren Geschwindigkeitsbereichen zu gewährleisten, hat Nanotec einen etwas anderen Ansatz realisiert: Den intelligenten präemptiven Algorithmus „Slow Speed“. Bei dieser Lösung heißt es, bestmöglich darauf vorbereitet zu sein, was maximal auftreten könnte und nicht abzuwarten, bis es unerwartet passiert. In der Regel sind bei einer Anwendung das Prozessverhalten und die Prozessgrenzen bekannt oder werden konstruktiv vorgegeben. Genau hier setzt der neue Algorithmus an und nutzt die Eigenschaften der festgelegten zulässigen Grenzen inklusive vorgesehenem Dynamikverhalten. Weitere wichtige Anforderungen an den präemptiven Algorithmus sind: Keine Einschränkungen bei allen Prozessbedingungen, ausgelegt für Dauerbetrieb, keine Geschwindigkeitseinbrüche über den gesamten Drehzahlbereich sowie eine zuverlässige Reproduzierbarkeit der Position. Das typische Verhalten eines bürstenlosen DC-Motors – inklusive Standard-Encoder mit einer Auflösung von 4 096 Inkrementen (qua driert) ohne „Slow Speed“-Funktion – zeigt der blaue Graph in Bild 01. Die Sollgeschwindigkeit soll 4 min -1 betragen. Auch wenn das an der Abtriebsseite des Motors anstehende Gegenmoment stabil bleibt, sind Regelschwankungen um den Sollwert erkennbar, die maßgeblich aus den langen Totzeiten zwischen zwei Positionsabtastungen resultieren. Die PI-Regelparameter der Steuerung haben im Vergleich zur Totzeitkompensation nur geringe Auswirkungen auf das Regelverhalten. Ein plötzlicher Lastwechsel, dargestellt in der Mitte des Graphen, erzeugt systembedingt eine Regelabweichung. Im weiteren Verlauf ist ein sehr träges Anregelverhalten erkennbar, bis die Geschwindigkeit den Sollwert zum ersten Mal wieder erreicht. Das anschließende Ausregelverhalten ist gekennzeichnet durch große Überschwinger, und es vergehen einige Sekunden, bis sich das System innerhalb des ursprünglichen Toleranzbands wieder eingeschwungen hat. Das Verhalten bei aktivierter Funktion „Slow Speed“, siehe grüner Graph in Bild 01, führt bei gleichen Prozessverhältnissen zu einem wesentlich homogeneren Prozessverhalten. Bereits beim Einhalten des Sollwerts ist eine bessere Regelgüte signifikant. Bei plötzlich auftretenden Regelabweichungen greift der intelligente Regelalgorithmus sehr früh ein und reduziert dadurch bereits die erste Abweichung spürbar. Auffällig dabei ist zum einen die sehr geringe Anregelzeit und zum anderen das ausgesprochen kurze Ausregelverhalten. Wird z. B. für das Anregelverhalten die Betragsfläche als regelungstechnisches Gütekriterium zum Vergleich herangezogen, reduziert sich der Flächenbedarf bei aktivierter Funktion „Slow Speed“ um über 91 %. Das Lastwechselverhalten lässt sich auch am Ausgangsstrom als Wirkung erkennen. Wie in Bild 02 dargestellt, erfolgt der Eingriff des Prozessreglers zeitnah und aufgrund der vergleichsweise hohen Sollgeschwindigkeit von 4 min -1 zunächst unabhängig davon, ob die Funktion „Slow Speed“ aktiviert wurde oder nicht. Der intelligente Algorithmus „Slow Speed“ reagiert im Vergleich jedoch schneller auf die Regelabweichung und stellt gleichzeitig sicher, dass der geschlossene Regelkreis stabil bleibt. Bei Applikationen mit vorhersehbar geringen Lastschwankungen erzielen defensive Auswertemethoden durchaus gute Ergebnisse. Stehen jedoch hohe Dynamik und Steifigkeit als wichtige Prozessanforderungen auch bei extrem geringen Geschwindigkeiten im Vordergrund, liefert die präemptive Methode „Slow Speed“ zuverlässige Ergebnisse. Nanotec als Hersteller von hochwertigen Antriebslösungen kann diese Funktion mit einem einfachen Firmware-Update in jede Steuerung und jeden Motor mit integriertem Controller implementieren. Fotos: Nanotec www.nanotec.de antriebstechnik 11/2018 25

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