antriebstechnik 7/2018

Elektronisches

Elektronisches Typenschild – Power Interface Communication: Kommunikationsverfahren für geberlose Motoren Wenn heute ein PC-Drucker über die USB-Schnittstelle an einen Laptop angeschlossen wird, ist die Erwartungshaltung des Anwenders, dass nach kurzer Zeit ein aktueller Treiber für den Drucker automatisch installiert wird – ohne weitere Installationsschritte. Genauso selbstverständlich ist, dass Laptop, Smartphone usw. herstellerunabhängig weltweit genutzt und vernetzt werden können – Wireless oder via RJ-45 Netzwerkkabel. Was in der IT selbstverständlich ist, ist bei Frequenzumrichter-betriebenen Elektromotoren für die Automatisierungstechnik bisher nur mit nennenswerten Einschränkungen möglich. Motor 3~ 50Hz IEC 34-1 No. 15 kW 1455 r/min. CI . F cos = 0.90 400 V 27.5 A 230 V 48.7 A Cat. No. IP 54 kg 01 Typisches Motortypenschild Industrielle Servoantriebe verfügen heute meist über Motorfeedbacksysteme mit einer digitalen Schnittstelle. Über diese Schnittstellen können im Motor hinterlegte Daten – z. B. ein elektronisches Typenschild – gelesen werden. Diese Schnittstellen sind in der Regel herstellerspezifisch: n Der Encoderhersteller Heidenhain stattet seine Winkelmesssysteme standardmäßig mit einer digitalen, RS-485 basierten 6-Draht-Schnittstelle aus. Das proprietäre EnDAT-Protokoll darf nicht von (Encoder-) Wettbewerbern genutzt werden. Prof. Dr.-Ing. Jens Onno Krah ist Leiter des Labors für Regelungstechnik, Alexander Abidin, M.Sc., und Dipl.-Ing. Christoph Hirschmeier sind Mitarbeiter am Institut für Automatisierungstechnik, alle an der TH Köln und Dipl.-Ing. Abednego Atsuri Johnson leitet den Arbeitskreis „Geregelte Elektroantriebe“ in der Forschungsvereinigung Antriebstechnik in Frankfurt a. M. n Die Firma Siemens nutzt bei dem Antriebssystem Sinamics die proprietäre Systemschnittstelle DRIVE-CLiQ, welches andere Steuerungshersteller nicht nutzen dürfen. n Die nicht proprietären Encoderschnittstellen wie z. B. BiSS (IC- Haus), Hiperface-DSL (Sick) oder SCS open link (Hengstler) konnten sich bislang nur eingeschränkt durchsetzen. Auch die offenen Encoderschnittstellen bieten bisher kein definiertes Format für ein elektronisches Typenschild. Bei in Motoren eingebauten Encodern mit digitaler Schnittstelle nutzen deshalb fast alle Hersteller noch immer ein proprietäres Format für das elektronische Motortypenschild, welches in einem dafür vorgesehenen Speicherbereich des Encoders – üblich sind wenige kByte – gespeichert wird. Herstellerübergreifend ist, dass die verschiedenen Encoderschnittstellen das Lesen und Schreiben des OEM-Speicherbereichs im Encoder unterstützen. Das funktioniert gut um ein elektronisches Typenschild zu realisieren, wenn Motor und Frequenzumrichter von einem Hersteller stammen. 46 antriebstechnik 7/2018

