C5-E EtherNetIP/USB Online-Handbuch

Betriebsarten

Allgemein

Die Betriebsart von Systemen ohne Rückführung wird als Open Loop, die mit Rückführung als Closed Loop bezeichnet. In der Betriebsart Closed Loop ist es zunächst unerheblich, ob die zurückgeführten Signale vom Motor selbst oder aus dem beeinflussten Prozess kommen.

Bei Steuerungen mit Rückführung wird die gemessene Regelgröße (Istwert) permanent mit einer Führungsgröße (Sollwert) verglichen. Bei Abweichungen zwischen diesen Größen regelt die Steuerung entsprechend den vorgegebenen Regelparametern nach.

Dagegen fehlt den reinen Steuerungen die Rückführung der zu regelnden Größe. Die Führungsgröße (Sollwert) wird lediglich vorgegeben.

Neben den physischen Rückführsystemen (beispielsweise über Encoder oder Hallsensoren) kommen auch modellbasierte Rückführsysteme zum Einsatz, die alle unter dem Überbegriff Sensorless bekannt sind. Beide Rückführsysteme können auch in Kombination eingesetzt werden, um die Qualität der Regelung weiter zu verbessern.

Nachfolgend werden alle möglichen Kombinationen von Betriebsarten und Rückführsystemen mit Bezug auf die Motortechnik zusammengefasst. Die Unterstützung der jeweiligen Betriebsart und Rückführung ist steuerungsspezifisch und in den Kapiteln Anschlussbelegung und Betriebsmodi nachzulesen.

Betriebsart Schrittmotor BLDC-Motor
Open Loop ja nein
Closed Loop ja ja
Rückführung Schrittmotor BLDC-Motor
Hall nein ja
Encoder ja ja
Sensorless ja ja

Speziell für Applikationen im niedrigen Drehzahlbereich hat Nanotec die Betriebsart Slow Speed entwickelt, die eine Mischung aus Open Loop und Closed Loop ist. Diese Betriebsart kann angewendet werden, wenn ein Encoder als Rückführung vorhanden ist.

In Abhängigkeit der Betriebsart können verschiedene Betriebsmodi verwendet werden. Die nachfolgende Liste fasst alle Betriebsmodi zusammen, die in den verschiedenen Betriebsarten möglich sind.

Betriebsmodus Betriebsart
Open Loop Closed Loop Slow Speed
Profile Position ja ja ja
Velocity ja ja ja
Profile Velocity ja ja ja
Profile Torque nein1) ja nein
Homing ja2) ja ja
Interpolated Position Mode ja3) ja ja
Cyclic Synchronous Position ja3) ja ja
Cyclic Synchronous Velocity ja3) ja ja
Cyclic Synchronous Torque nein1) ja nein
Takt-Richtung ja ja ja

1) Die Drehmoment-Betriebsmodi Profile Torque und Cyclic Synchronous Torque sind in der Betriebsart Open Loop aufgrund einer fehlenden Rückführung nicht möglich.

2) Ausnahme: Homing auf Block ist aufgrund einer fehlenden Rückführung nicht möglich.

3) Da sich Rampen und Geschwindigkeiten in den Betriebsmodi Cyclic Synchronous Position und Cyclic Synchronous Velocity aus den vorgegebenen Punkten des Masters ergeben, ist es normalerweise nicht möglich, diese Parameter so vorzuwählen und zu erproben, dass ein Schrittverlust ausgeschlossen werden kann. Es wird deshalb davon abgeraten, diese Betriebsmodi in Verbindung mit der Betriebsart Open Loop zu verwenden.

