Signalprozessor für präzise und mehrachsige Servoantriebe

Anbieter zum Thema

Die Digitaltechnik ersetzt Analogfunktionen

In manchen Präzisions-Servoantrieben kompensiert eine zusätzliche Schleife interne Drehmomentwelligkeit im Servomotor, die durch Interaktionen zwischen den Statorwicklungsspalten und den Rotormagneten entsteht. All dies verbessert die Leistungsfähigkeit des Motors bei niedrigen Drehzahlen, was sich wiederum in der Genauigkeit und Oberflächenqualität des Endprodukts niederschlägt.

Wie beschrieben, ergibt sich die Leistungsfähigkeit des Antriebssystems aus mehreren Elementen: Steuerungsarchitekturen, Motor-Design, Leistungsschaltkreis, Rückkopplungssensor und Steuerungsprozessor. Die Steuerungsarchitekturen haben sich aufgrund der steigenden Anforderungen an die Leistungsfähigkeit von Antrieben sowie im Hinblick auf Kriterien wie Flexibilität und Kosten weiterentwickelt. Fortschritte bei analogen und digitalen Steuerungskomponenten sind dabei mit eingeflossen. Herkömmliche auf Analogschaltkreise basierende Servosteuerungen wurden durch digitale Steuerungen mit Embedded-Prozessoren ersetzt.

Des Weiteren wird das Geschwindigkeitssignal der CNC-Steuerung, das in der Vergangenheit ein Präzisions-Analogsignal war, jetzt als Datenpaket über ein Echtzeit-Industrienetzwerk übertragen. Somit beinhaltet das moderne Servoantriebssystem eine Kommunikationsschnittstelle zusammen mit den Steuer- und Leistungsschaltkreisen.

Eine immer wiederkehrende Herausforderung bei der Entwicklung von Schaltungen für Antriebssysteme besteht darin, die Hochvolt-Leistungsschaltkreise von den Steuer- und Kommunikations-schaltkreisen zu isolieren. Eine gemeinsame Architektur, die die Isolation des Wechselrichtersignals vereinfacht, besitzt eine direkte Verbindung zwischen Leistungselektronik und Masse des Steuerungsprozessors sowie über eine Isolationsstrecke zwischen Steuerungsprozessor und Kommunikationsschnittstelle.

Bei der gebräuchlicheren Architektur für Servoantriebe wird die Sicherheitsisolationsstrecke zwischen Leistungsstufe und Steuerungsprozessor platziert, der eine direkte Verbindung zur Kommunikationsschnittstelle hat. Eine weniger gebräuchliche Architektur ist, die Sicherheitsisolationsstrecke zwischen Leistungsteil, Steuerung und Kommunikation zu trennen. Dies reduziert die Anforderungen an die Isolation jeder Isolationsstrecke und kann ferner kleinere Abmessungen des Systems bewirken.

Bildergalerie

Ein Beispiel für die isolierte Steuerungsarchitektur zeigt Bild 3. Wechselrichter-Gate-Treiber, Spannungsrückkopplung und Motorstromrückkopplungssignale sind vom Steuerungsprozessor isoliert. Eine direkte Verbindung zu den Positionsrückkopplungssensoren, dem Anwender (Interface User/Machine) und zu den Kommunikationsschnittstellen ist vorhanden. Diese Architektur bietet nicht nur Sicherheitsisolation für die Steuerschaltkreise, sondern unterdrückt auch das durch die Hochvolt-Leistungswechselrichter hervorgerufene Schaltkreisrauschen. Das Motorstrom-Feedback wird durch Wicklungs-Shunts und isolierte Sigma/Delta-Modulatoren generiert, die Verstärkungsanpassung (Gain Matching), einen sehr geringen Offset sowie eine sehr hohe Linearität bewirken.

Die programmierbaren SINC³-Filter am Steuerungsprozessor, die den Signalpfad der Stromrückkopplung vervollständigen, beinhalten auch Funktionen zum Erfassen ausgangsseitiger Kurzschlüsse. Analogsignalisolatoren sorgen für die Isolation der Wechselrichter-Busspannung. Dieses Signal wird durch den Embedded Sampling ADC erfasst. Die Quadratur Encoder Peripherie (QEP) am Steuerungsprozessor unterstützt einfache Digital-Encoder-Schnittstellen. Höher auflösende Encoder mit Interpolationsschaltkreisen jedoch nutzen üblicherweise schnelle serielle Schnittstellen, um Positions- und Drehzahlinformationen bei Bedarf zu übertragen.

(ID:43102344)