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T

Praxis der Antriebstechnik

Band 7

Servo-AntriebeGrundlagen, Eigenschaften,

Projektierung

Ausgabe 04/97

0922

460

2 / 0

497

Das komplette Programmauf einen Blick

2

Getriebe- und Bremsmotoren Stirnradgetriebe/ -motoren Flachgetriebe/ -motoren Kegelradgetriebe/ -motoren Schneckengetriebe/ -motoren Spiroplan® -Getriebemotoren Spielarme Planetengetriebe/ -motoren Bremsmotoren Explosionsgeschützte Drehstrommotoren

Elektronisch geregelte Antriebe Frequenzumrichter MOVITRAC®

MOVIMOT® -Getriebemotoren Antriebsumrichter MOVIDRIVE®

Servoumrichter MOVIDYN®

Servomotoren und -Getriebemotoren Gleichstrom-Getriebemotoren, -Motoren und -Bremsmotoren

Mechanische Verstellantriebe Breitkeilriemen-Verstellgetriebemotoren VARIBLOC®

Reibscheiben-Verstellgetriebemotoren VARIMOT®

Dienstleistungen Technische Beratung Anwender-Software Seminare Fachdokumentation Kundendienst

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.1 Definition der Servotechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.2 Entwicklung der Servoantriebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.3 Vergleich gebräuchlicher Antriebssysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81.4 Vor- und Nachteile eines Servoantriebs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121.5 Komponenten eines Servosystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131.6 Übersicht gebräuchlicher Servomotoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131.7 Gebersysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

2 Der permanenterregte Synchronmotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212.1 Aufbau und Wirkungsweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212.2 Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252.3 Elektromechanische Not- und Haltebremse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

3 Der Resolver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293.1 Aufbau und Funktion des Resolvers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293.2 Verarbeitung und Auswertung der Resolversignale . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313.3 Encodernachbildung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

4 Der Servoumrichter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344.1 Grundkomponenten des modularen Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354.2 Das Netzmodul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364.3 Das Achsmodul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

5 Regelungsstruktur / Betriebsarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 445.1 Stromregler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 445.2 Drehzahlregler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 465.3 Lageregler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 485.4 Betriebsarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

6 Das Getriebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 526.1 Forderungen der Servotechnik an ein Getriebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 526.2 Allgemeine Getriebeübersicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 526.3 Vergleich der verschiedenen Getriebebauarten für die Servotechnik . . . . . . . . . . 53

7 Einsatz in industrieller Umgebung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 547.1 Netzverhältnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 547.2 Hinweise zum Motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 547.3 Leitungsverlegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 547.4 Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 547.5 Schnittstellen zur Umgebung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 567.6 Definitionen der Prozeßanbindung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 577.7 Umgebungsbedingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 587.8 Inbetriebnahme und Regleroptimierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

8 Projektierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 618.1 Schematischer Ablauf der Projektierung eines Servoantriebs . . . . . . . . . . . . . 618.2 Projektierungsbeispiel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 628.3 Berechnung der X-Achse (Fahrwerk) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 628.4 Berechnung der Y-Achse (Fahrwerk) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 718.5 Berechnung der Z-Achse (Hubwerk) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 778.6 Gemeinsame Versorgung der X-, Y- und Z-Achse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

AnhangBestimmung der Verlustleistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88Dimensionierung von Bremswiderständen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

Praxis der Antriebstechnik - Band 7 3

1 Einleitung

Entwicklungen im Bereich der Elektronik und auf dem Gebiet der Werkstoffe haben die Situation inder Antriebstechnik verändert.Bisher wurden in der Servotechnik hauptsächlich permanenterregte Gleichstrommotoren (DC-Mo-toren) eingesetzt. Der bedeutendste Nachteil der Drehstrommotoren (AC-Motoren) gegenüber denGleichstrommotoren war die schlechtere Regelbarkeit der Drehstrommotoren. Durch die Weiterent-wicklung im Bereich der Elektronik, speziell im Bereich der Mikrocontroller, kann dieser Nachteiljedoch durch eine entsprechende Ansteuerung kompensiert werden.

Diese Entwicklungen haben bei den Antriebssystemen zu einer Verlagerung vom DC-Motor zumAC-Motor geführt. Gerade bei den Servosystemen, die früher fast ausschließlich in DC-Technikausgeführt wurden, ist eine starke Tendenz hin zum AC-Synchronmotor zu beobachten.

Neue leistungsfähigere Permanentmagnete aus Samarium-Cobalt und Neodym-Eisen-Bor steigerndurch ihre höhere Energiedichte die Leistung des Motors bei gleichzeitiger Reduzierung der Masse.Damit erhöht sich die Dynamik der Antriebe und die Baugröße der Motoren wird kleiner.

1.1 Definition der Servotechnik

In der modernen Antriebstechnik werden bei vielen Anwendungen hohe Anforderungen gestellt an:

• Positioniergenauigkeit

• Drehzahlgenauigkeit

• Regelbereich

• Drehmomentkonstanz

• Überlastfähigkeit

• Dynamik

Die Ansprüche an die Dynamik, also das zeitliche Verhalten eines Antriebes, resultiert aus immerschneller werdenden Bearbeitungsvorgängen, einer Erhöhung der Taktzeiten und der damit verbun-denen Produktivität einer Maschine.Die Genauigkeit eines Antriebes bestimmt sehr häufig die Anwendungsmöglichkeiten eines Antriebs-systemes.

Diesen Ansprüchen muß ein modernes dynamisches Antriebssystem gerecht werden.

Definition Servoantrieb:Servoantriebe sind Antriebssysteme, die ein dynamisches, genaues und überlastfähiges Verhalten ineinem großen Drehzahlstellbereich aufweisen.

Das Wort “servo” ist vom lateinischen “servus” abgleitet, was mit Diener, Sklave oder Helfer übersetztwird. In der Werkzeugmaschinenbranche waren die Servoantriebe überwiegend Hilfsantriebe. Dieshat sich jedoch geändert, so daß heute auch Hauptantriebe in Servotechnik realisiert werden.

In diesem Band werden die Begriffe “Servoantrieb” und “dynamischer Antrieb” ebenbürtig verwendet.Sie stehen immer für den permanenterregten AC-Synchronmotor und das dazugehörige Regelsy-stem.

Einleitung1

4 Praxis der Antriebstechnik - Band 7

1.2 Entwicklung der Servoantriebe

Servoantriebe haben einen Namen, der auf “Hilfsantriebseigenschaften” hindeutet. Dies hatte sichernoch vor 40 Jahren im Werkzeugmaschinenbau seine Berechtigung, als vielfach die Vorschübe z.B.der Drehmaschine noch von Hand betätigt wurden. Nur bei großen Drehmomenten wurden Pneuma-tik, Hydraulik oder ungeregelte Drehstrommotoren eingesetzt. Es blieb der Fertigkeit des Drehers undseinen manuellen Meß- und Kontrollmethoden überlassen, wie schnell und präzise das Werkstückbearbeitet wurde.

Im Gegensatz dazu stand der Hauptantrieb, der pneumatisch, hydraulisch oder elektrisch für einemehr oder weniger konstante Drehzahl der Hauptspindel durch gesteuerten Betrieb sorgte.

1.2.1 Technische Entwicklung der Servoantriebe

Zunächst gab es überwiegend hydraulische und pneumatische Servoantriebe.Mit den Siliziumhalbleitern erlangte in den sechziger Jahren der Gleichstromantrieb erneut großeBedeutung.

Auch Servoantriebe wurden von dieser Entwicklung erfaßt:Mit Rücksicht auf die Forderung nach großer Dynamik kristallisierten sich zwei Entwicklungsrichtun-gen heraus.

Die erste sieht die notwendige Minimierung des Massenträgheitsmomentes des Motors in derAusbildung eines extrem kurzen, scheibenförmigen und eisenlosen Läufers.Die zweite konzentriert sich auf lange, besonders schlanke Läufer.

In beiden Fällen wurden ab Beginn der siebziger Jahre Permanentmagnete anstelle einer Erregerwick-lung eingesetzt. Damit wurden schnellerer Drehmomentaufbau und ein günstigerer Wirkungsgradmöglich.

Als Regelgeräte wurden eingesetzt:zunächst sogenannte Linearverstärker mit Leistungstransistoren und Ausgangsspannungen bis etwa100 V, später auch Thyristor-Stromrichter und gegen Ende der siebziger Jahre überwiegend Gleich-stromsteller auf der Basis von Schalttransistoren (Transistorsteller) im Leistungsteil.

Damit waren die zunächst schlechten Wirkungsgrade der elektrischen Stellglieder weitgehendoptimiert. Die erreichbare Ausgangsspannung lag wegen der noch ungenügenden Sperrspannungender Transistoren und der begrenzten Lamellenspannungen der Kommutatoren an den Gleichstrom-motoren in der Größenordnung von 200 V.

Der Anschluß des Transistorstellers über einen Trenntransformator ans Netz war obligatorisch.Dieser Trafo erfüllte gleichzeitig die Funktion der Netzentkopplung für das Stellglied.

Die Regelung von Drehzahl und Drehmoment erfolgte analog mit all den Problemen der Störemp-findlichkeit kleiner Signalspannungen bei den für Servoantriebe charakteristischen großen Drehzahl-stellbereichen. Als Istwertgeber für die Drehzahl diente der Gleichstrom-Tachometer.

