Modulare antriebsregelung für Servoantriebe FPGAs in der Automatisierung

Mit den analogen Gleichstromantrieben von vor 20 Jahren haben moderne Servoantriebe immer weniger gemeinsam. Statt der analogen Regelungstechnik, die oft auch noch bei den bürstenlosen Antrieben verwendet wurde, werden heutzutage fast ausschließlich digitale Regelalgorithmen -verwendet. Durch die kontinuierliche Weiterentwicklung der Halbleiter spielen die Kosten für die prozessorbasierte, digitale Regelung heute -praktisch keine Rolle.

Innovationen werden zunehmend durch Software-Entwicklungen realisiert. Moderne MCUs und die zugehörigen Compiler erlauben eine Programmierung in Hochsprachen statt in Assembler. Durch die Verwendung von Matlab/Simulink in Verbindung mit dem Real-Time-Workshop zur Code-Generierung oder ähnlichen Werkzeugen wird eine grafische Programmierung der Regelkreise möglich.

Aufgrund des besseren Wirkungsgrades werden auch in dynamisch nicht anspruchsvollen Applikationen zunehmend permanenterregte Synchronmaschinen eingesetzt. Lineare und rotatorische Direktantriebe werden inzwischen nicht nur wegen der möglichen hohen Dynamik verwendet, sondern auch aufgrund der geringeren Anzahl an bewegten, wartungsintensiven Komponenten.

Die Antriebselektroniken von Frequenzumrichtern und Servoreglern unterscheiden sich immer weniger. Tendenziell sind Servoregler durch höhere Abtastfrequenzen und flexiblere Strukturen bei Resolver- und/oder Encoder-Schnittstellen gekennzeichnet. Die leistungselektronischen Baugruppen sind oft sogar identisch. Fast immer wird inzwischen zumindest die „Basis“-Safety-Funktionalität STO (Save Torque Off) angeboten. Ein anderes überdurchschnittlich wachsendes Marktsegment sind Motoren mit integrierter Leistungselektronik.

Betrachtet man die angesprochenen Aspekte, so fällt auf, dass die heute üblichen Regelstrukturen zunehmend hinterfragt werden sollten. Insbesondere in Verbindung mit den geforderten Safety-Funktionalitäten ist eine große Anzahl an verschiedenen Hardware-Baugruppen - beispielsweise mit rechenleistungsmäßig skalierbaren Steuerelektroniken für Frequenzumrichter bzw. Servoregler - nicht optimal.

Heutige Anforderungen an Servoantriebe

Egal ob ein Direktantrieb, eine Hochgeschwindigkeitsspindel oder eine Asynchronmaschine, alle sollen mit einer preisgünstigen Leistungselektronik betrieben werden können. Auch ist gewünscht, dass diese Funktionalitäten über einen großen Leistungsbereich - wenige W bis hoch in den kW-Bereich - angeboten werden. Bei der Bauform wird erwartet, dass zusätzlich zur Standardbauform des kompakten Einzelantriebs motorintegrierte Umrichter und Mehrachssysteme mit optionaler Netzrückspeisung angeboten werden.

Bei aufwendigen Motorsteuerungen werden heute oft komplexe Mo-tion-Control-Funktionalitäten angeboten, so genannte Technologiefunktionen wie fliegende Säge, Kurvenscheibe, CNC-Steuerung usw. Durch die begrenzte Bandbreite der etablierten Feldbusse wie z.B. Profibus konnten die Funktionen nicht in der Steuerung realisiert werden. Bei den modernen, sehr viel schnelleren Echtzeit-Ethernet-Feldbussen wie EtherCAT ist alternativ eine Realisierung als Modul in der Maschinensteuerung z.B. in TwinCAT möglich. Die Integration von kopiergeschützten, kundenspezifischen Motion-Control-Algorithmen (Intellectual Property - IP) kann mit Hardware- und prozessorunabhängigen Werkzeugen wie z.B. Visual Studio oder Matlab/Simulink erfolgen. Der Einsatz von komplexen Technologiefunktionen wird für motorinte-grierte Antriebe ebenfalls möglich.

Bei Werkzeugmaschinen mit direkt angetriebenen Achsen hängt die erzielbare Systemdynamik hauptsächlich von der mechanischen Maschinenkonstruktion und von den Totzeiten der Regelungstechnik ab. Bis vor kurzem war der analoge Stromregler mit analoger Endstufe und einem Voice-Coil-Direktantrieb der Maßstab für die erreichbare Systemdynamik. Moderne, FPGA-basierte Servoregler mit schnell schaltenden Leistungshalbleitern erreichen mit handelsüblichen Drehstromlinearmotoren eine ebenso hohe Dynamik. Werden zusätzlich prädiktive und/oder nichtlineare Algorithmen eingesetzt, so erreichen die mit in einem FPGA berechneten digitalen Abtastregelungen eine nochmals höhere Bandbreite.