Open Loop

Einführung

Die Betriebsart Open Loop wird nur bei Schrittmotoren angewendet und ist ein reiner Stellbetrieb. Die Felddrehung im Stator wird durch die Steuerung vorgegeben. Der Rotor folgt der magnetischen Felddrehung ohne Schrittverluste unmittelbar, solange keine Grenzparameter - wie beispielsweise das maximal mögliche Drehmoment - überschritten werden. Im Vergleich zum Closed Loop werden keine komplexen internen Regelungsprozesse in der Steuerung benötigt. Dadurch sind die Anforderungen an die Steuerungshardware wie auch an die Steuerungslogik sehr gering. Im Besonderen bei preissensitiven Anwendungen und einfachen Bewegungsaufgaben wird deshalb die Betriebsart Open Loop vorwiegend eingesetzt.

Da es im Gegensatz zu Closed Loop keine Rückkopplung über die aktuelle Rotorposition gibt, kann auch kein Rückschluss auf das an der Abtriebsseite der Motorwelle anstehende Gegenmoment gezogen werden. Um eventuell an der Abtriebswelle des Motors auftretende Drehmomentschwankungen auszugleichen, liefert die Steuerung in der Betriebsart Open Loop über den gesamten Drehzahlbereich immer den maximal möglichen (bzw. durch Parameter vorgegebenen) eingestellten Strom an die Statorwicklungen. Die dadurch erzeugte hohe magnetische Feldstärke zwingt den Rotor, in kürzester Zeit den neuen Beharrungszustand einzunehmen. Diesem Moment steht jedoch das Trägheitsmoment des Rotors und des Gesamtsystems entgegen. Unter bestimmten Betriebsbedingungen neigt diese Kombination zu Resonanzen, vergleichbar einem Feder-Masse-System.

Inbetriebnahme

Um die Betriebsart Open Loop anzuwenden, sind folgende Einstellungen notwendig:

  • Im Objekt 2030h (Pole Pair Count) die Polpaarzahl eingeben (siehe Motordatenblatt: Ein Schrittwinkel von 1,8° entspricht bei einem Schrittmotor mit 2 Phasen 50 Polpaaren und von 0,9° entspricht 100 Polpaaren).
  • Im Objekt 2031h:00h den maximal zulässigen Motorstrom (Motorschutz) in mA eingeben (siehe Motordatenblatt)
  • Im Objekt 6075h:00h den Nennstrom des Motors in mA (siehe Motordatenblatt) eingeben.
  • Im Objekt 6073h:00h: den Maximalstrom (entspricht bei einem Schrittmotor in der Regel dem Nennstrom, Bipolar) in Promille des eingestellten Nennstroms eingeben (siehe Motordatenblatt). Werkseinstellung: "1000", was 100% des Wertes in 6073h entspricht. Ein Wert größer "1000" wird intern auf "1000" limitiert.
  • Im Objekt 3202h (Motor Drive Submode Select) das Bit 0 (CL/OL) mit dem Wert "0" belegen.

Nanotec empfiehlt, die Stromabsenkung bei Stillstand des Motors zu aktivieren, um die Verlustleistung und Wärmeentwicklung zu reduzieren. Um die Stromabsenkung zu aktivieren, sind folgende Einstellungen notwendig:

  • Im Objekt 3202h (Motor Drive Submode Select) das Bit 3 (CurRed) auf "1" setzen.
  • Im Objekt 2036h (Open Loop Current Reduction Idle Time) wird die Zeit in Millisekunden angegeben, die sich der Motor im Stillstand (der Sollwert wird geprüft) befinden muss, bis die Stromabsenkung aktiviert wird.
  • Im Objekt 2037h (Open Loop Current Reduction Value/factor) wird der Effektivwert angegeben, auf den der Nennstrom reduziert werden soll, wenn die Stromabsenkung im Open Loop aktiviert wird und sich der Motor im Stillstand befindet.