Die Entwicklung von Frequenzumrichtern zunächst auf Basis von Thyristoren, später mit Lei-stungstransistoren führte bei den weniger anspruchsvollen geregelten Antrieben zu wachsendemEinsatz von verschleißarmen Kurzschlußläufer- und Normmotoren.

1Einleitung


Auch bei den Servoantrieben suchte man seit Mitte der siebziger Jahre nach einem Weg zumbürstenlosen Motor.

Die Umkehrung des Prinzips des konventionellen Gleichstrommotors schien eine aussichtsreicheLösung: Anker in den Ständer, Erregung in den Läufer.Der bürstenlose Gleichstrommotor oder elektronisch kommutierte Motor war geboren.

Dieser Motor ist dem Prinzip nach ein permanenterregter Synchronmotor, der zur Erfassung derRotorlage einen einfachen Positionsgeber mit 6 Positionsmeldungen je Umdrehung benötigt.

Neben der verschleißfreien elektronischen Kommutierung weist der Antrieb weitere Vorteile auf:

• reduziertes Massenträgheitsmoment durch wicklungsfreien Läufer

• einfache Kühlung, da Verlustleistung im Ständer statt im Läufer entsteht

• besserer Wirkungsgrad, da keine Verluste durch Erregerwicklung auftreten

Die elektronische Kommutierung des Stroms der Ständerwicklung erfolgt alle 60° el., gesteuert durchden Positionsgeber. Wegen der Kommutierung von Gleichstromblöcken nennt man das Prinzip auchBlockkommutierung. Zur Drehzahlregelung ist ein zusätzlicher Geber nötig.

Parallel zu diesen Entwicklungen wurde auch der Kurzschlußläufermotor wegen seiner günstigenFertigungskosten und seines Vorzugs des zusätzlichen Feldschwächbereichs als bürstenloser Ser-voantrieb weiter entwickelt.

Ein anderer Weg zum bürstenlosen Antrieb war die Entwicklung des sogenannten sinuskommutiertenServoantriebs:Das Konstruktionsprinzip des Motors ist ebenfalls der permanenterregte Synchronmotor mit denoben erwähnten Vorzügen. Der Rotorlagegeber ist in diesem Falle allerdings ein Resolver, dessenAusgangssignal den sinusförmigen Ständerstrom steuert.

Alle drei genannten Prinzipien bürstenloser Servoantriebe sind heute im Einsatz und haben bürsten-behaftete Lösungen seit Beginn der neunziger Jahre fast vollständig verdrängt.

Entscheidend für den Erfolg der bürstenlosen Systeme war der Fortschritt auf dem Gebiet derHalbleitertechnik. Die Entwicklung hochintegrierter, schneller Rechnersysteme und nichtflüchtigerSpeicherbausteine ermöglichte die Einführung der digitalen Regelung. Nun ist es kostenmäßig nichtmehr entscheidend, ob in den einzelnen Systemen einige Funktionen mehr oder weniger benötigtwerden. Mit einmaligem Softwareaufwand statt bisher vielfachem Hardwareeinsatz wird jetzt allesrealisiert.

Das Leistungsteil des Regelgerätes für alle drei bürstenlosen Systeme ist prinzipiell gleich: es handeltsich um einen Frequenzumrichter, der maschinengeführt arbeitet, im Gegensatz zu den selbstgeführ-ten Umrichtern für den Betrieb von Normmotoren. Die funktionalen Unterschiede finden sich alleinim Bereich der Steuerung und Regelung.

Die Fortschritte bei den Leistungstransistoren haben seit Beginn der neunziger Jahre auch den Betriebder Servoumrichter direkt an der Netzspannung ohne Zwischenschaltung eines Netztransformatorsermöglicht.

Einleitung1


1.2.2 Marktentwicklung der Servoantriebe

War der Servoantrieb zunächst nur im Marktsegment der Werkzeugmaschinen zu Haus, so wurdenseine Eigenschaften sehr schnell zu Beginn der siebziger Jahre für das im Zuge der Automatisierungwachsende Gebiet der Handhabungstechnik, der Industrieroboter und der Montageautomaten ent-deckt. Im Gegensatz zu den Anwendungen der Werkzeugmaschinen kam es wegen der zum Teil rechtunterschiedlichen Anforderungen an die Antriebe zu einem verzögerten Ersatz der hydraulischen undpneumatischen Konkurrenten.

Wegen ihrer geringen Masse fanden in der Handhabungs- und Robotertechnik zunächst überwiegendGleichstrom-Scheibenläufermotoren oft in Kombination mit spielarmen Planetengetrieben odersonstigen kompakt bauenden Sondergetrieben Einsatz. Später wurden die Scheibenläufermotorenebenfalls durch bürstenlose Ausführungen ersetzt.

Nachdem die Automatisierungswelle inzwischen in allen Bereichen des Maschinenbaus rollt, derElektroantrieb überall dominiert und die Mechanik der Maschinen durch moderne Einzelantriebeanstelle von Zentralantrieben wesentlich vereinfacht wird, ist der Markt für Servoantriebe erweitertworden. Heute gibt es kaum noch einen Maschinenbereich, in dem keine Anwendungen für Servo-antriebe zu finden sind. Die wichtigsten sind

• die Papierverarbeitung

• die Blechverarbeitung

• die Verpackungstechnik

• die Fördertechnik

• die Holzverarbeitung

• die Baustofftechnik

Da der Servoantrieb in allen Branchen höchst unterschiedlich genutzt wird, sind längst nicht alleAnwendungen hochdynamisch. Die Eigenschaften der hohen statischen oder dynamischen Regelge-nauigkeit, des großen Drehzahlstellbereiches, der hohen Stoßüberlastung oder auch nur des geringenGewichts, der geringen Abmessungen sind oft auch allein schon für den Einsatz entscheidend.

Dank der modernen Digitaltechnik ist die Anwendung der Servoantriebe wesentlich einfacher als nochvor ein paar Jahren. Die Digitaltechnik bietet eine große Vielfalt an anwendungsbezogenen Optionen,Schnittstellen zu allen Steuerungen (entweder direkt oder über Datenbussysteme) und die Möglich-keit der Inbetriebnahme und Optimierung mit PC und des automatischen Abgleichs.

Die anfangs erwähnten hydraulischen und pneumatischen Lösungen halten sich nur noch in Marktni-schen.

1Einleitung


1.3 Vergleich gebräuchlicher Antriebssysteme

Werden die von SEW angebotenen Antriebssysteme verglichen, so müssen verschiedene Faktorenherangezogen werden. Die Vergleichskriterien müssen sehr sorgfältig ausgewählt werden, um nicht“Äpfel mit Birnen” zu vergleichen.

Drei Bereiche werden näher untersucht:

• Die Motoreigenschaften

• Die prinzipiellen Antriebseigenschaften

• Die Systemkonfigurationen bei einer Anwendung

1.3.1 Vergleich der Motoreigenschaften

Der erste Vergleich soll dem Motor gelten. Es werden Motoren mit gleicher Drehzahl und gleicherLeistung gegenübergestellt.

Kenngrößen Drehstromasynchronmotoram Netz

Gleichstrommotor PermanenterregterSynchronmotor

Leistung [kW] 7,5 8,3 7,5Drehzahl [1/min] 2900 3200 3000Typ / Baugröße DFV 132 M2 GFVN 160 M DFY 112 ML

Schutzart IP 54 IP 44 IP 65Kühlung eigen eigen KonvektionLänge [mm] 400 625 390

Masse gesamt [kg] 66 105 38,6Masse Rotor [kg] 17 29 8,2JMot [10–4 kgm2] 280 496 87,4

Nenndrehmoment [Nm] 24,7 24,7 24Max. Drehmoment Mmax 2,6 ⋅ MN / 1,8 ⋅ MN

1) 1,6 ? MN 3 ? MN

Max. Winkelbeschleuni-gung α [1/s2] 2)

1588 797 8238

Max. Dynamik [%] 4)

(Servomotor = 100 %)20 10 100

Hochlaufzeit tH 3) [ms] 191 420 38

1) Angegeben ist hier das Kippmoment und das mittlere Hochlaufmoment MH, welches in die Rechnungen eingeht.

Aus der Tabelle werden schon einige Merkmale der Motoren deutlich. Die unterlegten Merkmalewerden noch näher erläutert.

2) . maxMax WinkelbeschleunigungM

JMotα =

3955

), max

tJ n

MHMot Mot=

⋅⋅

4 100) %α

αServo

⋅

Einleitung1


Masse der Motoren und Rotoren

Bild 1 zeigt die Masse der verschiedenen Motoren im Vergleich. Dabei ist zu erkennen, daß derSynchronmotor mit Abstand die geringste Masse hat. Insbesondere bei Anlagen, bei denen derAntrieb mitfährt, hat ein niedriges Eigengewicht große Vorteile.

Anhand dieses Vergleichs ergibt sich für die einzelnen Motoren folgendes Leistungsgewicht:

• Asynchronmotor: 8,8 kg/kW

• Gleichstrommotor: 12,7 kg/kW

• Synchronmotor: 5,2 kg/kW

Motormassenträgheitsmoment

Bild 2 zeigt den Vergleich des Massenträgheitsmomentes der Motoren. Deutlich wird auch hier dersehr große Unterschied zwischen Servo- und Gleichstrommotor. Ein geringes Massenträgheitsmo-ment des Motors wirkt sich speziell in Bezug auf die Dynamik vorteilhaft aus, hat aber Nachteile, wenngroße externe Massen bewegt werden müssen.