ELEKTROMOTOREN Parameter nur schätzen Der robuste und kostengünstige Asynchronmotor wird auch als das „Arbeitspferd“ der elektrischen Antriebstechnik bezeichnet. Angesteuert über einen Frequenzumrichter ist er in der Lage, gegen große Gegenmomente von Arbeitsmaschinen anzulaufen und kann gleichzeitig bei verschiedenen Drehzahlen hoch effizient betrieben werden. Der sensorlose Betrieb von Asynchronmaschinen hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, da die messtechnische Erfassung von Drehzahl bzw. Winkel aufwendig ist und in der Praxis aus Kostengründen meist nicht erwünscht ist oder wegen ungünstiger Einsatzbedingungen, z. B. hohe Temperatur oder starke Vibration, kaum möglich ist. Auch werden mit Servomotoren realisierte Positionierantriebe zunehmend sensorlos geregelt, also auch ohne eingebautes Motorfeedbacksystem ausgeführt. Bei Motoren ohne eingebauten Encoder gibt es bisher keine Möglichkeit ein elektronisches Typenschild automatisch auszulesen. Zur Unterstützung der Inbetriebnahme gibt es inzwischen leistungsfähige Tools. Durch das automatische Ausmessen der Motorkennwerte können Parameter geschätzt werden. Das unterstützt eine Inbetriebnahme, hat aber nicht nur bei langen Motorleitungen Grenzen. Die Erwartungshaltung der Anwender von Frequenzumrichtern und Servoantrieben lässt sich wie folgt zusammenfassen: n Wenn ein Frequenzumrichter an einen Motor angeschlossen wird, soll dieser sich automatisch und sicher mit den passenden Parametern konfigurieren, damit der Antrieb maximale Leistung bei einem optimalen Wirkungsgrad bereitstellen kann, auch wenn Motor und Frequenzumrichter (FU) von unterschiedlichen Herstellern kommen und auch bei Motoren ohne eingebauten Encoder. n Während des Betriebs sollen Temperaturen und auch andere Kenngrößen überwacht werden: Condition Monitoring. n Natürlich ohne zusätzliche Stecker und Kabel – und zu minimalen Kosten. Vor diesem Hintergrund starteten der Fachverband Nahrungs- und Verpackungsmaschinen des VDMA und die Forschungsvereinigung Antriebstechnik e.V. (FVA) das Forschungsvorhaben „Motor als Cyber-physikalisches System – Elektronisches Typenschild“, welches aktuell an der TH Köln bearbeitet wird. Zu bearbeiten sind zwei Aufgabenstellungen: n Definition der Darstellung des elektronischen Typenschilds zur digitalen Speicherung: Wie kann das Typenschild in einem motor integrierten Speicher – z. B. im EEPROM eines Encoders mit digitaler Schnittstelle – herstellerübergreifend hinterlegt und ausgelesen werden. Die Spezifikation der Daten wird in Zusammenarbeit mit dem ZVEI festgelegt. n Für Motoren ohne eingebaute Encoder soll über das vorhandene Motorkabel ähnlich einer Power Line Communication auf dieses elektronische Typenschild zugegriffen werden. Dazu soll im Motor eine kostengünstige Elektronikbaugruppe integriert werden. Diese neue Schnittstelle soll das Auslesen des elektronischen Typenschilds primär für eine schnelle Inbetriebnahme und auch Condition Monitoring ermöglichen und 02 03 Bei Servomotoren ist es üblich, dass ein elektronisches Typenschild in einem OEM-Speicherbereich des motorintegrierten Encoders gespeichert ist Aus der Anstiegszeit der IGBT-Endstufenspannungen kann die Bandbreite abgeschätzt werden wird im Folgenden als Power Interface Communication (PIC) bezeichnet. Die folgenden Ausführungen beziehen sich auf den zweiten Punkt – Kommunikation mit einer motorintegrierten Elektronik über das Standard Motorkabel. Power Interface Communication Eine Herausforderung für die PIC zwischen FU und Motor sind die pulsweitenmodulierten Spannungen von dem FU. Die Spannungsflanken bei Frequenz umrichtern mit IGBT-Leistungshalbleitern betragen ca. 5 kV/µs. Bei einer Zwischenkreisspannung von ca. 600 VDC ergibt sich eine Anstiegszeit t r (rise time) von antriebstechnik 7/2018 47