Es ist wichtig zu verstehen, welche Feedbacksysteme derzeit für die Feinabstimmung der Leistung von Servomotoren verfügbar sind und wie Sie den richtigen Typ für Ihre Anwendung auswählen.
Von servomotorischen Antriebssystemen wird erwartet, dass sie schnell und genau sind, und wenn sie richtig spezifiziert sind, sind sie es auch. Es gibt jedoch eine Vielzahl von Faktoren, die dazu führen können, dass Motoren für ihren Zweck ungeeignet sind.
Die Genauigkeit eines Servosystems hängt vom Feedbacksystem ab, das die Position des Motors meldet. Außerdem können Geschwindigkeits- oder Positionsfehler durch unvollkommene Mechanismen, die die Motorleistung auf die Last übertragen, in das System eingeführt werden. Auch Umweltfaktoren wie elektrische Störungen oder die Temperatur können zu Positionierungsfehlern führen.
Manchmal können diese Fehler toleriert werden. Häufig ist das aber nicht der Fall. Die Spezifikation von Servomotoren und Antrieben basiert auf der Annahme, dass sie die zuverlässigsten und genauesten aller Positioniersysteme sind.
Die Wahl des Feedbacksystems ist entscheidend für das Erreichen der gewünschten Ergebnisse. Die Systeme lassen sich in verschiedene Kategorien unterteilen, von denen jede ihre eigenen elektrischen und mechanischen Vor- und Nachteile hat. Das Eigenschaftsprofil ist ausschlaggebend dafür, welche Feedbacktechnologie für eine bestimmte Anwendung am besten geeignet ist. Hier ist eine Übersicht über die wichtigsten Auswahlkriterien.
Position des Feedbacksystems
Der optimale Ort für ein Feedbacksystem ist an der Last, wo die Anforderungen an die Bewegungssteuerung am unmittelbarsten sind. Diese Anordnung reduziert Fehler, die durch unvollkommene Übertragungskomponenten verursacht werden, die die Bewegung des Motors auf die Last übertragen, wie z. B. Getriebe, Riemen und Riemenscheiben, Kugelumlaufspindeln usw. Während Feedbacksysteme in der Regel im Motor eingebaut sind, kann die Ergänzung eines Feedbacksystems an der Last die Genauigkeit in getriebegetriebenen Systemen erheblich verbessern.
Bei bürstenlosen Motoren muss eine Positionsrückführung in den Motor eingebaut werden, um unmittelbare Rotorpositionsdaten für die elektronische Kommutierung (siehe unten) bereitzustellen. Bei Verwendung eines motormontierten Feedbacksystems ist es wichtig, den zyklischen und kumulativen Fehler im Zusammenhang mit dem Getriebe und dem Feedbacksystem zu bestimmen, um festzustellen, ob der Fehler tolerierbar ist.
Servomotoren mit Direktantrieb haben den Vorteil, dass das interne Feedbacksystem direkt mit der Last verbunden ist, sodass keine Nachgiebigkeit und kein Spiel durch ein Getriebe entstehen. Hinzu kommen die Vorteile von weniger Komponenten und einem geringeren Wartungsaufwand, was Direktantriebsmotoren ideal für Anwendungen machen, die präzise Bewegungen und eine hohe Bandbreite erfordern.
Kommutation
Kommutation ist die Steuerung des Stromflusses zur Erzeugung eines Drehmoments. In Permanentmagnetmotoren wird Drehmoment erzeugt, wenn das Magnetfeld der Wicklungen mit dem Feld des Magneten interagiert. Wenn der Strom in die richtige(n) Wicklung(en) geleitet wird, entsteht ein optimales Drehmoment.
Durch die Bewegung des Motors ändert sich die Position der Wicklungen im Verhältnis zu den Magneten. Dies bedeutet, dass sich der optimale Pfad das Stroms je nach Stellung des Motors ändert.
Bei einem Bürstenmotor wird der Pfad automatisch durch Bürsten und einen Kommutator geändert, der mit den Ankerwicklungen verbunden ist. Bei einem bürstenlosen Motor wird die Rotorposition an den Antrieb zurückgemeldet, der dann über Transistoren den Strom elektrisch auf die entsprechenden Wicklungen umleitet.
Single-Turn- oder Multi-Turn-Feedback
Single-Turn-Feedbacksensoren verfolgen die Position über eine vollständige 360-Grad-Drehung. Dies kann beispielsweise nützlich sein, um die Geschwindigkeit eines Förderbandes zu regeln, bei dem die Geschwindigkeit aus der Position einer Rolle im Zeitverlauf abgeleitet werden kann, die Anzahl der Rollenumdrehungen jedoch irrelevant sind. Ein Single-Turn-System wäre hingegen ungeeignet für eine Anwendung, bei der mehrere Umdrehungen der Motorwelle erforderlich sind, um eine Last über eine bestimmte Strecke zu bewegen, und bei der eine präzise Steuerung dieser Strecke von entscheidender Bedeutung ist.