Optimierungen

Systembedingt können in der Betriebsart Open Loop Resonanzen auftreten, besonders bei geringer Belastung ist die Resonanzneigung hoch. Aus praktischen Erfahrungen heraus haben sich in Abhängigkeit der Applikation verschiedene Maßnahmen bewährt, um Resonanzen weitgehend zu reduzieren:

  • Strom reduzieren oder erhöhen, siehe Objekt 6073h bzw. 6075h. Eine zu hohe Drehmomentreserve begünstigt Resonanzen.
  • Die Betriebsspannung unter Berücksichtigung der produktspezifisch zugelassenen Bereiche reduzieren (bei genügender Drehmomentreserve) oder erhöhen. Der zulässige Betriebsspannungsbereich kann dem Produktdatenblatt entnommen werden.
  • Die Regelparameter des Stromreglers über die Objekte 3210h:09h (I_P) und 3210h:0Ah (I_I) optimieren (in der Regel nicht notwendig).

    Der Stromregler arbeitet optimal, wenn der aktuelle Strom beider Wicklungen (Wurzel der Summe I_a2+ I_b2, 2039h:03h/:04h) zu jedem Zeitpunkt dem eingestellten Nennstrom (203Bh:01h) entspricht.

  • Anpassen der Beschleunigung, Verzögerung und/oder Zielgeschwindigkeit in Abhängigkeit des gewählten Betriebsmodus:
    Betriebsmodus Profile Position
    Objekte 6083h (Profile Acceleration), 6084h (Profile Deceleration) und 6081h (Profile Velocity).
    Betriebsmodus Velocity
    Objekte 6048h (Velocity Acceleration), 6049h (Velocity Deceleration) und 6042h (Target Velocity).
    Betriebsmodus Profile Velocity
    Objekte 6083h (Profile Acceleration), 6084h (Profile Deceleration) und 6081h (Profile Velocity).
    Betriebsmodus Homing
    Objekte 609Ah (Homing Acceleration), 6099h:01h (Speed During Search For Switch) und 6099h:02h (Speed During Search For Zero).
    Betriebsmodus Interpolated Position Mode
    Mit der übergeordneten Steuerung können die Beschleunigungs- und Verzögerungsrampen beeinflusst werden.
    Betriebsmodus Cyclic Synchronous Position
    Über die externen Zielvorgaben "Positionsvorgabe/Zeiteinheit" können die Beschleunigungs- und Verzögerungsrampen beeinflusst werden.
    Betriebsmodus Cyclic Synchronous Velocity
    Über die externen Zielvorgaben "Positionsvorgabe/Zeiteinheit" können die Beschleunigungs- und Verzögerungsrampen beeinflusst werden.
    Betriebsmodus Takt-Richtung
    Änderung der Schrittauflösung über die Objekte 2057h (Clock Direction Multiplier) und 2058h (Clock Direction Divider). Beschleunigungs-/Verzögerungsrampen durch Anpassen der Impulsfrequenz optimieren, um den Resonanzbereich möglichst schnell zu durchlaufen.

Closed Loop

Einführung

Die Closed Loop-Theorie geht auf die Vorstellung eines Regelkreises zurück. Eine am System einwirkende Störgröße soll möglichst schnell und ohne bleibende Abweichung ausgeregelt werden, um die Regelgröße wieder an die Führungsgröße anzugleichen.

Closed Loop am Beispiel einer Drehzahlregelung:

PII = Proportional-/Integralregler Stromregelkreis
PIV = Proportional-/Integralregler Drehzahlregelkreis
Iist = Aktueller Strom
Vist = Aktuelle Drehzahl

Das Closed Loop-Verfahren wird auch als "Sinuskommutierung über Encoder mit feldorientierter Regelung" bezeichnet. Kern der Closed Loop-Technologie ist die leistungsangepasste Stromregelung sowie die Rückführung der Istwerte des Prozesses. Über die Signale eines Sensors wird die Rotorlage erfasst und es werden in den Motorwicklungen sinusförmige Phasenströme erzeugt. Durch die Vektorregelung des Magnetfelds ist gewährleistet, dass das Statormagnetfeld immer senkrecht zum Rotormagnetfeld steht und die Feldstärke genau dem gewünschten Drehmoment entspricht. Der in den Wicklungen so gesteuerte Strom sorgt für eine gleichmäßige Motorkraft und führt zu einem besonders ruhig laufenden Motor, der sich genau regeln lässt.