1Einleitung

0

20

40

60

80

100

120

DFV 132 M2 GFVN 160 M DFY 112 ML

66

17 29

105

38,68,2

Masse [kg]

1MD0100ADBild 1: Masse der Motoren und Rotoren

0

100

200

300

400

500

280

496

87,4

J [kgm ]2


2MD0101ADBild 2: Motormassenträgheitsmoment


Dynamik

Bild 3 zeigt deutlich den Vorteil des Synchronmotors, der wesentlich dynamischer ist als die anderenSysteme.

Hochlaufzeit ohne Last

Bedingt durch das maximale Motordrehmoment Mmax und das geringe Massenträgheitsmoment Jmotweist der Synchronmotor eine sehr kleine Hochlaufzeit ohne Last auf, was ihn für dynamischeAnwendungen empfiehlt.

Einleitung1

050

100150200250300350400450

190

420

38

t [ms]A


3MD0103ADBild 4: Hochlaufzeit ohne Last

0%

20%

40%

60%

80%

100%

20% 10%

100%


4MD0102ADBild 3: Dynamik


1.3.2 Vergleich prinzipieller Antriebseigenschaften

Bei geregelten Antrieben ergeben sich folgende besondere Kenngrößen, die die Antriebsauswahlbeeinflussen:

Kenngrößen Gleichstrom AsynchronmotorFU-gesteuert (U/f)

AsynchronmotorFU-geregelt (U/f)

Synchronmotor

Regelbereich R 1:100 (300) 1:10 (20) 1:100 1:300 (10.000)Überlast [%] von M / MN 150 ... 200 150 >Mkipp

1) 300

ta [%] geregelt(Synchron =100%)

500 450 ... 500 300 ... 400 100

Fremdlüfter bei großem Re-gelbereich R

ja ja ja nein

Stillstandsmoment bedingt nein bedingt jaWartung (Motor) aufwendig gering gering geringReparatur (Motor) mittel einfach einfach schwierig

Fremdmotor am Verstärker 2) ja ja ja möglichErsatzteilbevorratung aufwendig gering gering (Geber) aufwendigBetrieb mit großenext. Massen

sehr gut gut gut schwierig durchgeringes Jmot

NOT-AUS über mech. Motor-bremse 3)

gut gut gut gut 4)

4Q- Betrieb über Netzrückspeisung Bremschopper /Bremswiderstand

Bremschopper /Bremswiderstand

NetzrückspeisungoderBremschopper /Bremswiderstand

Positionierverhalten undWiederholgenauigkeit

abhängig vonGeber undPeripherie(zwischen ServoundAsynchronmotordrehzahlgeregelt)

deutlich geringerals beim drehzahl-geregeltenAsynchronmotor(abhängig von derPeripherie (SPS,Bremse, etc.))

Positioniergenau-igkeit auf ca. ± 50Winkelminuten

Positioniergenau-igkeit auf ca. ± 5Winkelminuten

1) Bei Betrieb mit Frequenzumrichter mit Drehzahlregelung kann durch entsprechende Auswahl des Frequenzumrichtersein Motordrehmoment von 300% MN und mehr erreicht werden.

2) Fremdmotoren bei geregelten Systemen erfordern Kenntnisse der spezifischen Motorkenndaten. Ebenso müssenEigenschaften des Geber- und Auswertesystems, das Kommutierungsverfahren etc. bekannt sein. Deshalb ist es, speziellbei der Servotechnik üblich, die Komponenten von einem Hersteller zu beziehen.

3) Bei den SEW-Synchronservomotoren DFY mit Bremse können unter Berücksichtigung der max. Arbeit auch mehrereNOT-AUS Bremsungen bewältigt werden.

4) Beim Synchronmotor dient die mechanische Bremse als reine Not- und Haltebremse.

Generell müssen bei der Auswahl einer Antriebskomponente Schutzart, Wartung/Wartungsintervalle,Umgebungsbedingungen (die für Lüftung, Baugröße, Gewicht, Staubentwicklung etc. entscheidendsind) berücksichtigt werden.

1Einleitung


1.3.3 Vergleich von Systemkonfigurationen bei einer Anwendung

Hier sollen Systemkonfigurationen vorgenommen und anhand einer beispielhaften Anwendungverglichen werden. Grundlage zum Vergleich ist gleiche Leistung und gleiche Abtriebsdrehzahl.Lastdaten: m = 1000 kg; vmax = 1,5 m/s

Kenngrößen Asynchronmotor Gleichstrommotor SynchronmotorASM am Netz FU mit U/f FU mit n-Regler

Typ DV 132S41400 1/min

DV 132S41400 1/min

DV 132S41400 1/min

GVN132S3200 1/min

DFY 112M3000 1/min

Leistung 5,5 kW 5,5 kW 5,5 kW 5,3 kW 17,5 Nm= 5,5 kW

Getriebe R82i = 14,69

R82i = 14,69

R82i = 14,69

R73i = 33,87

R82i = 31,78

Verstärkerleistung/-strom

entfällt MC 31B 0555,5 kW

MC 31B 0757,5 kW

MR 31515 A

MAS 51A-03030 A

Hochlaufmoment MH 2,4 MN 1,3 MN 2,0 MN 1,5 MN 3 M0

max. Beschleuni-gungszeitmax. Beschleunigung

230 ms

6,7 m/s2

450 ms

3,5 m/s2

300 ms

5,3 m/s2

620 ms

2,43 m/s2

200 ms

7,45 m/s2

Jext/JMot 5,4 5,4 5,4 1,0 3,4Bremsen mech. Brem-

sen aus vollerDrehzahl

elektr. Brem-sen, dannmech. Bremse

elektr. Brem-sen, dann Halte-regelung /mech. Bremse

elektr. Bremsen,dann mech.Bremse

elektr. Brem-sen, dann Halte-regelung /mech. Bremse

ca. Gesamt-Anhalte-weg

150 mm 300 mm 190 mm 380 mm 125 mm

theoretische Haltege-nauigkeit 1)

18 mm 0,4 mm 0,12 mm 0,12 mm 0,05 mm

praktische Haltege-nauigkeit

ca. 25 mm ca. 3 mm ca. 1 mm ca. 1 mm ca. 0,5 mm

1) Nicht einbezogen sind Reaktionszeiten von SPS, FU und Schütz, Ansprechzeit der Bremse, sowie Getriebespiel.

Die Bremseneinfallzeit für gleich- und wechselstromseitige Abschaltung ist berücksichtigt.

1.4 Vor- und Nachteile eines Servoantriebs

Vorteile: Nachteile:

• hohe Drehzahlgüte• hohe Dynamik• großer Drehzahlstellbereich• hohe Positioniergenauigkeit• Stillstandsmoment (Drehzahl Null)• hohe Überlastfähigkeit (3 ⋅ M0)

• relativ hohe Systemkosten

Einleitung1


1.5 Komponenten eines Servosystems

In Bild 5 werden die Komponenten eines Servosystemes gezeigt. Im wesentlichen werden folgendeKomponenten benötigt:

1 Motor mit/ohne Getriebe2 Gebersystem3 Bremse (optional)4 Servoumrichter5 Steuerung mit Sollwertvorgabe

6 Netzzuleitung7 Motorzuleitung8 Zuleitung für Bremse9 Resolverleitungen10 Steuerleitungen

In den nachfolgenden Kapiteln werden die einzelnen Komponenten genauer beschrieben.

1.6 Übersicht gebräuchlicher Servomotoren

Bis vor wenigen Jahren wurden die Servoantriebe in Gleichstromtechnik mit bürstenlosen perma-nenterregten DC-Motoren ausgeführt. Die Ansteuerung erfolgte über Thyristor- oder Transistorstel-ler.

Heute werden mehr und mehr bürstenlose permanenterregte AC-Synchronmotoren verwendet, wiesie auch von SEW produziert werden. Die Vorteile gegenüber den DC-Antrieben sind:

• besseres Preis-/Leistungsverhältnis

• besseres Leistungs-/Masseverhältnis

• längere Lebensdauer

• hohe thermische Belastbarkeit

1Einleitung

X01

X 0

X 0 2

1

6

O N

2 4 V

T R I P

X0

S1

Stat e/Adr.

X2112

1

X32

1

7

X31

1

6 2

3

45

6 7

8

9

10

1

SEWEURODRIVE

SEWEURODRIVE

5MD0079AXBild 5: Komponenten eines dynamischen Antriebs


Servomotoren können in mehrere Gruppen eingeteilt werden:

Die Unterscheidungsmerkmale liegen im Aufbau des Motors, sowie in den für die Regelung notwen-digen Reglerstrukturen und den Istwertmeldesystemen.

Die drei wichtigsten Systeme sollen hier kurz aufgezeigt werden:

• Asynchronmotor mit Kurzschlußläufer und feldorientierter Regelung (Kap. 1.6.1)

• Permanenterregter Synchronmotor (mit blockförmiger Speisung) / Brushless DC (Kap. 1.6.2.1)

• Permanenterregter Synchronmotor (mit sinusförmiger Speisung) / Brushless AC (Kap. 1.6.2.2)

1.6.1 Asynchronmotor mit Kurzschlußläufer und feldorientierter Regelung

Als AC-Servomotor wird auch der Asynchronmotor mit Käfigläufer und feldorientierter Regelungbezeichnet. Im prinzipiellen Aufbau und in der Wirkungsweise entspricht dieser Motor dem bekanntenDrehstromasynchronmotor mit Kurzschlußläufer.

