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antriebstechnik 7/2018

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04 05 06

04 05 06 Motoranschlussleitung als Übertragungsstrecke: a) Ersatzschaltbild für die Kommunikation, b) mit Hochpassfilter, c) mit Berücksichtigung von Umrichter und Motor Labortestimplementierung der FSK Modulation zum Senden (Tx) Labortestimplementierung der FSK Demodulation zum Empfangen (Rx) Aus der Anstiegszeit t r kann mit der von Oszilloskopen bekannten Faustformel die Bandbreite BW abgeschätzt werden. Betrachtet man die Ausgangspannung eines IGBT-Frequenzumrichters im Frequenzbereich, so ist erkennbar, dass erst Fre- quenzen deutlich über ca. 3 MHz zur Kommunikation genutzt werden können. Daraus ergibt sich, dass der Frequenzbereich von 14 bis 500 kHz, genutzt von Schmalband Powerline Communication (NB_PLC) G3-PLC für die Kommunikation im Niederspannungsnetz vor dem Hausanschluss, nicht geeignet ist. Breitband Powerline (BPL) nach IEEE 1901 nutzt einen Frequenzbereich bis ca. 70 MHz. Die aktuelle Version HomePlug AV2 nutzt den Frequenzbereich 30 bis 68 MHz. Hier sind, weil parallel viele Trägersignale verwendet werden, für diese Anwendung unnötig hohe Datenraten erreichbar. Hohe Frequenzen limitieren die maximale Leitungslänge. In [1] wird eine Standard-Ethernet-basierte Kommunikationsmethode, die das Stromkabel zwischen einem Motor und einem Umrichter verwendet, vorgeschlagen. Darüber hinaus werden experimentelle Ergebnisse und zwei Anwendungen vorgestellt. Fokus sind die Übertragungsrate und die Latenzzeit, um Prozessdaten, wie z. B. die Encoderposition zu übertragen. Vorgeschlagen wird die Verwendung von Motordrosseln, um die Übertragung zu verbessern. Für diese Anwendung sind Frequenzen zwischen 5 und 20 MHz am besten geeignet. Leider wird dieser Bereich bei Power Line Communication bisher nicht schmalbandig benutzt, wodurch keine verfügbaren Standardkomponenten genutzt werden können. An der TH Köln durchgeführte Messungen bestätigten, dass bei marktüblichen Motoranschlussleitungen Trägerfrequenzen um 10 MHz zur Übertragung besonders gut geeignet sind. Auch zeigte sich, dass der Wellenwiderstand der Motoranschlussleitungen unabhängig vom Hersteller bei ca. 100 Ω liegt. Die gemessene Amplitudendämpfung von bis zu 150 m langen Leitungen lag bei 10 MHz unter 10 dB. In Bild 04 ist die Kommunikation über die Motoranschlussleitung schematisch dargestellt. Als Übertragungsstrecke werden eine Motorphase gegen Schirm genutzt. Bild 04a zeigt eine einfache Übertragungsstrecke mit einer geschirmten Leitung mit dem Wellenwidertand Z 0 = 100 Ω. Links wird mit einer Stromquelle in Kombination mit dem Abschlusswiderstand eine Signalspannung gesendet (Tx). Rechts befinden sich ein Abschlusswiderstand und ein Empfänger für die Signalfrequenz (Rx). Bild 04b zeigt die Übertragungsstrecke auf beiden Seiten erweitert um passive LC-Hochpassfilter 2. Ordnung mit je 3 MHz Grenzfrequenz – und zusätzlichen Dioden zur Spannungsbegrenzung. Zumindest umrichterseitig sollten Y-Kondensatoren verwendet werden. Der Schirm ist in der Regel umrichter- und motorseitig geerdet. Bild 04c zeigt die Übertragungsstrecke mit einer Berücksichtigung des Umrichters – als Spannungsquelle U u mit Impedanz Z U – und dem Motor – als Spannungsquelle U i mit Induktivität L M . Nicht dargestellt ist die entsprechende Kommunikation von Motor zum Umrichter. Weil die Übertragung durch die Schaltflanken immer wieder gestört wird, wurde mit 9 600 Baud bewusst eine vergleichsweise langsame Übertragungsrate gewählt. Diese Punkt-zu-Punkt Kommunikation im Halbduplex-Betrieb ist vergleichbar mit der digitalen Schnittstelle von Hiperface [2]. Eine Halbduplex-Übertragung erfüllt die Anforderungen und ist kostengünstiger als eine Vollduplex-Kommunikation. Gute Ergebnisse wurden mit der Frequenz Shift Key (FSK) Modulation bei ca. 10 MHz erzielt. Bei FSK handelt es sich um eine digitale Frequenzmodulation (FM). Gesendet werden alternativ zwei Frequenzen, eine (f 0 ) für eine binäre „0“ und eine geringfügig 48 antriebstechnik 7/2018