Die für die Betriebsart Closed Loop notwendige Rückführung der Regelgrößen kann mit verschiedenen Technologien realisiert werden. Neben der physischen Rückführung mit Encoder oder Hall-Sensoren, ist auch eine virtuelle Erfassung der Motorparameter durch eine softwarebasierte Modellberechnung möglich. Physikalische Größen, wie Geschwindigkeit oder Gegen-EMK, können mit Hilfe eines sogenannten "Beobachters" aus den Daten des Stromreglers rekonstruiert werden. Mit dieser Sensorless-Technologie erhält man einen "virtuellen Drehgeber", der ab einer gewissen Minimalgeschwindigkeit die Positions- und Drehzahlinformation mit der gleichen Präzision liefert wie ein realer optischer oder magnetischer Drehgeber.

Alle Steuerungen von Nanotec, welche die Betriebsart Closed Loop unterstützen, implementieren eine feldorientierte Regelung mit einer sinuskommutierten Stromregelung. Die Schrittmotoren und BLDC-Motoren werden also genauso geregelt wie ein Servomotor. Mit der Betriebsart Closed Loop können Schrittwinkelfehler während der Fahrt kompensiert und Lastwinkelfehler innerhalb eines Vollschritts korrigiert werden.

Reglerstruktur

Der Regler besteht aus drei kaskadierten PI-Reglern (proportional-integral): dem Stromregler (Kommutierung), dem Geschwindigkeitsregler und dem Positionsregler.

Der Stromregler ist in allen Betriebsmodi aktiv. Der Geschwindigkeitsregler ebenso, mit der einzigen Ausnahme der "Real Torque"-Modi (Drehmomentmodus ohne Drehzahl-Begrenzung, wenn das Bit 5 in 3202h auf "1" steht).

Der Positionsregler ist in folgenden Betriebsmodi aktiv:

  • Profile Position
  • Homing
  • Interpolated Position Mode
  • Cyclic Synchronous Position
  • Takt-Richtungs-Modus
  • Velocity/Profile Velocity/Cylic Synchronous Velocity, wenn das Bit 1 in 3202h auf "1" steht
Anmerkung:

Für Firmware-Versionen ab FIR-v19xx gilt das hier beschriebene neue Schema für die Reglerstruktur.

Die alten Regelparameter (Objekt 3210h) sind im Auslieferungszustand noch aus Kompatibilitätsgründen aktiviert. Nanotec empfiehlt, für neue Applikationen die neuen Regelparameter zu verwenden.

Um die neuen Parameter zu verwenden, müssen Sie 3210h:07h (für den Closed Loop) bzw. 3210h:09h (für den Open Loop) auf "0" setzen. Die alten Werte werden beim Einschalten der Steuerung umgerechnet und in das neue Objekt 320Eh bzw. 320Fh eingetragen. Sie müssen beide Objekte speichern (siehe Objekte speichern).

Jeder Regler besteht aus einem Proportional-Anteil mit dem Verstärkungsfaktor Kp und einem Integral-Anteil mit der Nachstellzeit Tn. Die Stellgröße (das Ausgangssignal des Reglers, das die Vorgabe für den nächsten Regler ist) wird jeweils durch die maximale Geschwindigkeit (Positionsregler), den maximalen Strom (Geschwindigkeitsregler) oder das maximale PWM-Signal (Stromregler) limitiert.

Die nachfolgenden Abbildungen zeigen die Struktur der drei kaskadierten Regler.







Für jeden Regler können Sie eine maximale Regelabweichung (emax) und einen Verstärkungsfaktor (Kp) einstellen, die den Ausgang des Reglers (Stellgröße) bestimmen, unter Berücksichtigung der Limitierung der Stellgröße (ymax).