Als Servomotoren sind die Asynchronmotoren mit trägheits-, streuungs- und schlupfarmen Rotorenausgeführt und werden mit einer speziellen Regelung betrieben, die dafür sorgt, daß Ständer- undLäuferfluß immer senkrecht aufeinander stehen. Damit kann der Asynchronmotor bei dynamischenVorgängen nahezu mit Kippmoment betrieben werden und eignet sich dadurch hervorragend fürhochdynamische Anwendungen.

Nachteilig bei diesem Motor (im Vergleich zum permanenterregten Motor) ist der schlechtereWirkungsgrad und ein etwas größeres Volumen, bezogen auf das Drehmoment. Im Läufer tretenstromabhängige Verluste auf, die bei einem permanenterregten Läufer nicht entstehen. Infolge derhöheren Verluste (Wirkungsgrad η) und des Magnetisierungsbedarfs (Leistungsfaktor cos ϕ)verlangt der Asynchronmotor eine um

größere Umrichterleistung.

Im Bereich der Wärmeabfuhr sind weitere Maßnahmen zu treffen, die speziell im Bereich kleinerDrehzahlen ihre Wirkung zeigen. In vielen Fällen werden die Motoren dann als fremdbelüftete Motorengebaut oder der Regelbereich oder das Drehmoment wird reduziert.

1η ϕ⋅cos

Einleitung1

Servomotor

mit Bürsten ohne Bürsten

DC-Motoren AC-MotorenDC-Motoren Schrittmotoren

permanenterregteDC-Motoren

permanenterregteAC-Synchron-motoren

Asynchronmotorenmit feldorientierterRegelung

6MD0080ADBild 6: Einteilung der Servomotoren


Durch die Komplexität der Signalverarbeitung bei hohen dynamischen Anwendungen erhöht sich derAufwand gegenüber anderen Systemen. Hauptsächlich der hochauflösende Geber und die notwen-digen schnellen und leistungsfähigen Mikroprozessoren fallen hier ins Gewicht. Der Prozessor mußständig die Statorströme aus der gewünschten Drehmoment- und Magnetisierungskomponente undder Rotorlage berechnen.

Bisher wurden solche Antriebe meist als Hauptantriebe größerer Leistung im Bereich der Werkzeug-maschinen eingesetzt. Mit einer Verbreitung dieser Antriebe ist aber zu rechnen, da die Elektronikpreisgünstiger wird und der Motor kostengünstig hergestellt werden kann.

Die Drehmoment-Drehzahl-Kennliniezeigt den Verlauf mit

1 Dauerdrehmoment

2 Max. Drehmoment

3 Kennlinie des Standard-Asynchronmotorsals Vergleich

Kennlinie 2 zeigt die Hüllkurve, die abhängig ist von der Zwischenkreisspannung des Umrichters bzw.dessen Strom.

1.6.2 Permanenterregter Synchronmotor

Der permanenterregte Synchronmotor, teilweise auch elektronisch kommutierter Motor oder bür-stenloser DC-Motor genannt, ist der Motor, der die Anforderungen an ein Servosystem am bestenerfüllt. Der Ständer läßt sich direkt mit dem des Asynchronmotors vergleichen. Der geblechte Läuferhat aufgeklebte Magnete, die für das konstante Magnetfeld sorgen. Die Motoren sind üblicherweisegeschlossen (IP 65) und eigenbelüftet.

Der Motor kann mit unterschiedlichen Stromeinprägeverfahren betrieben werden. Hier werden dasblock- und das sinuskommutierte Verfahren benutzt. Der Unterschied liegt in der Bestromung undin der Art und Ausführung der notwendigen Gebersysteme.

1Einleitung

M

Mmax

MN

n0 n

1

2

3

7MD0081AXBild 7: Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie


1.6.2.1 Permanenterregter Synchronmotor (mit blockförmiger Speisung) /Brushless DC

Der permanenterregte Drehstrom-Synchronmotor mit Blockkommutierung, wie er nachfolgendbeschrieben wird, wird häufig auch als bürstenloser Gleichstrommotor bezeichnet.

Bei der Blockkommutierung erfolgt die Ansteuerung der Stromregler und Leistungsendstufen übereinen Rotorlagegeber (RLG). Dies können einfache Hallsensoren, Lichtschranken oder ähnliches sein.

Ein großer Vorteil der blockförmigen Speisung ist die einfache Erzeugung der Lagesignale und derenUmsetzung in die Steuersignale für den Strom.

In den nachfolgenden Bildern sind die Verläufe der einzelnen Kenngrößen aufgezeigt.

Einleitung1

iV

iW

γel

γel

γel

γel

γel

γel

BU

BV

BW

γel

γel

γel

t1 t2

W2U1

V2 V1

W1 U2

N

S

W2U1

V2V1

U2W1

N

S

360°

iU

iW

iV

u1

v1

w1

u2

v2

w2

Uind W

Uind V

Uind UUL W

UL V

UL U Uind U

Uind V

Uind W

Ersatzschaltbild

Strom, Spannung und Fluß über der Zeitbei konstanter Drehzahl

~

~

~

U : Durch die Drehung des Läufers induzierte Spannung (EMK)

U : Spannungsfall an der Induktivität

ind

L

iU

Lage des Rotors zum Zeitpunktt t1 2

8MD0089BDBild 8: Blockförmige Speisung


In den Motorwicklungen werden blockförmige Ströme eingeprägt. Im Motor werden damit trapezför-mige Spannungen induziert. Bauartbedingt entsteht eine rechteckförmige Verteilung der Luftspaltin-duktion. Dies hat eine konstante Drehmomentbildung zur Folge.

Bei der Blockkommutierung werden immer zwei benachbarte Phasen bestromt.

Zur Erfassung der Rotorlage wird ein Rotorlagegeber verwendet, zur Erfassung der Drehzahlbürstenlose Tachogeneratoren.

Bild 9 zeigt die Komponenten eines Regelkreises beim blockkommutierten Motor. Es verdeutlicht,daß für jede Regelgröße ein eigener Istwertgeber mit der dazugehörigen Verdrahtung erforderlich ist.

1Einleitung

MLage Drehzahl Strom Getriebe Last

T

L

RLG Rotorlagegeber

Tachogenerator

Lagegeber

4

5

4

9

9MD0088ADBild 9: Regelstruktur mit Geber beim blockkommutierten Motor


1.6.2.2 Permanenterregter Synchronmotor (mit sinusförmiger Speisung) /Brushless AC

Die Kommutierungsreihenfolge erfolgt nach dem gleichen Prinzip wie bei der Blockkommutierung.Unterschiede sind, daß jetzt alle drei Phasen gleichzeitig bestromt werden, und daß der Strom, dieinduzierte Spannung und der Fluß sinusförmig sind. Dadurch wird eine Drehmoment- und Drehzahl-konstanz auch bei kleinen Drehzahlen erreicht. Zusatzmaßnahmen in der mechanischen Ausführungder Motoren unterstützen dies.

Einleitung1

iU

iW

iV

iW

φU

φV

φW

iU

iV

γel

γel

γel

γel

γel

γel

γel

γel

γel

t1 t2

N

S

W2U1

V2

V1

W1 U2

N

S

W2U1

V2V1

U2W1

u1

v1

w1

u2

v2

w2

360°

Uind W

Uind V

Uind UUL W

UL V

UL U Uind U

Uind V

Uind W

Lage des Rotors zum Zeitpunktt t1 2

Ersatzschaltbild

Strom, Spannung und Fluß über der Zeitbei konstanter Drehzahl

~

~

~

U : Durch die Drehung des Läufers induzierte Spannung (EMK)

U : Spannungsfall an der Induktivität

ind

L

10MD0106BDBild 10: Sinusförmige Speisung


Die sinusbestromten Motoren werden in der Regel mit Resolvern als Gebersystem ausgestattet.Resolver sind zwar aufwendiger in der Auswertung, können aber aufgrund der digitalen Auswertungeine höhere Auflösung erzielen und insbesondere mit überlagerter Lageregelung ein Gebersystemeinsparen, wodurch auch der Verdrahtungsaufwand geringer wird.

Die komplette Motorführung eines sinusbestromten permanenterregten Synchronmotors wird inKapitel 4 beschrieben.

1.7 Gebersysteme

Ein Gebersystem dient zur Erfassung bestimmter Daten eines Antriebs. Dazu gehören:

• Drehzahl

• Rotorwinkel (Lage innerhalb einer Umdrehung)

• Maschinenposition (Lage über mehrere Umdrehungen)

1.7.1 Überblick über gebräuchliche Gebersysteme

1Einleitung

11MD0090ADBild 11: Regelstruktur mit Geber beim sinuskommutierten Motor

analoge Geber

ResolverTachomaschinen

digitale Geber

Absolutwert Geber

Gray Code

Geber

Inkremental-Geber

Dual CodeA, , B, , C,A B C

12MD0091ADBild 12: Übersicht Geber


Die verschiedenen Geber liefern folgende Daten:

Gebersystemgelieferte Daten

Rotorlagewinkel Maschinenposition Drehzahl

Absolutwertgeber Single-Turn X (X) (X)

Absolutwertgeber Multi-Turn X X (X)

Inkrementalgeber (X) (X) (X)

Resolver mit R/D-Wandler X (X) X

Tachogenerator X

X direkt auswertbar, (X) mit zusätzlicher Auswertung verfügbar

Ein wichtiges Kriterium bei der Auswahl eines Gebers ist die Robustheit des Gebersystems. Da derGeber direkt am Motor angebracht wird, muß er temperatur- und vibrationsunempfindlich sein. Einegroße Rolle spielt auch die Störempfindlichkeit des Gebersystems.