ELEKTROMOTOREN 07 Der Testaufbau andere (f 1 ) für eine binäre „1“. Empfängerseitig werden die Amplituden der beiden Frequenzen ermittelt und verglichen. Weil verfügbare Power Line Communication Technik diesen Frequenzbereich nicht nutzt, wurden für die PIC-Untersuchungen FPGA-basierte Kommunikationsmodule an der TH Köln erstellt: n Ein LC-Filter zum Ein- und Auskoppeln des Trägersignals mit Dioden zur Spannungsbegrenzung n Ein Interface Modul mit 100 MHz/10 Bit DA- und 10 Bit AD- Wandler [3,4] n Das FPGA Evaluation Kit DE 10 Lite von Altera/Intel [5] Basierend auf dieser Hardware können verschiedene Modulationsverfahren in Software (VHDL) getestet werden. Bild 05 zeigt eine schematische Darstellung des Labortestaufbaus im Sendebetrieb. Je nachdem ob eine „0“ oder eine „1“ gesendet werden soll, wird im FPGA digital die Frequenz f 0 oder f 1 generiert und zyklisch auf den 10-Bit Digital Analog (DA-) Wandler geschaltet. Das FPGA-generiert alle 10 ns ein neues Datenwort um die Trägerfrequenz zu erzeugen. Das entspricht einer Taktfrequenz von 100 MHz. Der DA-Wandler erzeugt in Abhängigkeit von dem angelegten Datenwort einen entsprechenden Strom, der am Widerstand R 0 einen proportionalen Spannungsabfall bewirkt. Bild 06 zeigt eine schematische Darstellung des Labortestaufbaus im Empfangsbetrieb. Die Spannung an R 0 wird mit dem 10- Bit Analog Digital (AD-)Wandler mit 100 MHz abgetastet. Damit ist die Abtastfrequenz ca. 10 Mal höher als die Trägerfrequenz und ca. 10 000 Mal höher als die Baudrate. Dadurch wird eine robuste Übertragung möglich. Die vollständig digitale Signalverarbeitung ist in VHDL codiert und erfolgt im FPGA. Diese FSK-Demodulation mit Software nennt man auch Software Defined Radio. Bild 07 zeigt ein Foto des Labortestaufbaus mit einem Frequenzumrichter von Danfoss [6]. Die bisherigen Versuche sind vielversprechend. Die Übertragung mit 9 600 Baud erfolgte in beide Richtungen fehlerfrei, auch während der SEW-Motor [7] sich drehte. Der Umrichter wurde mit 400 VAC versorgt und die Taktfrequenz war auf 4 kHz konfiguriert. Untersucht wurden unterschiedlich lange geschirmte Leitungen zwischen 20 und 150 m. Zusätzlich wurde die Übertragung mit einem 100 m langen ungeschirmten Kabel getestet. Übertragen wurden jeweils 1 Mio. Zeichen ohne Fehler. Bemerkenswert ist, dass bei aktiver PWM die Signaldämpfung durch die IGBT Endstufe zwar signifikant ist, die Übertragung aber nicht beeinträchtigt. Ziele und Ausblick Ziel des Forschungsvorhabens ist, dass die Kosten für die zusätzliche Elektronik im Umrichter und für die Elektronik im Motor – bei hohen Stückzahlen – nicht zu hoch werden sollen. Aktuell werden mit dem Testaufbau Frequenzumrichter und Motoren von anderen Herstellern getestet. Parallel dazu wird ein Netzteil entworfen, damit die Elektronik im Motor kostengünstig aus der Motorphasenspannung mit Energie versorgt werden kann. Literaturverzeichnis: [1] A. Kosonen, M. Jokinen, J. Ahola, N. Niemelä, and J. Toukonen, “Ethernet based broadband power line communication between motor and inverter,” Electr. Power Appl., vol. 2, no. 5, pp. 316–324, Jan. 2008 [2] Hiperface, www.sick.com/de/de/motor-feedback-systeme [3] Datenblatt THS5651A, 125 MHz, 10-Bit DAC, www.ti.com [4] Datenblatt AD9215, 105 MHz, 10-Bit ADC, www.analog.com [5] DE10-Lite Board, www.terasic.com [6] Manual 2 kW Danfoss AutomationDrive FC-302P1K5T5E20H1BG [7] Manual SEW PM Motor MOVIGEAR®-DSM Glossar FPGA FSK FU IGBT PIC VHDL Field Programmable Gate Array Frequency Shift Key Frequenzumrichter Isolated Gate Bipolar Transistor Power Interface Communication Very high speed integrated circuit Hardware Description Language Danksagung Unser Dank geht an folgende Firmen, die das Projekt unterstützen: ABB, AMK Arnold Müller, Danfoss VLT Antriebstechnik, FAWema Maschinenfabrik, GEA Food Solutions Germany, Getriebebau Nord, Hauni Maschinenbau, Krones AG, Schneider Electric, SEW-Eurodrive, Sick AG und Siemens AG. antriebstechnik 7/2018 49

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