Die folgende Abbildung zeigt den Zusammenhang zwischen der maximalen Regelabweichung (e), der Stellgröße (y) und dem Verstärkungsfaktor (Kp) am Beispiel des Positionsreglers.

Eine in 320Eh:04h eingestellte maximale Abweichung (emax_pos) führt bei einem Kp von 100% zu der in 320Eh:05h eingestellten maximalen Stellgröße (in dem Fall der maximalen Geschwindigkeit, ymax_vel). Bei kleineren Abweichungen ist auch die Stellgröße entsprechend kleiner.

Der Verstärkungsfaktor Kp hat einen direkten Einfluss auf die aktuelle Stellgröße: bei gleicher Abweichung ist die Stellgröße proportional zum Verstärkungsfaktor.



Jeder Regler besitzt auch einen Integral-Anteil, der durch die Nachstellzeit (Tn) bestimmt wird. Die folgende Abbildung zeigt den Einfluss der Nachstellzeit auf die Stellgröße am Beispiel des Geschwindigkeitsreglers.

Je kleiner die Nachstellzeit, desto größer der Einfluss des Integral-Anteils und desto schneller steigt die Stellgröße. Ist die Nachstellzeit 0, wird der Integral-Anteil intern auf "0" gesetzt und der Regler hat nur den Proportional-Anteil.



Vorsteuerung

Sie haben auch die Möglichkeit, eine Geschwindigkeitsvorsteuerung und eine Beschleunigungsvorsteuerung (die einem Drehmoment-/Stromwert entspricht) einzustellen.

Sie können die Vorsteuerung verwenden, um eine bereits bekannte oder zu erwartende Stellgröße auf die Führungsgröße ("prädiktiv") aufzuschlagen. Sie können z. B. das Trägheitsmoment der Last kompensieren, indem Sie einen Beschleunigungs-Vorsteuerwert auf den Ausgang des Geschwindigkeitsreglers addieren.

Die Vorsteuerwerte werden zusätzlich in den Geschwindigkeits- bzw. Stromregelkreis eingespeist. Sie stehen sofort zur Verfügung. Dadurch kann eine dynamischere Regelung erzielt werden.

Die folgende Abbildung zeigt den Strom (der die Beschleunigung erzeugt) während der Beschleunigungsphase in Abhängigkeit von der Beschleunigungsvorsteuerung. Bei einem Vorsteuerwert von "50%" steht der Strom bereits zu Beginn der Beschleunigungsphase auf "50%", der Stromregler wird dadurch "entlastet".



Der Faktor für die Geschwindigkeitsvorsteuerung wird im Objekt 320Eh:03h in Promille des Ausgangs des Rampengenerators (606Bh) eingestellt und vor dem Geschwindigkeitsregler zum Ausgang des Positionsreglers addiert. Die Geschwindigkeitsvorsteuerung ist in allen Modi mit Positionsregelkreis aktiv:

  • Profile Position
  • Homing
  • Interpolated Position Mode
  • Cyclic Synchronous Position
  • Takt-Richtungs-Modus
  • Velocity/Profile Velocity, wenn das Bit 1 in 3202h auf "1" steht

Der Faktor für die Beschleunigungsvorsteuerung wird im Objekt 320Eh:08h in Promille des Faktors von 320Dh eingestellt und mit dem Ausgang des Rampengenerators (6074h) multipliziert. Der Wert wird vor dem Stromregler zum Ausgang des Geschwindigkeitsreglers addiert. Die Beschleunigungsvorsteuerung ist in allen Modi aktiv, mit der Ausnahme der Drehmomentmodi.

Die folgende Abbildung zeigt die Fälle, in denen die Vorsteuerung aktiv ist und die Position der Vorsteuerung innerhalb der Regler-Kaskade.