1.7.2 Vor- und Nachteile der wichtigsten Gebersysteme

Gebersystem Vorteil Nachteil

Inkrementalgeber . relativ robuste Ausführungen möglich . Bei Spannungsausfall geht dieLageinformation verloren. großes Angebot an Auflösung,

Bauformen, Schnittstellen

Absolutwertgeber . Lageinformation auch nachSpannungsausfall vorhanden

. hohe Kosten

. eindeutige Zuordnung einer Position zumAusgangswert

. sehr hohe Auflösung möglich

Resolver . robuste Ausführung . höherer Auswerteaufwand

. vibrations- und temperaturunempfindlich

. geringer Verdrahtungsaufwand

. Einbau in Motor möglich

. Einsparung weiterer Gebersysteme

Betrachtet man die Vor- und Nachteile der einzelnen Gebersysteme, so kristallisiert sich der Resolverfür den Einsatz mit dem Servomotor heraus.

Einleitung1


2 Der permanenterregte Synchronmotor

2.1 Aufbau und Wirkungsweise

Erläuterung: 1. Ständer 4. Läufer mit Permanentmagneten

2. Ständerwicklung 5. Resolver

3. Ständerblechpaket 6. Bremse

Synchronmotoren sind Drehfeldmotoren, bei denen Ständerdrehfeld und Läuferdrehfeld synchronlaufen.

Durch die räumliche Anordnung der Ständerspulen und die zeitliche Phasenfolge des Eingangsstromswird ein Drehfeld erzeugt.

Die Drehzahl des Drehfeldes nd berechnet sich zu:

Die SEW-Synchronmotoren sind immer als 6polige (p = 3) Motoren ausgeführt.

f [Hz] 100 150 225

nd [min–1] 2000 3000 4500

Abhängigkeit der Drehzahl von der Frequenz bei p = 3.

Die permanenterregten SEW-Synchronmotoren werden deshalb 6polig ausgeführt, da bei dieserPolzahl die Eisenverluste bei 3000 min–1 (150 Hz) gering sind, und gleichzeitig eine gute Drehmo-mentkonstanz bei kleinem Magnetbedarf erzielt werden kann.

nf

pd = ⋅60

2Der permanenterregteSynchronmotor

1 432 5 6

1300037AXXBild 13: Schnittbild vom permanenterregten Synchronmotor

mit: f = Frequenz der angelegten Spannungp = Polpaarzahl des Ständers


Die SEW-Synchronmotoren sind in Sternschaltung gebaut. Der Sternpunkt ist nicht herausgeführt.

Der Ständer besteht, wie beim Asynchronmotor, aus dem Gehäuse, dem Blechpaket und derStänderwicklung. Der Läufer, auch Rotor genannt, besteht aus Welle, Rotorblechen und aufgeklebtenPermanentmagneten. Um eine größere Dynamik des Motors zu erhalten, werden die Bleche desRotors nicht massiv, sondern mit Aussparungen (siehe Bild 14) ausgeführt. Dadurch sinkt dasMassenträgheitsmoment des Läufers und die Hochlaufzeit des Motors.

Die eingesetzten Permanentmagneten sind aus dem Seltene-Erden-Material Neodym-Eisen-Bor.Magneten aus diesem Material haben im Vergleich zu den bisher eingesetzten Ferrit-Magnetenbesonders gute magnetische Eigenschaften und können größere Drehmomente entwickeln.

Erläuterung: 1. Ständerblech

2. Nuten für die Wicklung

3. Läuferblech

4. Permanentmagnete

5. Aussparungen

2.1.1 Funktion des permanenterregten AC-Synchronmotors

Schließt man den Motor an einen dafür geeigneten Umrichter an, so wird in den Wicklungen desStänders ein Drehfeld, das sogenannte Ständerdrehfeld, erzeugt. Dieses Drehfeld wirkt auf den Läuferund übt eine Kraft auf ihn aus. Der Läufer wird aufgrund der magnetischen Kopplung zwischenStänder und Läufer beschleunigt und läuft mit gleicher Winkelgeschwindigkeit, also synchron.

Belastet man den Motor, so ergibt sich eine Verschiebung des Läuferdrehfeldes bezogen auf dasStänderdrehfeld. Die Pole des Polrads (Läufer) eilen denen des Ständerdrehfeldes um einen bestimm-ten Winkel, den sogenannten Polradwinkel α, nach. Das Drehmoment wird zunächst um so größer,

Der permanenterregteSynchronmotor2

1

2

3

4

5

1400038AXXBild 14: Schnittbild von Ständer und Läufer


je größer der Polradwinkel ist. Beträgt der Winkel genau 90°, d.h. die Pole des Läufers liegen genauzwischen zwei Ständerpolen, so ist die Kraft, die auf den Läufer wirkt, maximal. Dies ist der Fall, dader gegenüber dem Läuferpol voreilende Ständerpol den Läufer “zieht”, und der ihm gegenübernacheilende ihn “schiebt”. Wird der Polradwinkel weiter vergrößert, d.h. der Motor wird überlastet,so nimmt das Drehmoment wieder ab, der Motor befindet sich in einer instabilen Betriebslage → derMotor bleibt stehen.

Es gilt: M = f (U, I, sin α)

2.1.2 Motorführung

Um den Synchronmotor mit dem größtmöglichen Drehmoment betreiben zu können, muß sicherge-stellt werden, daß der Polradwinkel α 90° beträgt. Im motorischen Betrieb muß das Statorfelddemnach stets um 90° vorauseilen, im generatorischen Betrieb stets um 90° nacheilen. Die Aufgabeder Motorführung besteht darin, die Sollwerte der drei Phasenströme des Motors aus einemvorgegebenen Drehmoment zu berechnen, sowie die Stromsollwerte aus einer Tabelle auszulesen.

Dazu wird die Rotorlage mit Hilfe des Lagegebers erfaßt. Zu dem erhaltenen Wert des Lagewinkelswerden je nach Drehrichtung und Drehmomentrichtung 90° addiert oder subtrahiert und die dazu-gehörigen Ströme berechnet.

Zu jeder Rotorlage wird die entsprechende Lage des Ständerdrehfeldes ermittelt, d.h. der Rotorbestimmt die Größe und Richtung des Statorfeldes. Der Rotor “dreht” somit das Statorfeld.

Bei dem in diesem Zusammenhang erwähnten Polradwinkel α handelt es sich stets um denelektrischen Winkel, bei einem 6poligen Motor entsprechen 90° elektrisch 30° mechanisch.


-180 °

-90 °

M

0 +90 ° +180°

α

M = f(sin )α

15MD0092AXBild 15: Verlauf des Drehmoments über dem Polradwinkel


2.1.3 Stromverhältnisse im Stator


iU

iV

iW

Stromraumzeiger I = vektorielleSumme der Ströme i , i , iU V W

ϕ

ϕ

ϕ

ϕ = 90 ° ϕ = 220 °

ϕ = 15 °

I

I

I

0° 90°

180°220° 15°360°

Hinsichtlich der Drehmomentbildungkann man sich die Verhältnisse imStator zu den einzelnen Zeitpunktenfolgendermaßen vorstellen:

I

I

I

iU

iV iW

16MD0093ADBild 16: Stromraumzeiger

Resolver-signale

gewünschtesDrehmoment

Winkellagedes Polrades

gewünschteWirkungsrichtungdes Drehmoments

gewünschterBetrag desDrehmoments

Richtung desStromraumzeigers I

Betrag (I) desStromraumzeigers I

Momentanwerte derMotorströme i , i , ials Sollwerte für dieStromregelung

U V W

17MD0094ADBild 17: Erzeugung der Momentanwerte der Ströme


2.2 Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie

Bei der Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie eines DFY-Motors werden drei Grenzen sichtbar, die bei derProjektierung eines Antriebes berücksichtigt werden müssen.

1) Das maximale Drehmoment eines Motors wird u.a. begrenzt durch die Belastbarkeit der Dauer-magnete. Wird ein Motor zu stark belastet und der Strom steigt auf zu hohe Werte an, werden dieMagnete entmagnetisiert und der Motor “verliert sein Drehmoment”.

Bei richtiger Auswahl und Anpassung von Motor und Umrichter kann keine Entmagnetisierungauftreten.

2) Beachtet werden sollten auch die Beschränkungen beim Drehmoment im oberen Drehzahlbereichaufgrund der Spannung. Mit Spannung ist die Spannung gemeint, die an den Motorklemmen anliegt.Diese ist abhängig von der Zwischenkreisspannung, der Netzspannung und dem Spannungsfall derLeitungen. Das Absinken des Drehmoments beruht darauf, daß in den Motor aufgrund der Gegen-EMK (induzierte Spannung im Motor) nicht mehr der maximale Strom eingeprägt werden kann. Damitreduziert sich auch das maximale Drehmoment.

3) Eine weitere Grenze ist die thermische Auslastung des Motors. Sie muß bei der Projektierunggerechnet werden. Hierbei wird das Effektivdrehmoment ausgerechnet. Dies muß kleiner sein als dasStillstandsmoment M0. Ein Überschreiten der thermischen Grenze bewirkt ebenfalls eine Entmagne-tisierung der Magnete.