Bei dieser Art von Anwendung verfolgt ein Multi-Turn-Feedbacksensor die Position über eine 360-Grad-Drehung und bietet zusätzlich die Möglichkeit, die Anzahl der vollständigen Umdrehungen zu verfolgen. In der Regel liegt die Zählkapazität von Multi-Turn-Feedbacksystemen zwischen 4.069 Umdrehungen (12 Bit oder 2^12) und 65.536 Umdrehungen (16 Bit oder 2^16). Ein Multi-Turn-Feedback kann entweder mechanisch über ein Zahnradsystem mit Einzelanzeige oder elektronisch über einen Zähler erfolgen. Elektronische Zählwerke sind oft kompakter und ermöglichen in der Regel höhere Umdrehungszahlen.
Absolutes oder inkrementelles Feedback
Feedbacksensoren melden entweder die absolute Position oder die inkrementelle relative Position. Ein Single-Turn-Absolut-Positionssensor kann die Position innerhalb eines mechanischen Zyklus des Motors nach dem Einschalten genau melden. Im Gegensatz dazu liefert ein Inkremental-Positionssensor in der Regel Ausgangsimpulse für jede Bewegungsstufe, jedoch ohne Bezug zu einem bestimmten Ort innerhalb des Bewegungsbereichs des Antriebssystems.
Diese inkrementellen Impulse ermöglichen in Kombination mit periodischen Markerimpulsen, einem Referenzschalter und einem Zähler die Ermittlung der Lastposition. Wenn jedoch die Stromversorgung des elektronischen Feedbacks unterbrochen wird, verliert das System seine Positionsbestimmung. Bei einigen positionskritischen Anwendungen, die Inkrementalgeber verwenden, kann die Steuerung an eine unterbrechungsfreie Stromversorgung angeschlossen werden, um die Positionsinformationen zu erhalten.
Alternativ kann ein Multi-Turn-Encoder genaue Positionsinformationen über mehrere Umdrehungen hinweg liefern, ohne dass die Stromversorgung aufrechterhalten werden muss. Dies kann durch ein Batteriepuffer-System oder durch den Einsatz von Energy-Harvesting-Technologie erreicht werden, die den korrekten Zählerstand im nichtflüchtigen Speicher erfasst, auch wenn die Stromversorgung unterbrochen ist und der Rotor manuell bewegt wird.
Präzision und Zuverlässigkeit
Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Art der im Gerät verwendeten Technologie. Einige Sensoren sind extrem robust und für den Einsatz in der industriellen Maschinensteuerung vorgesehen. Andere sind relativ empfindlich und für Anwendungen z. B. in hochpräzisen Laborgeräten gedacht. Es gibt auch Anwendungen, bei denen sich diese Anforderungen überschneiden – beispielsweise in der Halbleiterfertigung, wo die Bedingungen höchste Präzision in einer besonders sauberen Umgebung sowie einen schnellen Durchsatz erfordern, um die anspruchsvollen Produktionspläne einzuhalten.
Design des Antriebssystems
Antriebssysteme sind entweder linear, rotatorisch oder eine Kombination aus beidem. Es gibt Feedbacksensoren speziell für jeden Fall. Sie können unterschiedliche Montagemerkmale und Bewegungsrichtungen aufweisen, aber das Grundprinzip der Funktionsweise von Feedbacksystemen gilt in der Regel für beide Konfigurationen.
Bei linearen Systemen, wie sie für die Positionierung entlang der X-Y-Z-Achsen verwendet werden, geben die Positionsdaten die genauen Positionen aller Achsen gleichzeitig an, was für einige Anwendungen von entscheidender Bedeutung sein kann. In einer Not-Halt-Situation (E-Stop) kann beispielsweise die Möglichkeit, Antriebskomponenten an der Stelle neu zu starten, an der sie angehalten wurden, Maschinenstaus verhindern und Ausschuss reduzieren.
Geschwindigkeitsinformationen werden in der Regel aus Positionsdaten durch Ableitung über die Zeit gewonnen, sodass für die meisten servobasierten Systeme nur ein einziges Feedbacksystem erforderlich ist. Für Anwendungen, die präzise Geschwindigkeitsinformationen bei niedrigen Geschwindigkeiten erfordern, wird manchmal ein Gerät bevorzugt, das für diesen speziellen Zweck entwickelt wurde, wie z. B. ein präziser analoger Tachometer.
Die gute Nachricht: Die Auswahl eines Feedbacksystems kann einfach sein
Feedbacksysteme spielen eine entscheidende Rolle in geschlossenen Regelkreissystemen. Früher war die Auswahl der richtigen Lösung eine schwierige Aufgabe, inzwischen ist sie jedoch viel einfacher geworden.