 

Zuordnung der Rückführungen zu den Regelkreisen

Im Objekt 3203h legen Sie fest, welche der vorhandenen Rückführungen die Steuerung für die einzelnen Regler (Stromregler/Kommutierung, Geschwindigkeit, Position) berücksichtigt. Sie können auch einen zweiten Sensor für die Kommutierung verwenden (siehe Kommutierungshilfe).

Jeder Subindex des Objekts enthält eine Bitmaske für die jeweilige Rückführung eines Sensors. Die Bits haben dabei folgende Bedeutung:

  • Bit 0: wird das Bit auf "1" gesetzt, wird dieser Sensor für die Rückführung der Position verwendet.
  • Bit 1: wird das Bit auf "1" gesetzt, wird dieser Sensor für die Rückführung der Geschwindigkeit verwendet.
  • Bit 2: wird das Bit auf "1" gesetzt, wird dieser Sensor für die Rückführung der Kommutierung im Closed Loop verwendet.

Subindex 01h entspricht immer der ersten (und immer vorhandenen) Rückführung Sensorless. Die Reihenfolge der restlichen Rückführungen entspricht der Tabelle im Kapitel Konfigurieren der Sensoren.

Welchen Sensor die Steuerung für die einzelnen Regler (Kommutierung, Geschwindigkeit, Position) berücksichtigt, ist implizit durch die Reihenfolge der Sensoren vorgegeben.

Das Aufsuchen beginnt immer mit Sensor 2 und setzt sich aufsteigend fort, bis alle vorhandenen Sensoren abgefragt wurden. Wird ein Sensor gefunden dessen Ruckführung gesetzt ist, dann wird diese dem entsprechenden Regler zugeordnet und die Suche abgebrochen.

 

Beispiel

Die Steuerung hat zwei physikalische Schnittstellen. Angeschlossen wurden Hall-Sensoren und ein (nicht-absoluter) Inkremental-Encoder.

Rückführung 1 Rückführung 2 Rückführung 3
Bit Regler Sensorless Hall Inkremental-Encoder
0 Position 0 0 1
1 Geschwindigkeit 0 1 11
2 Kommutierung 0 12 1
         
Index:Subindex 3203h:01h 3203h:02h 3203h:03h

1Die Hall-Sensoren sollen für die Geschwindigkeitsregelung verwendet werden, der Encoder für die Positionierung und Kommutierung. Obwohl das Bit für die Geschwindigkeit auch bei der dritten Rückführung gesetzt wurde, wird dieses nicht berücksichtigt.

2Direkt nach dem Einschalten − und bis der Index des Encoders zum ersten Mal überfahren wird − soll die Kommutierung über die Hall-Sensoren erfolgen und den sofortigen Closed Loop-Betrieb ermöglichen.

Kommutierungshilfe

Einigen Sensoren fehlt anfangs das für die Kommutierung nötige Alignment (Versatz zwischen dem Index des Encoders und den Magneten des Rotors). Das heißt, dass die Rotorlage nicht allein anhand der Positionsinformation des Sensors bestimmt werden kann.

Als Hilfestellung können Sie einen zweiten Sensor als Kommutierungssensor einstellen (Bit 2 des entsprechenden Subindex in 3203h). So kann beispielsweise jeder (elektrisch) absolute Sensor mit Alignment (wie ein Hall-Sensor) eine Kommutierungshilfe bieten, z. B. für einen Inkremental-Encoder ohne Index bzw. mit noch fehlendem Alignment (Index-Signal seit einem Neustart noch nicht gesehen). Die Steuerung verwendet automatisch den besseren Sensor für die Kommutierung.

Ist kein zweiter Kommutierungssensor ausgewählt, oder fehlt den ausgewählten Sensoren das Alignment, so wird nötigenfalls ein Auto-Alignment im Open Loop ermittelt (unabhängig vom Bit 4 in 3202h).

