Die kompakten, leistungsstarken 4-Quadranten-PWM-Servocontroller der Escon-Familie.

Die kompakten, leistungsstarken 4-Quadranten-PWM-Servocontroller der Escon-Familie.Maxon Motor

Die kompakten, leistungsstarken 4-Quadranten-PWM-Servocontroller der Escon-Familie sind für die effiziente Ansteuerung von permanentmagneterregten, bürstenbehafteten DC- und BLDC-Motoren (bürstenlose DC-Motoren) mit Hall-Sensoren bis etwa 700 W ausgelegt. Sie verfügen über sehr gute Reglereigenschaften und besitzen einen schnellen digitalen Stromregler mit großer Bandbreite für eine gute Motorstrom-/Drehmomentkontrolle. Driftfreies und dynamisches Drehzahlverhalten erlaubt einen Drehzahlbereich zwischen 0 und 150.000 min-1. Aus der hohen Abtastrate für den Motorstrom und die Drehzahl resultiert die hohe Bandbreite von Strom- und Drehzahlregler. 53,6 kHz beträgt die Abtastrate für den Motorstrom, das heißt, der Stromregler wird im Zeitraster von 18,6 µs gerechnet, was bis zu fünf Mal schneller als bei herkömmlichen Kontrollersystemen ist. Die Abtastrate für die Drehzahl beträgt 5,36 kHz, das bedeutet Tachospannung oder Inkrementalgeberzähler werden etwa alle 186 µs erfasst. Im Ergebnis bewirken diese schnellen Abtastzeiten geringe Phasenverschiebungen im Strom- beziehungsweise Drehzahlreglerkreis, was letztlich die hohe Bandbreite ermöglicht.

Eckdaten

Für mobile und verbrauchsoptimierte Anwendungen bieten die Escon-Servocontroller mit ihrem sehr hohen Wirkungsgrad von 95 Prozent gute Voraussetzungen für unterschiedlichste Anwendungsbereiche. Für den Betrieb sind keine zusätzlichen externen Filter oder Motordrosseln notwendig und für die Inbetriebnahme stehen vorkonfektionierte Kabel als Zubehör zur Verfügung. Der Einsatztemperaturbereich erstreckt sich von -30 bis +81 °C.

Umfangreiche Funktionalitäten mit frei konfigurierbaren digitalen und analogen Ein- und Ausgängen bieten die Escon-Servocontroller und sie sind für dynamische Antriebslösungen mit hohen Anforderungen gut auf Maxon-Motoren abgestimmt. Sie können in diversen Betriebsmodi (Drehzahlregler, Drehzahlsteller, Stromregler) betrieben werden. Die Ansteuerung erfolgt über einen analogen Sollwert, der mittels analoger Spannung, externem oder internem Potentiometer, einem Fixwert oder mittels PWM-Signal mit variablem Tastverhältnis vorgegeben werden kann. Weitere Funktionalitäten sind beispielsweise die drehrichtungsabhängige Freigabe (Enable) oder Sperrung (Disable) der Endstufe oder das Beschleunigen und Abbremsen mittels definierter Drehzahlrampe. Durch einen digitalen Inkremental-Encoder (2-Kanal mit/ohne Line-Driver), einen DC-Tacho oder ohne Geber (I×R-Kompensation) lässt sich die Drehzahl regeln.

Diagnose-Werkzeug für Inbetriebnahme und bei Störungen

Über eine USB-Schnittstelle wird der Servocontroller mit dem PC verbunden und mittels der grafischen Benutzeroberfläche Escon Studio einfach parametriert. Eine Vielzahl von Funktionen und bedienerfreundliche Assistenten sowie ein automatisches Verfahren zur Abstimmung der Regler helfen während der Inbetriebnahme und bei der Konfiguration der Ein- und Ausgänge, Überwachung, Datenaufzeichnung und Diagnose. In einer Betriebsart nicht benötigte Eingaben werden nicht extra abgefragt. Das Resultat der Zuweisungen und die Verdrahtung des Escon-Controllers lassen sich speichern und als Diagramm ausgegeben.

Escon-Studio kann auch vom separat erhältlichen Escon-USB-Stick installiert werden.

