Servo-Motorregelungen Schnellere Stromregelkreise zeichnen sich aus

Servoantriebs-Applikationen zu entwickeln, die gleichzeitig einfach und effizient sind, ist eine anspruchsvolle Aufgabe. Wie sich auf Basis von Echtzeit-MCUs und mit Hilfe der darauf abgestimmten Software leistungsfähige, industrielle Antriebssysteme realisieren lassen…

Wenn es gelingt, die Leistungsfähigkeit oder die Bandbreite industrieller Servoantriebe in Fertigungsrobotern, Fabrikautomations-Maschinen und Materialbehandlungs-Systemen zu verbessern, so wirkt sich dies positiv auf das Betriebsergebnis des jeweiligen Herstellers aus: Weniger Ausschuss im Fertigungsprozess, mehr Produktionsdurchsatz und eine verbesserte Konsistenz und Qualität der Produkte senken die Herstellungskosten und kommen damit dem Umsatz und dem Gewinn des Unternehmens zugute.

Im Zentrum des Bemühens um eine bessere Leistungsfähigkeit von Servoantrieben steht die Leistungsfähigkeit des Stromregelkreises bzw. das Drehmomentverhalten. Tatsächlich ist der Stromregelkreis der Dreh- und Angelpunkt der Leistungsfähigkeit des gesamten Systems. Eine größere Bandbreite des Stromregelkreises lässt sich auf verschiedene Arten erreichen, die unterschiedlich effektiv und kosteneffizient sind.

Es gibt jedoch eine Lösung, die langwierige, komplexe Entwicklungsprogramme, hohe Materialkosten, übermäßigen Strombedarf und umständliche Wärmemanagement-Strategien optimieren oder ganz entbehrlich machen kann. Diese Lösung, die auf den kommerziell verfügbaren C2000-Echtzeit-Mikrocontrollern (MCUs) und der verbesserten DesignDRIVE-Entwicklungsplattform basiert, vergrößert die Bandbreite der zur Ansteuerung von Servomotoren dienenden Stromregelkreise.

Verschachtelte Regelkreise

Die Architektur echtzeitfähiger industrieller Servoantriebe enthält mehrere Regelkreise, die die kritischen Parameter des Motors überwachen. Sie liefern Rückmeldungen zur Einhaltung eines vorgegebenen Sollwerts, wenn sich die Betriebsbedingungen ändern oder ein neuer Sollwert vorgegeben wird.

Hierzu wirken die Regelkreise auf Größen wie den Strom, das Drehmoment, die Drehzahl und die Position ein. Das Regelungssystem nutzt Regelkreise, um sicherzustellen, dass seine Aktionen zu den vorgesehenen Ergebnissen führen. Wenn der Rückmeldung zu entnehmen ist, dass ein Parameter über seinen Zielwert des betreffenden Zyklus hinausgeschossen ist, muss das System schnell reagieren und seine Aktionen entsprechend anpassen.

Wird rasch auf plötzliche Störeinwirkungen reagiert, so reduziert dies das Risiko falscher oder nicht stimmiger Operationen des Servomotors, die Auswirkungen auf den jeweiligen industriellen Prozess hätten.

Servo-Anwendungen nutzen mindestens drei ineinander verschachtelte Regelkreise für Strom, Drehzahl und Position. Die größte Bedeutung hat die Bandbreite des Stromregelkreises, da sie die maximale Leistungsfähigkeit der Drehzahl- und Positionsregelkreise vorgibt. Alle Regelkreise des Systems hängen miteinander zusammen und voneinander ab.

Aber der Stromregelkreis ist von fundamentaler Bedeutung, denn seine Bandbreite setzt die Grenze für die Leistungsfähigkeit des gesamten Servosystems. In den meisten Systemen ist die Bandbreite des Stromregelkreises um den Faktor 10 oder mehr größer als die des Drehzahl- und des Positionsregelkreises. Deshalb ist ein schnellerer Stromregelkreis von essenzieller Bedeutung für das Erreichen einer höheren System-Leistungsfähigkeit. 

Der Stromregelkreis aus der Nähe betrachtet

Der Stromregelkreis beeinflusst das Drehmoment eines Servomotors durch Manipulation der PWM-Signale, mit denen ein Wechselrichter angesteuert wird. Die Motorströme werden gemessen und der Stromregelung zugeführt, die daraufhin bei Bedarf die PWM-Signale anpasst.

Der Rückkoppelpfad des Stromregelkreises quantisiert das vom Motorstromsensor kommende analoge Signal mithilfe eines hochpräzisen A/D-Wandlers und führt das Ergebnis dem Stromregler zu. Mehrere verschiedene Module von FOC-Algorithmen (Field-Oriented Control, Vektorregelung) bereiten die Signalproben auf, bevor der Regler irgendwelche Änderungen an den ausgegebenen PWM-Signalen vornimmt.

Bei vielen konventionellen Proportional-Integral-Stromreglern (PI) ist die Bandbreite des Stromregelkreises auf etwa 10 % der PWM-Trägerfrequenz begrenzt. Diese liegt üblicherweise bei 10 kHz, sodass die Bandbreite des Stromregelkreises rund 1 kHz beträgt. Zur Steigerung der Bandbreite wird bei einigen Antriebssystemen die Trägerfrequenz auf 30 kHz oder mehr angehoben.

Tatsächlich lässt sich dadurch die Bandbreite des Stromregelkreises erhöhen, jedoch nehmen gleichzeitig die Schaltverluste im Wechselrichter zu, und dem digitalen Regelungssystem wird mehr Leistungsfähigkeit abverlangt. Eine höhere Schaltfrequenz erfordert mehr Leistung von Seiten des Gate-Treibers, was wiederum die Abmessungen und die Komplexität der Stromversorgung des Systems erhöht.

Nicht zu vergessen ist, dass die höheren Schaltverluste die Wärmeentwicklung verstärken, was teurere Entwärmungs-Strategien notwendig macht, zum Beispiel größere, schwerere und teurere Kühlkörper, Lüfter oder Kühlmittel.

Wie man sieht, sind alle traditionellen Methoden zur Bandbreitensteigerung des Stromregelkreises mit Nachteilen behaftet. Die sauberste und effektivste Architektur würde dagegen sowohl der Forderung nach verbesserten Verarbeitungsfähigkeiten Rechnung tragen, um kürzere Rückkoppelzyklen zu ermöglichen, als auch eine niedrigere Trägerfrequenz beibehalten, um unerwünschte Nachteile in Sachen Leistungsbedarf und Abwärme zu vermeiden.

Um dem System leistungsfähigere Verarbeitungs-Ressourcen zu verleihen, kommt in einigen Designs neben der MCU ein FPGA zum Einsatz. Dieses löst zwar das Problem der mangelnden Verarbeitungsleistung, bringt aber seinerseits ebenfalls Nachteile mit sich.