Inbetriebnahme

Vor dem Anwenden der Betriebsart Closed Loop sollte ein Auto-Setup durchgeführt werden. Der Betriebsmodus Auto-Setup ermittelt automatisch die notwendigen Parameter (z.B. Motorkenndaten, Rückführsysteme), die für eine optimale Arbeitsweise der feldorientierten Regelung notwendig sind. Alle Informationen zur Durchführung des Auto-Setups sind im Kapitel Auto-Setup beschrieben.

Um die Betriebsart Closed Loop anzuwenden, sind je nach Motortyp und Rückführung bestimmte Einstellungen notwendig, siehe Kapitel Motordaten einstellen.

Das Bit 0 im 3202h muss gesetzt sein. Das Bit wird nach einem erfolgreich abgeschlossenen Auto-Setup automatisch gesetzt.

Aktivierung

Wird ein (elektrisch) absoluter Sensor (z. B. Hall-Sensor) für die Kommutierung verwendet, wird der Closed Loop automatisch bereits beim Einschalten aktiviert.

Wird ein Encoder für die Kommutierung verwendet, muss der Index des Encoders mindestens einmal nach dem Einschalten überfahren werden, bevor der Closed Loop aktiviert werden kann (solange erfolgt ein Open Loop-Betrieb).

Wenn kein Index vorhanden ist, oder dieser nicht verwendet werden soll, können Sie:

  • einen zweiten Sensor zur Kommutierung verwenden (siehe Zuordnung der Rückführungen zu den Regelkreisen)
  • oder ein Auto-Alignment im Open Loop ermitteln lassen, indem Sie das Bit 4 in 3202h auf "1" setzen.

    Das Auto-Alignment wird einmalig bei jedem Neustart der Steuerung ermittelt, nach dem ersten Befehl, der die CiA 402 Power State Machine in den Zustand Operation Enabled versetzt.

    Dabei wird der Rotor um bis zu einem magnetischem Pol bewegt. Nachdem das Alignment ermittelt wurde, wird der Zustand Operation Enabled erreicht und ggf. die Fahrt fortgesetzt.

    Anmerkung:

    Damit das Auto-Alignment ermittelt werden kann, müssen Sie sicherstellen, dass die (automatische oder manuelle) Bremsensteuerung deaktiviert ist (siehe Kapitel Automatische Bremsensteuerung).

    ACHTUNG:
    • Unkontrollierte Motorbewegungen!
    • Es kann zu unvorhersehbaren Reaktionen kommen, wenn das Alignment nicht richtig ermittelt wird.
    • Beachten Sie folgende Voraussetzungen für die Verwendung des Auto-Alignments:
    • ► Die Motorwelle muss möglichst lastfrei sein. Wenn das nicht möglich ist, muss der Motor so ausgelegt werden, dass eine große Drehmoment-Reserve vorhanden ist.

Das Bit 15 im 6041h Statuswordh zeigt an, ob der Closed Loop aktiv ist oder nicht (wenn der Zustand der CiA 402 Power State Machine Operation Enabled ist).

 

Optimierungen

Im Closed Loop wird die gemessene Regelgröße (Istwert) permanent mit der Führungsgröße (Sollwert) verglichen. Bei Abweichungen zwischen diesen Größen regelt die Steuerung entsprechend den vorgegebenen Regelparametern nach.

Ziel der Optimierung der Regelparameter (das sogenannte Tuning des Reglers) ist ein möglichst ruhiger Motorlauf, eine hohe Genauigkeit und eine hohe Dynamik in der Reaktion der Steuerung auf Störungen. Alle Regelabweichungen sollen so schnell wie möglich eliminiert werden.

Es ist aufgrund der kaskadierten Reglerstruktur sinnvoll, mit der Optimierung des innersten Reglers (Stromreglers) zu beginnen, bevor der Geschwindigkeits- und ggf. der Positionsregler optimiert werden. Jeder der drei Regler besteht aus einem Proportional- und einem Integral-Anteil, die normalerweise in dieser Reihenfolge angepasst werden sollten.