Statt der heute üblichen relativ einfachen Safety-Funktionalität STO (Motor leistungsfrei schalten) werden aufwendigere Sicherheitsfunktionen erwartet. Die Verdrahtung - und entsprechend die Kosten - bleiben nur dann überschaubar, wenn die Safety-Funktionalität durchgängig vom Feldbus bis zur Leistungselektronik realisiert ist.

Egal ob es sich um eine Komponente oder eine Technologiefunktion handelt, der Anwender möchte mit einer integrierten Oberfläche alles konfigurieren, speichern und in Betrieb nehmen können. Bei den Zustandsgrößen sind Si-Einheiten gewünscht. Optionaler Fernzugriff über das Internet ist selbstverständlich.

Verfügbare Technologien

Analoge Schaltungstechnik stand lange Zeit für besonders hohe Regelungsdynamik. Kennzeichnend sind hohe Grenzfrequenzen der Signalverarbeitung bis ca. 100 kHz ohne Aliasing-Effekte und Totzeiten. Die analoge Schaltungstechnik ist bewährt, aber nicht hoch integriert. Komplexe Algorithmen wie beispielsweise eine feldorientierte Regelung sind nicht wirtschaftlich mit analoger Schaltungstechnik realisierbar. Eine weitere Schwäche ist die schlechte Parametrierbarkeit.

Die meisten Motorsteuerungen werden heute prozessorbasiert geregelt. DSPs wurden in den letzten Jahren durch universellere MCUs mit DSP-Funktionalität ersetzt. Hervorzuheben sind die sehr gute Konfigurier- und Parametrierbarkeit von prozessorbasierten Regelstrukturen. Nachteil ist die begrenzte Verarbeitungs-geschwindigkeit durch die sequenzielle Berechnung der Algorithmen. Abtastfrequenzen bis ca. 20 kHz sind üblich.

Das antriebsinterne Multitasking ist zur Minimierung der internen regelungstechnisch wirksamen Verzögerungen genau verzahnt. Nur wenige Experten dürfen hier Änderungen beziehungsweise Erweiterungen vornehmen. Wird eine schnelle CPU mit FPU (Intel/ARM) genutzt, so ist der Einsatz von Matlab/Simulink zur schnellen Entwicklung von Regelalgorithmen möglich. Eine Soft-Core-CPU (z.B. Nios II von Altera) erlaubt eine Erweiterung des Befehls-satzes mit zusätz-lichen, für Motion Control spezifischen Instruktionen.

Regelung mit programmierbarer Logik

Durch FPGAs ist es möglich, viele Aufgaben in Hardware unabhängig voneinander parallel, also gleichzeitig auszuführen. Ein zeitlich eng „verzahntes Multitasking“ der MCU ist nicht mehr notwendig. Im einfachsten Fall wird z.B. die Resolver- bzw. Encoder-Auswertung vollständig innerhalb eines FPGA als Subsystem realisiert. Falls gewünscht, kann auch der gesamte feldorientierte Stromregler im FPGA realisiert werden.

Wenn man die Vorteile der analogen und der prozessorbasierten digitalen Regelungstechnik kombinieren möchte, so ist das mit programmierbarer Hardware möglich. Abtastfrequenzen von über 10 MHz, parallel ausführbare digitale Signalverarbeitung mit Totzeiten deutlich kürzer als 1 μs erlauben in Kombination mit prädiktiven Algorithmen besonders hohe Regelungsdynamiken - schneller als rein analoge Regler. Das Quantisierungsrauschen hängt von den gewählten Parametern der Sinc³-Filter und der gewählten Datenbusbreite ab. Ein weiterer Vorteil der volldigitalen Signalverarbeitung ist die deutlich geringere EMV-Empfindlichkeit.

Siemens und viele asiatische Volumenhersteller verwenden in ihren Antrieben ASICs. Besonderer Vorteil von kundenspezifischen ASICs ist die hohe Integration mit niedrigen Stückkosten. Ohne ASICs wäre die kompakte Bauweise der asia-tischen Antriebe nicht möglich. Nachteile der ASICs sind die hohen Fixkosten und die Verzugszeiten für Änderungen.

FPGAs weisen üblicherweise höhere Bausteinkosten auf, sind aber im System reprogrammierbar. Änderungen können dadurch zu niedrigen Kosten nahezu sofort umgesetzt werden.