Modulares Servosystem mit FPGA-Power

Modulares Multiachs-Servosystem AX8000: kompakte Bauform mit FPGA-basierter Regelung.Beckhoff

Als Antriebssteuerung eignet sich das Multiachs-Servosystem AX8000 insbesondere bei hohen Anforderungen an Regelgeschwindigkeit und -genauigkeit sowie für ­eine optimierte Ausnutzung des Bauraums im Schaltschrank. Das Mehrachssystem kann entsprechend der Applikations­anforderungen aus verschiedenen Einspeise-, Ein- und Doppelachsmodulen sowie einem Kondensatormodul aufgebaut werden. Mit 230 mm Höhe bei 60 oder 90 mm Breite und 192 mm Tiefe sind die einzelnen Module – und damit auch das komplette System – kompakt und unterstützen so die platzsparende Konstruktion der Schaltschränke.

Für zusätzliche Kostenreduktion sorgen die einfache Montage und Inbetriebnahme. Erreicht wird dies unter anderem durch das jetzt in die Module integrierte Schnellverbindungssystem AX-Bridge, das die Module fehlersicher und werkzeuglos per Feder­krafttechnik verbindet; konkret den Zwischenkreis, 24 V DC und Ethercat. Die Arbeitserleichterung endet nicht beim Aufbau des Servosystems. Im Feld spielt die Verdrahtung der Motoren eine ebenso wichtige Rolle. Hier reduziert die One Cable Technology (OCT) in Verbindung mit einem Schnell­anschluss-Steckverbinder sowohl auf der Motorseite also auch am Servoverstärker den Aufwand.

Modullandschaft bleibt übersichtlich

Die Einspeisemodule generieren die Zwischenkreisspannung der Achs- und Optionsmodule. Als Ausführungen stehen jeweils zwei 60 und 90 mm breite Varianten für die weltweit verschiedenen Spannungssysteme zur Verfügung: für Asien und Amerika 100 bis 230 V AC mit 20 oder 40 A sowie 400 bis 480 V AC mit 20 und 40 A für Europa und Nordamerika. Alle vier Versionen haben den Bremswiderstand, den Brems-Chopper sowie einen Netzfilter integriert. Somit sind keine weiteren externen Komponenten erforderlich, was sowohl die Teilevielfalt als auch den Platzbedarf reduziert.

Um die gewünschten Achskonfigurationen zu realisieren, stehen ein 60 mm breites Einachsmodul mit 8 A Nennstrom und ein ebenso breites Doppelachsmodul mit zweimal 6 A Nennstrom zur Verfügung. Hinzu kommt ein Einachsmodul mit 18 A Nennstrom, das 90 mm breit baut. Über die skalierbare Motorstrommessung decken diese Module auch deutlich kleinere Motornennströme ab. Achsmodule unterschiedlicher Leistung können beliebig kombiniert werden, um die Auslegung der einzelnen Achsen zu optimieren. Als Anschlusssystem für das Feedback-System und die Motorzuleitung kommt die Einkabellösung OCT zum Einsatz, wie sie auch die Servomotoren-Baureihe AM8000 nutzt.

Der Servoverstärker verwendet eine Stromregelung mit mehrkanaliger Rückführung, wodurch sich die Dynamik einer Maschine steigern oder die Schaltfrequenz zur Verbesserung der Energieeffizienz reduzieren lässt.Beckhoff

Jeder Achskanal hat vier digitale Eingänge; zwei davon sind für Onboard-Safety-Funktionen vorkonfiguriert. An Twinsafe-Funktionen werden unterstützt: Stopp-Funktionen (STO, SOS, SS1, SS2), Geschwindigkeitsfunktionen (SLS, SSM, SSR, SMS) mit bis zu acht Geschwindigkeiten, Positionsfunktionen (SLP, SCA, SLI) mit Referenznocken, Beschleunigungsfunktionen (SAR, SMA), Drehrichtungsfunktionen (SDIp, SDIn), Bremsfunktion (SBC) sowie sicher begrenztes Moment (SLT).

Das optionale Kondensatormodul mit einer Kapazität von insgesamt 1 755 μF ist dafür gedacht, bei einphasiger Einspeisung den Spannungszwischenkreis zu stützen. Zudem spart das Puffer-Modul Energie, indem es auftretende Spannungsspitzen speichert, die beim Abbremsen der Motoren entstehen. Dadurch verhindert das Modul weitestgehend das Zuschalten des Bremswiderstands und verringert so die Verlustleistung. Insgesamt senkt das Kondensatormodul die Gesamtanschlussleistung und erlaubt es, die Sicherung kleiner zu dimensionieren.