Escon-Studio kann auch vom separat erhältlichen Escon-USB-Stick installiert werden.Maxon Motor

Die Software ermöglicht es, Probleme bei der Inbetriebnahme und bei Störungen aufzudecken und zu untersuchen. Das Diagnose-Werkzeug schlägt automatisch ein geeignetes Vorgehen zur Lösung des Problems vor. Es analysiert Controller, Motor, Drehzahlgeber sowie Sensoren zum Detektieren der Rotorposition. Besonders nützlich bei der Inbetriebnahme ist die intelligente Überprüfung der Verdrahtung zwischen Controller und Motor. Vertauschte Signalleitungen und verwechselte Motorleitungen werden erkannt und vom Diagnosewerkzeug mit Korrekturvorschlägen beantwortet. Damit lassen sich auch Motoren mit unbekannten Daten und Anschlussbelegungen zuverlässig ohne zeitraubende Experimente an die Escon-Controller anschließen.

Systemidentifikation und Parameterberechnung durch Autotuning

Inbetriebnahme und Parametrierung der Reglerparameter gestalten sich häufig schwierig, da in der Praxis ein A-priori-Wissen über die Parameter des Systems, wie beispielsweise Massen, Reibungen und weitere meist nicht vorhanden ist. Eine rechnerische Bestimmung der Reglerparameter ist damit entweder nicht möglich, oder umständlich und zeitaufwendig. Um diese Problematik zu überwinden, bietet sich eine über Escon Studio geführte Inbetriebnahme an. Für den Stromregler werden die Stromreglerparameter ermittelt und für den Drehzahlregler anschließend die Drehzahlreglerparameter automatisch bestimmt. Dieses Autotuning ist ein modellbasiertes Selbsteinstellverfahren, das in den zwei Hauptschritten Identifikation des Systems und Berechnung der Reglerparameter erfolgt.

Im Frequenzbereich findet die Systemidentifikation statt. Ein Dauerschwingungsverfahren ermittelt den Frequenzgang der Strecke. Ein in den Regelkreis eingefügtes Zweipunktglied regt den nichtlinearen Regelkreis, bei geeigneter Wahl der Parameter, zu chrakteristischen Eigenschwingungen an.

Schleife zur Erzeugung der Dauerschwingung.

Schleife zur Erzeugung der Dauerschwingung.Maxon Motor

Die Grundschwingungen am Eingang X und am Ausgang Y der Strecke werden gemessen. Deren Verhältnis nach Betrag und Phase liefert einen Punkt des gesuchten Frequenzgangs. Ein adaptiver Algorithmus stellt die Verstärkung des Zweipunktgliedes automatisch so ein, dass eine stationäre Dauerschwingung am Ausgang der Strecke Y eine bestimmte Amplitude erreicht. Stellt man die Zeitkonstante T des Tiefpasses passend ein, wird auch die Phasenverzögerung des Systems eingestellt. Mit Änderungen von Verstärkung und Zeitkonstanten lassen sich verschiedene charakteristische Frequenzen vorgeben. Dadurch erhält man weitere Werte nach Betrag und Phase zur Rekonstruktion des Frequenzganges der Strecke. Aus der so berechneten Übertragungsfunktion der Strecke lassen sich die Reglerparameter zum Beispiel nach der Methode der Polvorgabe berechnen.

Per Knopfdruck kann man die passenden Regelparameter bestimmen. Die in der Praxis gewonnenen Erfahrungen zeigen, dass dieses automatische Einstellverfahren auch bei sehr unterschiedlichen Streckeneigenschaften zuverlässig die passenden Reglerparameter liefert. Dazu kann der Anwender die Reglerparameter je nach Anforderung als „soft“ oder „hard“ parametrieren. Die Einstellung soft führt zu einem langsamen jedoch gut gedämpften Regelverhalten. Im Gegensatz dazu führt die Einstellung hard zu einem wenig gedämpften aber schnellen Einschwingvorgang auf den Sollwert.

Vorkonfektioniertes Kabel für die Inbetriebnahme.

Vorkonfektioniertes Kabel für die Inbetriebnahme.Maxon Motor

Schutz gegen Überspannung

Um sich gegen Überstrom, Übertemperatur, Unter- und Überspannung, Spannungstransienten und Kurzschluss in der Motorleitung zu schützen, verfügen die Escon-Servocontroller über diverse Schutzbeschaltungen. Ebenso haben sie geschützte digitale Ein- und Ausgänge und eine einstellbare Strombegrenzung zum Schutz von Motor und Last. Motorstrom und Ist-Drehzahl der Motorwelle lassen sich mittels analoger Ausgangsspannung überwachen.