Viele Hersteller von Antriebssystemen bieten komplette Antriebssysteme an, bei denen Motor, Feedbacksystem, Antrieb und Kabel in einem optimierten Paket kombiniert sind. Solche Pakete decken heute mehr als 90 % der Antriebsanwendungen ab. Für Maschinenbauer liegt der Vorteil darin, dass sie das Feedbacksystem nicht separat verkabeln oder in das Servosystem einbauen müssen, wobei die Verkabelung aus nur vier oder aber auch aus neun oder 13 Drähten bestehen kann.
Darüber hinaus bieten einige Hersteller wie Kollmorgen „intelligente“ Feedbackgeräte in ihren Motoren an, die einen Plug-and-Play-Betrieb ermöglichen, indem sie den Antrieb mit einem elektronischen Motortypenschild ausstatten, das die Motorparameter anzeigt. Diese Parameter konfigurieren den Antrieb und ermöglichen eine sekundenschnelle Konfiguration des Feedbacks. Intelligente Feedbacksysteme können auf jeder der Standard-Feedbackarten basieren, wobei ein zusätzlicher Chip mit den Motorparametern eingebaut wird.
Was müssen Sie also wissen, um das optimale Feedbacksystem für Ihre Anwendung auszuwählen? Zunächst sind die Anforderungen an die Positionierungsgenauigkeit und die Auflösung zu beachten. Außerdem können Umweltfaktoren wie der Abstand zwischen Motor und Antrieb, elektrische Störungen oder die Temperatur bei der Auswahl des optimalen Systems eine Rolle spielen.
Es gibt eine Vielzahl von Systemen, mit denen praktisch jede Anforderung an ein Feedback erfüllt werden kann, z.B. Hall-Effekt-Sensoren, Resolver, Universal-Encoder (in großer Vielfalt) und Sinus-Encoder. Glücklicherweise bieten viele Anbieter von Servomotoren mehrere Feedback-Optionen für einen bestimmten Motor an, sodass ein breites Spektrum von Leistungs- oder Umweltanforderungen erfüllt werden kann.
Halleffektsensoren gehören zu den einfachsten und kostengünstigsten Feedbacksystemen. Hierbei handelt es sich um digitale Geräte mit Ein-/Aus-Schaltung, die das Vorhandensein von Magnetfeldern erkennen. Sie bestehen aus Halbleitermaterial, sind robust, können bei sehr hohen Frequenzen (entspricht Zehntausenden von Motorumdrehungen pro Minute) betrieben werden und ermöglichen eine genaue Sequenzierung der Kommutierung. Da die von diesen Geräten gelieferten Positionsinformationen ungenau sind, eignen sie sich am besten zur Unterstützung einer (sechsstufigen) Trapez-Steuerung und nicht für eine Sinus-Steuerung. Hall-Effekt-Sensoren eignen sich zur Drehmoment- oder Grobdrehtahlsteuerung und vereinfachen die Antriebselektronik durch direktes Schalten der Motorphasen-Leistungsgeräte.
Resolver sind rotierende Transformatoren, die sich gut für widrige Umgebungen eignen, in denen extreme Temperaturen oder Vibrationen und Stöße auftreten. Sie können auch Motordrehzahlen von über 10.000 U/min bewältigen. Ihre Genauigkeit und Auflösung liegt im mittleren Bereich und ist für die meisten industriellen Anwendungen geeignet; die Kosten sind niedrig bis moderat.
Inkrementalgeber sind in verschiedenen Konfigurationen erhältlich, von berührungslosen optischen bis hin zu kontaktierenden Typen, sowohl in linearer als auch in rotatorischer Ausführung und mit mehreren Strichzahlvarianten. Diese Encoder bieten eine hervorragende Genauigkeit und können mit bis zu vielen tausend U/min betrieben werden. Die heutigen Inkrementalgeber sind zwar robuster als je zuvor, einige Modelle sind jedoch nicht für extrem harte Betriebsbedingungen geeignet.
Sinusgeber bieten eine sehr hohe Leistungsfähigkeit. Obwohl sie teurer sind als Resolver oder Inkrementalgeber, eignen sie sich am besten für Anwendungen, die eine hohe Genauigkeit in Verbindung mit einer hohen Auflösung erfordern.
Weitere Informationen
Lesen Sie unbedingt unsere drei Blog-Beiträge zu Feedbacksystemen: Hall-Effekt-Sensoren und Resolver sowie lineare, rotatorische und Sinus-Encoder, um sich mit diesem wichtigen Antriebstechnik-Thema vertraut zu machen. Und zögern Sie nicht, einen Ingenieur von Kollmorgen zu kontaktieren, um über Ihre spezifische Anwendung zu sprechen und sich Empfehlungen für die ideale Servoschleifen-Technologie zu holen, die Ihren Anforderungen entspricht.