Logistik und Engineering vereinfacht

Nicht nur der integrierte Netzfilter und der Bremswiderstand vereinfachen die Lagerhaltung, sondern auch die geringere Modul­vielfalt. Denn anstelle vieler unterschiedlicher Servoverstärker lässt sich das gesamte Spektrum von Motion Control komplett mit den 8-A- und 18-A-Modulen abdecken. Die Grundlage dafür schafft die skalierbare Motorstrommessung.

Für Effizienz im Engineering ist ebenso gesorgt. Kunden mit sehr speziellen Anforderungen an die Achsregelung oder eigenen, proprietären Regelalgorithmen erhalten über die optionale Twincat-Runtime Zugriff auf die T-COM-Objekte, in denen zum Beispiel Drehzahlregler, Filter oder der Beobachter programmiert sind. Sie können diese Software-Bausteine gegen ihre eigenen Objekte austauschen. Eine individuelle Programmierung der Objekte ist in IEC 61131, C++ und Matlab/Simulink möglich. Als Diagnosewerkzeuge dienen die Oszilloskop-Funktion (Twincat Scope) und die Achsoptimierung Twincat Bodeplot.

Die Beckhoff-Antriebstechnik: skalierbar von der kompakten Servo­klemme über das modulare System AX8000 bis zum Ethercat-Servoverstärker AX5000 mit 120 kW Leistung.Beckhoff

Positionieren mit Präzision und Speed

Der Kompaktantrieb kombiniert FPGA-Technologie mit Multicore-ARM-Prozessoren. Sie sind es, die für die Performance des Systems sorgen: Abtast- und Reaktionszeiten kleiner 1 μs bei der Stromregelung sowie Drehzahlregler-Zykluszeiten – je nach konfigurierter Schaltfrequenz – ab 16 μs. Zum Vergleich: Die minimale Ethercat-Zykluszeit liegt bei 62,5 μs. Für Motion-­Anwendungen bedeutet dies schnellstmögliche Regelung und hochpräzise Positionierung sowie eine erhöhte Konturschärfe bei Bearbeitungsvorgängen und einen insgesamt erhöhten Produktionsausstoß. Der vollständig in Hardware (FPGA) implementierte Mehrkanal-Stromregler vereint die Vorteile analoger und digitaler Regelungstechnik: Durch die Stromregelung mit mehrkanaliger Rückführung bei 8 kHz Schaltfrequenz erreicht der Stromregler fast 4 kHz Bandbreite, was dem theoretisch ­maximal Erreichbaren entspricht. Das erlaubt Maschinenbauern, entweder bei gleicher Schaltfrequenz die Dynamik einer Maschine zu steigern oder bei unveränderter Dynamik die Schaltfrequenz fast zu halbieren und damit die Energieeffizienz zu steigern.

XFC-Technologie optimiert die Signalverarbeitung

Zur Leistungsfähigkeit des AX8000 trägt zum großen Teil auch die XFC-Technologie (Extreme Fast Control) von Beckhoff bei. Neben den mit Ethercat möglichen Zykluszeiten von 62,5 µs bein­haltet XFC weitere Funktionen, die speziell die zeitliche Genau­igkeit verbessern und die Auflösung erhöhen. Dazu zählen beispielsweise die verteilten Uhren (Distributed Clocks), die eine synchronisierte Systemzeit aller Ethercat-Teilnehmer sicherstellen. Hinzu kommen Timestamp Data Types für einen exakten Zeitstempel der Prozessdaten sowie das Oversampling zur mehrfachen Abtastung eines Prozessdatums innerhalb eines Kommunikationszyklus. Beim Servosystem kommen insbesondere die Distributed Clocks zum Tragen: Lässt sich die Ethercat-Zykluszeit von 62,5 µs noch relativ leicht erreichen, ist es eine Herausforderung, sicher zu stellen, dass bereits wenige Mikrosekunden nach Eintreffen des jeweiligen Ethercat-Frames – getriggert durch das Signal der Distributed Clocks – die Leistungshalbleiter wie vorgegeben reagieren. Das Multiachs-Servosystem wird dem in jeder Hinsicht gerecht.

Nach außen zur Steuerung kommuniziert der AX8000 über das Einspeisemodul per Ethercat mit Standard-Ethernet-Technologie. Intern verwendet der Antrieb dagegen den Ethercat-Klemmen-Systembus (E-Bus), der die Ethernet-Frames nur um wenige Nanosekunden verzögert. Herzstück der Achsmodule ist das leistungsfähige FPGA, in dem sowohl die programmierbare Logik als auch eine Dual-Core-ARM-CPU integriert sind.

(sk)