U = UNReduzierung bei U = 0,9 UN

0

10

20

30

40

50

60

70

n

M

[Nm]

Mmax

S3 (25 % ED)

S3 (40 % ED)

S3 (60 % ED)

S1 (100 % ED)

n = 2000 1/minN n = 4500 1/minNn = 3000 1/minN

DFY 112ML

80

50004000300020001000 [1/min]0

1)

2) 2)2)

3)

1800226ADEBild 18: Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie eines Servomotors


2.3 Elektromechanische Not- und Haltebremse

Die Bremse, die in den größeren Servomotoren Verwendung findet, ist von ihrem mechanischenAufbau von der Betriebsbremse des Asynchronmotors abgeleitet. In der Servotechnik wird dieseBremse jedoch nur als Not- und Haltebremse benötigt, da elektrisch gebremst und gehalten wird.Obwohl die Bremse, die in SEW-Synchronmotoren Verwendung findet, nur als Not- und Haltebremseverwendet wird, kann sie doch ein großes Haltemoment (3 ? M0) aufbringen und eine hoheBremsarbeit verrichten. Dies macht den SEW Synchronbremsmotor für Hubantriebe besondersinteressant.

Die Bremse findet üblicherweise nur Verwendung bei:

• längerem Stillstand (thermische Entlastung des Motors)

• bei NOT-AUS

Die optionale Scheibenbremse ist vollständig in den Motor integriert. Demontage und Montagekönnen vor Ort, ohne Eingriffe in den Motor, durchgeführt werden.

Die Bremse besitzt einen eigenen elektrischen Anschluß. Standardmäßig sind die Bremsen lieferbarfür Anschlußspannungen von 230 V~, 400 V~ und 24 V=.


1 2 3 4 5 6 7 8

9

10

1112131415

Arbeitsluftspalt

1900039ADEBild 19: Schnitt durch die Bremse

Erläuterung:

1. Bremslagerschild2. Belagträger komplett3. Zwischenring4. Ankerscheibe5. Sicherungsring6. Zylinderstift7. Bremsfeder8. Bremsspule komplett9.. Spulenkörper10. Verschlußkappe11. Winkelsteckverbinder12. Zylinderschraube13. Sicherungsring14. Paßfeder15. Mitnehmer


Die Bremse ist eine gleichstromerregte Elektromagnet-Scheibenbremse, die elektrisch gelüftet(geöffnet) wird und durch Federkraft bremst. Das System genügt grundsätzlichen Sicherheitsanfor-derungen. Bei Stromunterbrechung fällt die Bremse automatisch ein.

Die Scheibenbremse arbeitet nach dem bewährten Zweispulen-Prinzip. Die Bremsgleichrichter oderBremsensteuergeräte schalten zunächst nur die Beschleunigerspule ein. Sobald die Bremse gelüftethat, wird elektronisch auf die Haltespule umgeschaltet.

Minimaler Verschleiß sowie maximale Standzeit und Schaltvermögen sind die herausragendenEigenschaften dieses Bremssystems.

Im dauergelüfteten Betrieb sind die Stromwärmeverluste auf das notwendige Minimum reduziert unddie Bremse ist somit thermisch nur gering belastet.

Das Bremsmoment wird durch Art und Anzahl der Bremsfedern bestimmt. Bremsen mit höheremBremsmoment (bis 3 ? M0) werden vorzugsweise im Hubwerksbetrieb eingesetzt.

Zur Ansteuerung der Bremse werden Bremsgleichrichter oder Bremsensteuergeräte verwendet. DerBremsgleichrichter wird bei Wechselspannungs-Anschluß verwendet, das Bremsensteuergerät beiGleichspannungsanschluß mit 24 V=. Beide werden aus Platzgründen nicht im Klemmenkasten,sondern im Schaltschrank eingebaut.

Der Bremsgleichrichter ist als Einweggleichrichter mit Beschaltungselementen gegen Überspannun-gen und integrierter Steuerelektronik zur Verkürzung der Ansprechzeiten der Bremse aufgebaut.

Bremsen-Reaktionszeiten

Bremsmotor Baugröße 56 B 71 B 90 B 112 B

Bremsmoment [Nm] 2,5 3 6 10 15 12 20 30 40 17,5 35 60 90

Lüften der BremseAnsprechzeit t1 [ms]

7 10 12 16 20 13 15 18 22 11 14 22 35

Einfallen der BremseEinfallzeit t2 [ms]

5 95 45 20 8 28 20 13 10 130 60 32 20



Für 24 V Gleichspannungsanschluß gibt es das Bremsensteuergerät BSG. Es entspricht von seinerFunktion her dem Bremsgleichrichter BME mit dem Unterschied, daß aufgrund der Ansteuerung miteiner Gleichspannung beim Bremsensteuergerät der Gleichrichter entfällt.

Bild 20 zeigt einen Bremsgleichrichter für den Schaltschrank. Der Bremsgleichrichter ist für gleich-und wechselstromseitiges Abschalten, d.h. schnelles Einfallen der Bremse, beschaltet. Ebenso ist beidiesem Typ die Schnellerregung enthalten.

Weitere Hinweise zur Bremse sind im Band 4 “Praxis der Antriebstechnik” enthalten.


Schaltschrank

Brems-stecker

Bremse

V ~

MAS ... /MKS ...

BME

1

13

2

14

3

15

4

DFY

PE

20MD0107ADBild 20: Ansteuerung der Bremse


3 Der Resolver

3.1 Aufbau und Funktion des Resolvers

Der Resolver arbeitet nach dem Prinzip eines Drehtransformators. Beim Drehtransformator bestehtder Rotor aus einer Spule (Wicklung), die mit der Statorwicklung einen Transformator bildet.

Der Resolver ist prinzipiell genauso aufgebaut, mit dem Unterschied, daß der Stator nicht aus einer,sondern aus zwei um 90° zueinander versetzten Wicklungen aufgebaut ist.

Der Resolver dient zur Ermittlung der absoluten Lage der Motorwelle innerhalb einer Umdrehung.Außerdem wird aus dem Resolversignal die Drehzahl und eine Encoder-Nachbildung für die Lagere-gelung abgeleitet.

Der Rotor des Resolvers ist auf der Welle des Motors befestigt. Um die Primärspannung des Statorsbürstenlos auf den Rotor übertragen zu können, wird auf dem Stator und dem Rotor jeweils eineweitere Wicklung angebracht. Mit Hilfe dieser zusätzlichen Wicklungen kann die Primärspannung derStatorwicklung nach dem Transformatorprinzip übertragen werden. Die beiden Wicklungen, die aufdem Rotor angebracht sind, sind elektrisch gekoppelt, so daß die Spannung, die vom Stator auf denRotor übertragen wird, auch an der zweiten Wicklung des Rotors anliegt.

3Der Resolver

21MD0116AXBild 21: Resolver

U1

URU2

γ

22MD0108AXBild 22: Schematischer Aufbau


Je nach Lage des Rotors werden in den Statorwicklungen unterschiedlich große Spannungeninduziert. An der Wicklung, die beim Winkel γ = 0° (s. Bild 22) vollständig durchflutet wird, liegt zudiesem Zeitpunkt die maximale Spannung an. Dreht sich der Rotor, so nimmt die Spannung U1 andieser Wicklung ab, bis sie bei einem Winkel von 90° den Wert Null erreicht hat. Dann steigt dieSpannung mit umgekehrtem Vorzeichen wieder an bis sie bei 180° wieder ihr Maximum erreicht hat.Die Spannung U1 hat als Hüllkurve eine Cosinusschwingung. Die Spannung U2, die gegenüber U1um 90° verschoben ist, hat bei 0° den Wert 0 V. Sie steigt an bis sie bei 90° ihren Maximalwerterreicht hat und fällt dann wieder ab. Die Hüllkurve von U2 ist folglich eine Sinusschwingung.

Die Ausgangsspannungen U1 und U2 berechnen sich in Abhängigkeit der Eingangsspannung Ue zu:

mit γ = Rotorwinkelω = Winkelfrequenz von UeUS = Scheitelwert der Eingangsspannung

Eingang U U t ferenzspannung

Ausgang U U tU U t

e S

S

S

: = ( )

: ==

⋅

⋅ ⋅⋅ ⋅

sin Re

sin cossin sin

ω

ω γω γ

1

2

Der Resolver3

Stator

S1

Stator

Stator

S3

S4

S2R1

Rotor

R2

UR U2

U1

Ue

fest rotierend fest

fest

23MD0109ADBild 23: Prinzipielles Ersatzschaltbild

U2

U1

2400058AXXBild 24: Ausgangsspannungen U1 und U2 des Resolvers


3.2 Verarbeitung und Auswertung der Resolversignale

Die Signale des Resolvers werden im R/D-Wandler (Resolver-Digital-Wandler) des Servoumrichtersin einen digitalen Zählwert gewandelt. Dieser digitale Wert wird weiterverarbeitet, um weitereInformationen daraus zu erhalten. Zum einen liefert der R/D-Wandler die Information zur Rotorlage.Gleichzeitig kann mit Hilfe des Zählwertes die Drehzahl des Motors bestimmt werden, indem dieAnzahl der Impulse innerhalb eines bestimmten Zeitfensters gezählt und daraus die Drehzahl ermitteltwird. Als drittes können die zwei niederwertigsten Bits des Zählerwertes ausgewertet werden:- für die Encodernachbildung zur Bestimmung der Drehrichtung- für übergeordnete Steuerungen zur Positionierung.

