Intelligente Drehgeber-Systeme für die Servotechnik
FPGA inside
Ein Trend in der Antriebstechnik ist die Integration separat montierter Komponenten zu einem System. Herrschte vor einigen Jahren noch eine strikte Trennung zwischen Motor, Feedback-System, Verkabelung, Antriebsverstärker und Steuerung, so existieren heute eine Vielzahl von dezentralen Antriebssystemen, bei denen bis hin zum Antriebsverstärker mit leistungsfähigen Steuerungsfunktionalitäten alles integriert ist.
Bild: Fritz Kübler GmbHDieser Trend zwingt die Drehgeber-Hersteller neue, integrierbare Lösungen zu erarbeiten, mit dem Ziel, das Gesamtsystem geregelter Antriebe kompakter, zuverlässiger, leistungsfähiger und auch kostengünstiger zu realisieren.
Bild: Fritz Kübler GmbH
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Bild: Fritz Kübler GmbHFPGA-basierte Signalverarbeitung
Dennoch ist es Kübler zusammen mit einigen Keyplayern aus der Antriebstechnik gelungen, lagerlose magnetische Drehgeber in und an Servo-Antriebsmotoren zu integrieren, obgleich das magnetische Messprinzip eigentlich den Einsatz in unmittelbarer Umgebung von magnetischen Störfeldern, wie sie von Elektromotoren und insbesondere elektromagnetisch betätigten Bremsen ausgehen, verbietet. Grund für diesen Erfolg sind insbesondere FEM-berechnete Abschirmsysteme und eine smarte digitale Echtzeit-Signalverarbeitung. Dabei werden durch eine FPGA-basierte Signalverarbeitung Driften und Signalfehler, z.B. durch Temperatur, Alterung und Einbautoleranzen usw., aktiv ausregelt. So ist es möglich, trotz einer vergleichsweise groben Teilung der magnetischen Maßverkörperung, genaue und hochaufgelöste Zustandsgrößen zu berechnen. Eine Parametrierbarkeit, auch der integrierten digitalen Signalfilter mit Delaykompensation, die sich als vorteilhaft in vielen Applikationen herausgestellt haben und ein elektronisches Typenschild inklusive Anwenderspeicher runden die neuen Ausstattungsmerkmale der lagerlosen Drehgeber ab. Damit ist es so gelungen, Feedbacksysteme zu intergieren, die über eine ungewöhnlich hohe Signalgüte verfügen und dennoch die nötige Kompaktheit und Zuverlässigkeit aufweisen. Der smarte, in das Antriebssystem integrierte Drehgeber ist somit nicht nur Informationszentrum für den Antrieb, hinsichtlich der in Echtzeit bestimmten Zustandsgrößen (Position, Drehzahl und Drehbeschleunigung), sondern auch Knotenpunkt für weitere Messgrößen wie z.B. Temperatur und laterale Beschleunigung (Vibration). Gerade Vibrationssensorik kann aber aufgrund des lagerlosen Anbaus und damit der direkten mechanischen Kopplung an den Antrieb, in der Elektronik des Drehgebers integriert und darüber hinaus auch mit den anderen Messgrößen korreliert werden (Stichwort Sensorfusion), was einen Informationsgewinn im Hinblick auf Predictive Mainentance und Condition Monitoring bedeutet. Die smarten Systeme sind auch für die volldigitale Kommunikation mit dem Antriebsregler via z.B. RS485, BiSS, usw. vorgesehen. Bei Elektronik-Motoren, kann aber auch eine direkte Ankopplung an den unmittelbar in der Nähe befindlichen Regelprozessor via SPI o.ä. erfolgen. Teure Treiberbausteine und aufwendige Kabel entfallen. Zur Kommunikation mit den immer noch verbreiteten Schnittstellen wie TTL- und HTL-Inkrementalsignale, Sin/Cos-Signale oder Echtzeit SSI, sind entsprechende Signalumsetzer mittels Echtzeitsynthese bereits direkt im FPGA verfügbar.
Intelligenter Aufzuggeber
Gespräche mit Kunden führten zur Integration eines lagerlosen Magnetgebers mit 16.000ppr in einen Aufzugsmotor. Zur Drehzahlregelung wurde bisher ein Tachogenerator eingesetzt, der über ein Gummirad mitläuft, aber sowohl Verschleiß am Tacho (Bürsten), als auch am Gummirad selbst hat, was u.U. zu Schlupf führt. Der neue lagerloser Inkrementalgeber bietet dank FPGA-Signalverarbeitung eine fast beliebige Auflösung und überträgt volldigital die Drehzahl sowie zahlreiche Zusatzfeatures, wie z.B. hochaufgelöste Positionen und Drehzahlen, sowie das elektronische Typenschild mit Speicherbereich für Kundenparameter. Im FPGA integriert ist auch ein Grenzwertschalter und Möglichkeiten zur Restfehlerkorrektur. Dadurch ist auch die Möglichkeit gegeben, ungewöhnliche Ereignisse aufzuzeichnen, wie z.B. eine zu hohe Drehzahl oder -beschleunigung bzw. Temperaturüberschreitungen.
Ein Trend in der Antriebstechnik ist die Integration separat montierter Komponenten zu einem System. Herrschte vor einigen Jahren noch eine strikte Trennung zwischen Motor, Feedback-System, Verkabelung, Antriebsverstärker und Steuerung, so existieren heute eine Vielzahl von dezentralen Antriebssystemen, bei denen bis hin zum Antriebsverstärker mit leistungsfähigen Steuerungsfunktionalitäten alles integriert ist.
Bild: Fritz Kübler GmbHDieser Trend zwingt die Drehgeber-Hersteller neue, integrierbare Lösungen zu erarbeiten, mit dem Ziel, das Gesamtsystem geregelter Antriebe kompakter, zuverlässiger, leistungsfähiger und auch kostengünstiger zu realisieren.Bild: Fritz Kübler GmbH
Fritz Kübler GmbH
Dieser Artikel erschien in SPS-MAGAZIN 11 2017 - 30.10.17.Für weitere Artikel besuchen Sie www.sps-magazin.de
