Antriebslösungen mit Linearmotoren

Transkript

1 Antriebslösungen mit Stephan Beineke, Lust Antriebstechnik GmbH Übersicht 1. Einleitung 2. Geschwindigkeitsbestimmung 3. Dynamische Linearmotorregelung 4. Anwendungsbeispiele für Antriebslösungen Lust Antriebstechnik GmbH IEEE Chapter Meeting 26, Antriebslösungen mit -1-

2 Realisierung einer Linearbewegung direkte Umsetzung mit Linearmotor rotativer Antrieb mit/ohne Getriebe + (a) Riemen (b) Ritzel-Zahnstange (c) Kugelgewinde Lust Antriebstechnik GmbH IEEE Chapter Meeting 26, Antriebslösungen mit -2-

3 Vor- und Nachteile linearen Direktantrieben Prinzipielle Vorteile höhere mechanische Steifigkeit, weniger Reíbung, keine Lose höhere Regelgüte (Dynamik, Genauigkeit) verbessert die Qualität höhere Geschwindigkeiten und Beschleunigungen erhöhen die Produktivität weniger Komponenten, geringerer Verschleiß, höhere Verfügbarkeit und Lebensdauer Prinzipielle Nachteile sensibler bezüglich (Umrichter und Messeinrichtung) höhere Kosten für den Motor (Systemkosten können aber geringer sein!) keine Möglichkeit zur Kraftübersetzung, größere Verlustleistung Magnetfelder und Anziehungskräfte (z.b. auf Späne) können stören Die anwendungsspezifischen Vor- und Nachteile sind entscheidend! Lust Antriebstechnik GmbH IEEE Chapter Meeting 26, Antriebslösungen mit -3-

4 Synchron- Standardmotor: Eisenbehafteter Synchronmotor Geschw. Vergleich der Kosten Motortypen eisenbehaftet + eisenlos Lager- KraftKraft / kräfte welligkeit Volumen Kraft/ Kühlung Motormasse O Eisenloser Synchronmotor Quelle: Gißler, SPS/DRIVES 21 Lust Antriebstechnik GmbH IEEE Chapter Meeting 26, Antriebslösungen mit -4-

5 Eisenloser Linearmotor für höchste Dynamik und Präzision Geschw. Lust Antriebstechnik GmbH IEEE Chapter Meeting 26, Antriebslösungen mit -5-

6 Standard-Linearmotor mit 4 Messsystemen Maßband für Optisches System (2µm) Geschw. Maßband für MR System (1 mm) Abtastung der Magnetbahn (Hall- bzw. MR-Sensorik) (32 mm) Lust Antriebstechnik GmbH IEEE Chapter Meeting 26, Antriebslösungen mit -6-

7 Abtastung der Magnetbahn Geschw. Lust Antriebstechnik GmbH IEEE Chapter Meeting 26, Antriebslösungen mit -7-

8 Geschwindigkeitsbestimmung Das Messsystem bestimmt maßgeblich die Systemkosten und die erreichbare Dynamik. Herausforderung: Beste Dynamik mit möglichst kostengünstigem Messsystem Positions- und Geschwindigkeitsbestimmung Servoregler CDD3 (16bit µc + dsmc ASIC, Fixed Point, 3 MHz) Verfahren zur Kommutierungsfindung, um auf Absolutwertgeber verzichten zu können (Kostenreduktion) Performance-Verbesserung durch Spursignalkorrektur Performance-Verbesserung durch Beschleunigungssensoren Servoregler ServoOne (32bit µc, Floating Point, 15 MHz) NEU Verbesserte Rauschunterdrückung durch Beobachter Lust Antriebstechnik GmbH IEEE Chapter Meeting 26, Antriebslösungen mit -8-

9 Verfahren zur Kommutierungsfindung (SPS/DRIVES 23) Aufgabenstellung Einsatz rein inkrementeller Geber bei Synchronmotoren, um die Kosten zu reduzieren Feldorientierte Synchronantrieben benötigt die Kenntnis der Absolutlage des Läufers innerhalb einer Polteilung (Kommutierungswinkel) Bekannte Lösungen 1. Hall-Sensoren als zusätzliches Absolutmesssystem für die Kommutierung 2. Stromeinprägung mit Ausrichtbewegung 3. Stromeinprägung mit Kommutierungswinkelregelung 4. Auswertung der Ständerinduktivitätssättigung Eigene Lösungen mit Schwingungsanalyse (Patent) 5. Auswertung der Phasenbeziehung 6. der maximalen Amplitude Lust Antriebstechnik GmbH IEEE Chapter Meeting 26, Antriebslösungen mit -9-

10 Performance-Verbesserung durch Spursignalkorrektur Lagegeber liefern zwei Spursignale (Sinus- u. Cosinus-Spur) Auswertung durch Zähler und Feininterpolation (atan, 14bit ) Spursignale in komplexer Darstellung s s s ( ε ) = s ( ε ) + j s ( ε ) ( ε ) = a k k = jε ( ε ) = c e ideal 1 c e jkε b Spursignale weisen systematische Fehler auf: Offset-Fehler (c ) maximal 4% Amplituden- Differenz (Re {c -1} ), maximal 4% Phasen-Fehler, Phase zw. Sinus und Cosinus ist nicht exakt 9 (Im {c -1} ) Harmonische Verzerrungen (c k, k >1 ), typisch THD < 1% Die dominanten Fehler hängen c und c -1 ab. Lust Antriebstechnik GmbH IEEE Chapter Meeting 26, Antriebslösungen mit -1-