Folgende Abbildungen zeigen die Reaktion des Reglers auf eine Sollwert-Änderung.

Ist der Proportional-Anteil zu klein, bewegt sich der Istwert unterhalb des Sollwerts. Ein zu großer Proportional-Anteil führt dagegen zu einem "Überschwingen".



Ist die Nachstellzeit zu klein, neigt das System zu Schwingungen zu. Ist die Nachstellzeit zu groß, wird die Abweichung zu langsam ausgeregelt.



ACHTUNG:
  • Verletzungsgefahr durch unkontrollierte Motorbewegungen!
  • Falsche Regelparameter können zu einem instabilen Regelverhalten führen. Es kann zu unvorhersehbaren Reaktionen kommen.
  • ► Erhöhen Sie die Regelparameter langsam und schrittweise. Erhöhen Sie diese nicht weiter, wenn Sie starke Schwingungen/Oszillationen beobachten.
  • ► Greifen Sie während des Betriebs nicht nach bewegten Teilen. Warten Sie nach dem Abschalten, bis alle Bewegungen beendet sind.

Slow Speed

Einführung

Die Betriebsart Slow Speed vereint die Vorteile der Open Loop- und Closed Loop-Technologie im niedrigen Drehzahlbereich und kann angewendet werden, wenn ein Encoder als Rückführung vorhanden ist. Slow Speed bietet eine Schleppfehlerüberwachung, weist aber einen laufruhigeren Betrieb auf, als im puren Closed Loop-Betrieb bei niedrigen Drehzahlen.

Die Rotorlage wird über die Signale des Encoders erfasst. Um die Geschwindigkeit zu berechnen, wird die Änderung der Position durch die (feste) Zykluszeit dividiert. Bei niedrigen Drehzahlen zählt der Controller weniger (oder gar keine) Encoder-Inkremente in einem Zyklus, was zu einer Geschwindigkeitskurve mit relativ vielen Spitzen führt (trotz des verwendeten Tiefpassfilters).

Wegen des kaskadierten Regelkreises führt dies im Closed Loop-Betrieb zu Stromspitzen, die einen unruhigen Lauf zufolge haben, wie die folgende Abbildung zeigt.



In der Betriebsart Slow Speed fährt der Motor im Gegenteil mit konstantem Phasenstrom, wie im Open Loop. Der Schleppfehler wird aber über den Encoder überwacht und die Vektorregelung des Magnetfelds wird ggf. aktiviert, wie im Closed Loop.

Aktivierung

Um die Betriebsart Slow Speed zu aktivieren, müssen Sie:

  1. den Closed Loop aktivieren,
  2. das Bit 7 im Objekt 3202h (Motor Drive Submode Select) auf "1" setzen.

Die Umschaltung zwischen Slow Speed und Closed Loop erfolgt automatisch bei einer von der physikalischen Encoderauflösung abhängigen Drehzahl, mit einer Hysterese von 10%. Diese feste Umschaltdrehzahl wird in Umdrehungen pro Minute berechnet wie folgt:



Die nachfolgende Abbildung zeigt die Umschaltung in Abhängigkeit von der Drehzahl in beiden Richtungen.



Im Stillstand befindet sich der Motor im Closed Loop-Betrieb.

Optimierungen

Der gesamte Phasenstrom bleibt konstant, wie im Open Loop. Systembedingt können dann Resonanzen auftreten, die Sie durch Anpassung des Motorstroms und/oder der Beschleunigungsrampe vermeiden können. Siehe auch Kapitel Open Loop.

Bei Betrieb in unterschiedlichen Drehzahlbereichen, wenn zwischen Closed Loop und Slow Speed gewechselt wird, ist eventuell notwendig:

  • den Motorstrom (Objekte 6075h, 6073h) zu reduzieren, wenn von Closed Loop in Slow Speed gewechselt wird,
  • unterschiedliche Regelparameter (siehe Reglerstruktur) für jeden Drehzahlbereich zu ermitteln.
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