Der Oszillator [1] (s. Bild 26) speist den Rotor über die Statorwicklung mit einer Wechselspannungvon ca. 10 Veff und einer Frequenz von ca. 7 kHz. Der digitale Zählwert des V/R-Zählers (Vorwärts-Rückwärts-Zählers) [6] wird in einem Digital/Analog-Wandler [5] gewandelt. Die AusgangssignaleU1 und U2 des Stators des Resolvers werden mit dem Sinus oder dem Cosinus des gewandeltenWertes multipliziert. Der Wert des V/R-Zählers repräsentiert dabei den Winkel ϕ. Es entstehen diebeiden Spannungen

Im Fehlerverstärker [2] werden die beiden multiplizierten Ausgangssignale voneinander subtrahiert.Die Differenz entspricht dem Fehler (Abweichung) zwischen dem Winkel ϕ und dem tatsächlichenWinkel γ. Der Fehler beträgt:

Diese Gleichung entspricht umgeformt:

Im phasenempfindlichen Gleichrichter [3], der dem Subtrahierer [2] nachgeschaltet ist, wird diesesSignal demoduliert, um die Trägerfrequenz zu eliminieren. Das am Ausgang des Gleichrichtersanstehende Signal ist die zu sin(γ − ϕ) proportionale Fehlerspannung UF.

Diese Spannung liegt gleichzeitig an einem Ausgang des R/D-Wandlers und am Eingang desIntegrators [4] an. Der Integrator [4] integriert die Fehlerspannung, die auf den Eingang einesspannungsgesteuerten Oszillators (voltage controlled oscillator = VCO) [7] gelegt wird.

U U tF S1 = ⋅ ⋅ ⋅sin sin cosω γ ϕ

U U tF S2 = ⋅ ⋅ ⋅sin cos sinω γ ϕ

U U tFD S= ⋅ ⋅ ⋅ − ⋅sin (sin cos cos sin )ω γ ϕ γ ϕ

U U tFD S= ⋅ ⋅ −sin sin( )ω γ ϕ

3Der Resolver

U (cos)1

Ue

U (sin)2

12 Bit

n

γ(Referenz)

Referenz-signal

Auswertung

Überwachung

Signal-verarbeitung

Drehzahl

Rotorlage

Impulse

Resolver

25MD0112ADBild 25: Verarbeitung der Resolversignale


Besteht zwischen den Winkeln γ und ϕ eine Winkeldifferenz, so erzeugt der Integrator daraus eineGleichspannung. Der VCO [7] erzeugt mit Hilfe dieser Gleichspannung Impulse, die im V/R-Zähler[6] verarbeitet werden.

Die Bausteine [2] bis [7] bilden einen Regelkreis. Am VCO [7] liegt solange ein Signal in Form einerGleichspannung an, bis die Differenz zwischen den Winkeln γ und ϕ gleich Null ist, d.h. bis gilt:

Somit entspricht der digitale Wert des V/R-Zählers dem am Eingang des R/D-Wandlers anliegendenanalogen Wert des Winkels γ des Resolvers.

Bei einer fortlaufenden Drehung des Resolvers muß der VCO solange Impulse erzeugen, bis derZählwert des V/R-Zählers mit dem analogen Wert des Rotorwinkels am Eingang übereinstimmt, d.h.bis die Winkeländerung des Rotors ausgeglichen ist. Die Frequenz des VCO ist folglich proportionalzur Drehzahl des Motors und des Resolvers. Daraus folgt, daß die Ausgangsspannung des Integratorsebenfalls proportional zur Drehzahl ist.

Der R/D-Wandler liefert an den Ausgängen eine drehzahlproportionale Gleichspannung UT, sowie dieAbsolutinformation für eine Umdrehung des Resolvers.

Diese Auswerteschaltung ist als integrierter Schaltkreis realisiert, wobei lediglich der Oszillator [1]extern angeschlossen wird.

Der Fehler des Resolversignals ist vernachlässigbar klein (< 0,05 %).

γ ϕ=

Der Resolver3

+

-

23 4

7

6

5

1

ϕ

U = U sin te S z ωUF

UFD

UF1

UF2

UT

U = U sin t cos1 S z zω γ

U = U sin t sin2 S z zω γ

Resolver Auswertung und Signalverarbeitung

Oszillator

Stator

Cosinus-multiplizierer

Sinus-multiplizierer Integrator

VCO

Synchron-gleichrichter

D/A-Wandler

V/R-Zähler

POSI-TION

(12 Bit)

26MD0113ADBild 26: Blockschaltbild eines R/D-Wandlers


3.3 Inkrementalgebersimulation

Bei der Inkrementalgebersimulation werden aus den bereits vorhandenen Ausgangssignalen des Resol-vers insgesamt sechs Spuren erzeugt, die für übergeordnete Steuerungen zur Positionierung verwendetwerden. Diese sechs Spuren sind Spur A, B und C und ihre invertierten Signale A, B und C.

Die Inkremantalgebersimulation liefert 1024 Impulse je Umdrehung. Für Positioniersteuerungenstehen durch 4fache Auswertung 4096 Impulse pro Umdrehung zur Verfügung.

Die Impulse des Kanals A und des Kanals B sind um 90° verschoben. Eilen die positiven Flanken derImpulse des Kanals A denen des Kanals B vor, so befindet sich der Motor im Rechtslauf. Umgekehrteilt Kanal B gegenüber Kanal A um 90° vor, wenn der Motor im Linkslauf betrieben wird.

Kanal C liefert für jede volle Umdrehung des Motors, d.h. beim Durchlaufen der Nullstellung, einenImpuls.

Die Drehrichtung des Motors kann anhand der zwei niederwertigsten Bits (LSB = least significantbits) der Signalverarbeitung bestimmt werden.

21 20

0 00 11 01 1

Betrachtet man den Rechtslauf (positive Drehrichtung), so zählt der Zähler im R/D-Wandler aufwärts.Das entspricht der Funktionstabelle von oben nach unten gelesen. Bei jedem Kippen des niederwer-tigsten Bits 20 von 1 auf 0 ändert sich der Wert des Bits 21 ebenfalls.

Ändert man die Drehrichtung des Motors, so daß der Motor im Linkslauf betrieben wird, so muß dieFunktionstabelle entsprechend von unten nach oben gelesen werden. Betrachtet man wiederum dieÜbergänge von 1 auf 0 des niederwertigsten Bits 20, so erkennt man, daß sich hierbei der Wert desBits 21 nicht ändert.

3Der Resolver

90°

90°

180°360°

A

A

B

B

C

C

27MD0114ADBild 27: Inkrementalgebersimulation

Rech

tsla

uf

Link

slau

f

Funktionstabelle der zwei LSBs


4 Der Servoumrichter

Der Servoumrichter dient zur Drehzahl- und Drehmomentregelung des Servomotors. In der Regelhandelt es sich heute um digitale Umrichter. Der digitale Umrichter hat gegenüber dem analogenfolgende Vorteile:

• alterungsbeständig

• driftfrei

• einfache Kommunikation

• Rechenoperationen leicht ausführbar

Servoumrichter werden sowohl in Form von Kompakt-Servoumrichtern (sog. Stand-Alone-Geräte)als auch in modularer Bauform eingesetzt.

Stand-Alone-Geräte haben den Vorteil, daß der Servoumrichter als komplette Einheit zur Verfügungsteht. Gleichzeitig entfällt die zusätzliche Verdrahtung zwischen den einzelnen Gerätekomponenten,wie sie beim modularen System notwendig ist.

Die Vorteile des modular aufgebauten digitalen Servoumrichters (Netzmodul und Achsmodul) liegenim Bereich der Mehrachsanwendungen. Bei Mehrachsanwendungen können über ein Netzmodulmehrere Achsmodule versorgt werden. Dabei wird die Leistung des Netzmoduls von der Gesamtlei-stung der angeschlossenen Achsmodule und deren Auslastung bestimmt.

In den folgenden Kapiteln wird ein digitaler Servoumrichter in modularer Bauweise beschrieben.

Der Servoumrichter4

28MD0061AXBild 28: Servoumrichter in modularer Bauweise

29MD0104AXBild 29: Kompakt-Servoumrichter


4.1 Grundkomponenten des modularen Systems

Der modulare Servoumrichter besteht aus den zwei Komponenten

• Netzmodul

• Achsmodul

Das Netzmodul dient zur Leistungsversorgung der angeschlossenen Achsmodule über den Zwi-schenkreis und zur Spannungsversorgung der Steuerelektronik. Es enthält zudem den Bremschopperoder die Netzrückspeisung, verschiedene Schutzfunktionen und Kommunikationsschnittstellen (RS-232 und RS-485).

Das Achsmodul regelt Drehzahl und Drehmoment eines Servomotors. Es enthält den dafür notwen-digen Wechselrichter, die Steuerelektronik, fest belegte und frei programmierbare binäre Ein- undAusgänge, analoge Ein- und Ausgänge, den Ausgang für die Encoder-Simulation und einen freienSteckplatz für die Optionskarten.