11 Performance-Verbesserung durch Spursignalkorrektur GPOC = Gain Phase and Offset Correction (Patent) Online-Korrektur-Verfahren, keine Inbetriebnahme notwendig wertet das Betragsquadrat der Spursignale durch Kreuzkorrelation mit der Lage aus s s ( ε ) 2 2 ( ε ) c + 2c Re{ c } cos 2ε + 2c Im{ c } 1 1 Amplitudendifferenz Kreuzkorrelation für Phasenfehler 2 = 1 k = c k e jkε 2 { c} cosε + 2c Im 1 { c } + 2c 1 Re Offset Spur A 2πn ϕ = k s( ε ) 2 sin 2ε dε 1 1 sin 2ε Phasenfehler sin ε Offset Spur B Lust Antriebstechnik GmbH IEEE Chapter Meeting 26, Antriebslösungen mit -11-

12 Performance-Verbesserung durch Spursignalkorrektur GPOC-sstruktur (Patent) 2πn 2 für Amplitudenkorrektur und Phasenkorrektur ( ϕ = k s( ε ) sin 2ε dε ) Lust Antriebstechnik GmbH IEEE Chapter Meeting 26, Antriebslösungen mit -12-

13 Performance-Verbesserung durch Spursignalkorrektur speed [mm/s] GPOC Experimentelle Ergebnisse ohne no correction GPOC mit GPOC speed [mm/s] time [s] time [s] FFT amplitude [mm/s] harmonic 1. Harmonische 2. Harmonische 2.harmonic FFT amplitude [mm/s] Harmonische 1.harmonic frequency [Hz] frequency [Hz] Lust Antriebstechnik GmbH IEEE Chapter Meeting 26, Antriebslösungen mit -13-

14 Beobachter zur Drehzahlfilterung FFT q-stromsollwert (akustische Geräusche des Antriebs) 1. Harm. 2. Harm. Digitalfilter ohne GPOC 1. Harm. 2. Harm. Digitalfilter mit GPOC 2. Harm. 1. Harm. Beobachter als Filter Vergleich Digitalfilter (PT1) mit Lastmomentbeobachter (Einmassensystem) Vorteile des Beobachters Antrieb deutlich leiser keine Phasenabsenkung durch Filterung mehr Phasenreserve und damit mehr Stabilität höhere Reglerverstärkungen möglich besseres Führungsverhalten Lust Antriebstechnik GmbH IEEE Chapter Meeting 26, Antriebslösungen mit -14-

15 : Reglerstruktur Servoregler CDD3 (16bit µc + dsmc ASIC, Fixed Point, 3 MHz) Vorsteuerung Geschwindigkeit und Beschleunigung Rastkraftkompensation (Anti-Cogging) Frequenzgangmessung und Notchfilter Servoregler ServoOne (32bit µc, Floating Point, 15 MHz) NEU Erweiterte sstrukturen u.a. mit aktiver Schwingungsdämpfung, erweiterte Filter... Lust Antriebstechnik GmbH IEEE Chapter Meeting 26, Antriebslösungen mit -15-

16 Beschleunigungsvorsteuerung Vorsteuerung bis zur Beschleunigung ( = Kraft = Strom) Vorsteuerung für Reibkräfte Filter für Phasenverschiebung der Vorsteuergrößen Dynamik des Führungsverhaltens entspricht der des Stromregelkreises Lust Antriebstechnik GmbH IEEE Chapter Meeting 26, Antriebslösungen mit -16-

17 Ergebnisse ohne/mit Beschleunigungsvorsteuerung speed feedforward speed and accelaration feedforward speed [mm/s] reference actual speed [mm/s] reference actual position tracking error [mm] time [s] Lust Antriebstechnik GmbH IEEE Chapter Meeting 26, Antriebslösungen mit -17- position tracking error [mm] time [s]

18 Rastkraftkompensation (Anti-Cogging) S pe e d-ripple [mm/s ] Wasserfalldiagramme der Geschwindigkeitsverläufe (Spektren bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten) S pe e d [mm/s ] ohne Kompensation mit Kompensation 2.harmonic Harmonische 2 4.harmonic 4. Harmonische 1 6.harmonic Harmonische 5 1 f [Hz] 15 S pe e d-ripple [mm/s ] S pe e d [mm/s ] 2.harmonic Harmonische 4. 4.harmonic Harmonische 6.harmonic Harmonische f [Hz] 15 2 Lust Antriebstechnik GmbH IEEE Chapter Meeting 26, Antriebslösungen mit -18-

19 Anwendungsbeispiele bei Lust Lösungen mit Standard -Antriebstechnik schnelle Handlingapplikationen Laserschneiden, Wasserstrahlschneiden Verpackungsmaschinen Belichtung Fotoplatten Bonding, Bestückautomaten (eisenlose Motoren) Materialtransport, Parksystem Lust Antriebstechnik GmbH IEEE Chapter Meeting 26, Antriebslösungen mit -19-

20 Anwendungsbeispiele bei Lust Spezielle Lösungen (Software, Hardware, Engineering) Geschw. Folienstreckmaschine Transportsystem im Vakuum Neue Bahn Paderborn (Linearmotor als Bahnantrieb) Lust Antriebstechnik GmbH IEEE Chapter Meeting 26, Antriebslösungen mit -2-

21 Zusammenfassung Antriebslösungen mit... werden in Maschinendesigns zunehmend eingesetzt bekommen immer größere wirtschaftliche Bedeutung stellen höhere Anforderungen an Servoregler erfordern kostengünstige Messsysteme mit guter Auswertung stechnik für höchste Dynamik Die beste Systemlösung entscheidet! Gute Maschinendesigns sind in der Entwicklung! Aber es ist noch viel Optimierungspotential vorhanden! Umsetzung im Servoregler ServoOne Lust Antriebstechnik GmbH IEEE Chapter Meeting 26, Antriebslösungen mit -21-