Nanotec Electronic
Auch Schrittmotoren lassen sich jetzt sensorlos regeln
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Praktische Einsetzbarkeit sensorloser Regler
Ein weiteres wichtiges Kriterium für die praktische Einsetzbarkeit eines sensorlosen Reglers ist die Identifikation der Parameter des Modells: »BLDC-Regler benötigen häufig eine Vielzahl motorabhängiger Parameter, die oft nicht auf den üblichen Datenblättern angegeben sind, sondern mühsam ermittelt werden müssen«, betont Huber. »Das gilt selbst für Systeme, die keine ‚richtige‘ sensorlose Regelung implementieren, sondern nur eine Blockadeerkennung oder eine vereinfachte Regelung, die den Nennstrom des Motors lastabhängig reduziert. Auch in diesem Fall sind immer motorabhängige Schwellenwerte zu erkennen und zu konfigurieren.« Das Sensorless-System von Nanotec Electronic arbeitet dagegen mit sehr wenigen Parametern, die dem Benutzer auch nicht bekannt sein müssen: Ein Autosetup vermisst den angeschlossenen Motor und ermittelt alle nötigen Parameter automatisch. Die Parameter fließen in das mathematische Modell des Motors ein, das parallel zur Motorregelung läuft, die berechneten Zustandswerte ständig mit den Messwerten der Motorregelung abgleicht und daraus die gewünschten Informationen erzeugt. Je nach Motortyp ergibt sich zwischen 100 und 250 U/min eine Drehzahl- und Positionsinformation, die genauso präzise ist wie die eines optischen Encoders mit 500 oder 1000 Inkrementen, so dass die Regelung in der gleichen Qualität und mit dem gleichen Drehmoment wie bei einem über Encoder geregelten Motor laufen kann. Auch unter diesem Schwellenwert funktioniert die sensorlose Regelung noch bis zu etwa 10-25 U/min, allerdings verschlechtert sich die Genauigkeit mit weiter sinkender Geschwindigkeit, und damit fällt auch das erreichbare Drehmoment ab.
»Bei höheren Drehzahlen hingegen funktioniert das sensorlose System sogar besser als ein Drehgeber, der immer eine Rundlauftoleranz aufweist, die zu einem sinusförmigen Winkelfehler führt«, stellt Huber fest. »Bei Standarddrehgebern ohne eigene Lagerung können diese Fehler in Größenordnungen bis zu ±1° liegen, was im Closed-Loop-Betrieb bei höheren Geschwindigkeiten zu Vibrationen führt.« Der Fehler des virtuellen Encoders liegt bei höheren Geschwindigkeiten dagegen in derselben Größenordnung wie der Schrittwinkelfehler des Motors (±0,09°). »Außerdem liefern Encoder immer digitale, diskrete Positionswerte«, sagt Huber. »Diese Stufung führt vor allem bei geringen Auflösungen zu Gleichlaufschwankungen des Motors. Der virtuelle Encoder-Wert ist dagegen kontinuierlich und stetig.«
Dank der beobachtergestützten Regelung ist es nicht erforderlich, Motoren mit hoher Induktivität und dadurch schlechterer Dynamik zu verwenden, die eine sehr hohe Gegen-EMK aufweisen. »Im Gegenteil: Motoren mit niedriger Induktivität und niedrigem Widerstand – und dadurch hohem Nennstrom – funktionieren deutlich besser«, hebt Huber hervor.
Ihren besonderen Reiz erhält die sensorlose Regelung von Schrittmotoren laut Huber dadurch, »dass sie nicht nur für Drehzahl-Applikationen verwendbar ist, sondern in Kombination mit der Open-Loop-Ansteuerung auch für Positionierungen eingesetzt werden kann«: Der Sensorless-Algorithmus erkennt selbst, mit welcher Genauigkeit die Geschwindigkeit aktuell noch geschätzt wird. Wird dieses Signal mit sinkender Geschwindigkeit zu unpräzise, kann automatisch in den Open-Loop-Betrieb gewechselt und somit auch positioniert werden. »Weil im Open-Loop-Modus normalerweise nur wenige Schritte bei geringer Geschwindigkeit gefahren werden, spielen Resonanzen hier keine Rolle mehr«, erklärt Huber. »Beim Wiederanfahren aus dem Stillstand reichen wenige Grad, um wieder in den Closed-Loop-Betrieb zu wechseln. So ermöglicht es die Sensorless-Technik, in fast allen traditionellen Schrittmotor-Applikationen die Vorteile der feldorientierten Regelung zu nutzen.«
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