Die Anzahl der Achsen, die an ein Netzmodul angeschlossen werden können, ist begrenzt durch:

• Leistung des Netzmoduls

• Leistung des Schaltnetzteils

• max. Bremsleistung

• Leitungslänge der Zwischenkreis-Verschienung, der Datenleitung (Störsicherheit) und des 24V-Busses

4Der Servoumrichter

Netzmodul Achsmodul 1 Achsmodul 2 Achsmodul nGleichrichterZwischenkreisBremschopper /Netzrückspeisung

Wechselrichter Wechselrichter Wechselrichter

Schaltnetzteil Schaltnetzteil Schaltnetzteil Schaltnetzteil

Schnittstellen Kommunikation Kommunikation Kommunikation

Steuerelektronik Steuerelektronik Steuerelektronik

30MD0154ADBild 30: Strukturbild eines modularen Servoumrichters

Achsmodul

M3~

Netzmodul

L1L2L3

31MD0155ADBild 31: Leistungsteil eines Servoumrichters


Das Leistungsteil des Servoumrichters basiert auf dem Prinzip des Spannungs-Zwischenkreisum-richters. Dies bedeutet, daß im Zwischenkreis Kondensatoren die Spannung stabil halten. DieEndstufen- oder Wechselrichtertransistoren sind IGBTs. Die Vorteile sind niedrige Schaltverluste,einfache Ansteuerung, niedrige Durchlaßverluste und hohe Schaltfrequenzen.

4.2 Das Netzmodul

Das Netzmodul wird über eine vorgeschaltete Netzdrossel an das Drehstromnetz angeschlossen.DerSpannungsbereich ist 3 ? 380 ... 500 V. Die Netzdrossel ersetzt, in Verbindung mit konstruktivenMaßnahmen im Leistungsteil des Verstärkers, die sonst üblichen einschaltstrombegrenzendenLadeeinrichtungen vollständig. Sie minimiert die Netzrückwirkungen und ist Bestandteil des Geräte-schutzes gegen nicht periodische Überspannungen.

Das Netzmodul enthält folgende Überwachungsfunktionen:

• Überspannung im Zwischenkreis

• Netzphasenausfall

• Erdschluß

• Übertemperatur

• Bremschopper

Der Servoumrichter4

Netzmodul Achsmodul

Auswertung

SteuerungOptionen

Schaltnetzteil24V

SchaltnetzteilUZ

L1L2L3

Netz-drossel Über-

spannungs-schutz

Gleich-richter

Zwischen-kreis

Brems-chopper

Wechsel-richter

Motor Resolver

RM3~

RS232

RS485

24 V ext.

Überwachung

24 V 24/ 15/+5V±

32MD0156ADBild 32: Blockschaltbild eines modularen Servoumrichters


4.2.1 Gleichrichter und Überspannungsschutz

Innerhalb des Netzmoduls sorgt eine Überspannungsschutzschaltung dafür, daß Spannungsspitzenim Netz, die vor allem durch Schalten induktiver und kapazitiver Lasten auf das Netz verursachtwerden, das Leistungsteil des Netzmoduls nicht beschädigen.

Dieser Überspannungsschutz wird mit Hilfe von Kondensatoren, Gasableitern und Varistoren reali-siert.

Der Eingangsgleichrichter ist ein dreiphasiger Brückengleichrichter.Dieser Gleichrichter erzeugt aus der Wechselspannung eine Geichspannung,die Zwischenkreisspannung .

4.2.2 Zwischenkreis und Energierückspeisung

Beim Abbremsen eines Antriebes wird kinetische Energie in elektrische Energie umgewandelt, undin den Zwischenkreis zurückgespeist. Da der Zwischenkreiskondensator nur eine begrenzte Kapazitäthat, steigt die Spannung im Zwischenkreis an. Damit der Antrieb abgebremst werden kann, mußgewährleistet sein, daß die überschüssige Energie abgeführt wird.

Es ist daher notwendig, die überschüssige Energie zu speichern oder in andere Energieformenumzuwandeln.

Hierfür gibt es prinzipiell drei Möglichkeiten:

• Netzrückspeisung (Nutzung der elektrischen Energie durch andere Verbraucher)

• Bremschopper und Bremswiderstand (Umwandeln der Energie in Wärme)

• Energieaustausch bei Mehrachsanwendungen (Nutzung der elektrischen Energie von anderenangeschlossenen Motoren)

U UZ eff≈ ⋅2

4Der Servoumrichter

L1

L2

L3

C1 C2 C3

C4

F1

R1

F2

R2

F3

R3

+UZ

-UZ

33MD0158ADBild 33: Gleichrichter und Überspannungsschutz


4.2.2.1 Netzrückspeisung

Die Netzrückspeisung hat den Vorteil, daß die Bremsenergie als elektrische Energie erhalten bleibt.

Es gibt verschiedene Möglichkeiten einer Realisierung der Netzrückspeisung, z.B. die der antiparal-lelen Brücke. Bei dieser Form der Netzrückspeisung wird der Netzgleichrichter durch einen Wechsel-richter, der netzsynchron angesteuert wird, ergänzt. Übersteigt die Zwischenkreisspannung denGleichrichtwert, so wird die überschüssige Energie ins Netz zurückgespeist.

4.2.2.2 Bremschopper und Bremswiderstand

Im Gegensatz zur Netzrückspeisung wird beim Bremschopper die überschüssige Energie nicht insNetz zurückgespeist, sondern über einen Bremswiderstand in Wärme umgewandelt. Wenn nur wenigBremsarbeit zu verrichten ist, so kann die Ausführung mit Bremschopper kostengünstiger sein alsdie mit Netzrückspeisung.

Der Servoumrichter4

Achsmodul

M3~

Netzmodul

L1L2L3

Gleichrichter Wechselrichter Wechselrichter

34MD0159ADBild 34: Netzrückspeisung

Ansteuerung

BW

UZ

35MD0160ADBild 35: Bremschopper

1

0 UZU UZO UZ

36MD0161ADBild 36: Schaltverhalten des Bremschoppers


4.2.2.3 Vergleich zwischen Netzrückspeisung und Bremschopperbetrieb

Je nach Anwendungsfall muß anhand der Eigenschaften entschieden werden, welches Verfahren ambesten geeignet ist.

Netzrückspeisung Bremschopper und Bremswiderstand

Unterbringung vollständig im Netzmodul integriert Bremschopper im Netzmodul, Bremswiderstandextern oder im Schaltschrank

Auswirkung auf Umge-bungstemperatur

gering Wärmeentwicklung am Bremswiderstand

Verdrahtung entfällt Anschluß externer Bremswiderstand

Energiebilanz elektrische Energie bleibt erhalten elektrische Energie wird in Wärme umgesetzt

Kosten Steuerelektronik, Wechselrichter Steuerelektronik, Schalttransistor,Bremswiderstand, Montage, Verdrahtung

Aufwand für EMV gering geschirmte Leitungen zum Bremswiderstand

4.2.3 Serielle Schnittstellen

Über die im Netzmodul integrierte Standardschnittstelle RS-232 können die Achsmodule mit Hilfeeines PCs parametriert werden. Die RS-232-Schnittstelle dient zur Kommunikation zwischen zweiKommunikationseinheiten, z.B. PC und Achsmodul.

In Verbindung mit der im Netzmodul integrierten Schnittstelle RS-485 wird die Schnittstelle RS-232“busfähig”. Damit können bis zu 31 physikalische oder 59 logische Achsen über die mit derSchnittstelle RS-485 verbundenen Netzmodule parametriert werden. Jede Achse muß lediglich eineeindeutige Adresse haben.

4Der Servoumrichter

X 01

X 0

X 0 2

1

6

O N24 V

T R I P

X0

S1

S tat e/A dr.

X2 1

12

1

X 32

1

7

X31

1

6

X 01

X 0

X 0 2

1

6

O N24 V

T R I P

X0

S1

S tat e/ Ad r.

X 21

12

1

X3 2

1

7

X3 1

1

6

X0

S1

State/Adr.

X 21

1 2

1

X32

1

7

X31

1

6

X 01

X 0

X 0 2

1

6

O N2 4V

T R IP

X0

S1

State/ Adr.

X 21

12

1

X32

1

7

X31

1

6

X0

S 1

Stat e/ Adr.

X2 1

12

1

X 32

1

7

X31

1

6

RS-232

RS-485 RS-485

37MD0162ADBild 37: Kommunikation über serielle Schnittstellen


4.2.4 Elektronik-Versorgung

Das Netzmodul enthält ein zentrales Schaltnetz-teil (SNT) zur Elektronik-Versorgung, das ausder Zwischenkreisspannung UZ eine Gleich-spannung von 24 V erzeugt. Diese Spannungwird zur Versorgung der Überwachungselektro-nik benötigt. Gleichzeitig werden alle am Netz-modul angeschlossenen Achsmodule über den24V-Bus mit dieser Spannung versorgt.

Das Netzmodul bietet zusätzlich die Möglichkeitdes Anschlusses einer externen 24V-Hilfsspan-nung. Mit Hilfe dieser externen Spannung bleibtdie gesamte Steuerelektronik in Betrieb und da-mit Rotorlage-Informationen und Fehlermel-dungen auch bei Unterbrechung der Hauptspannungsversorgung erhalten. Dies spielt vor allem fürden Betrieb eines Antriebs mit Positioniersteuerung eine Rolle, da bei Ausfall der Hauptspannungkeine erneute Referenzfahrt notwendig ist.

Zudem ermöglicht die externe 24V-Spannungsversorgung eine Parametrierung der Achsmodule beispannungslosem Zwischenkreis.

4.3 Das Achsmodul

Der Anschluß der Achsmodule an den Zwischenkreis und den Schutzleiter erfolgt mit Stromschienen.Für die Spannungsversorgung der Steuerelektronik wird eine separate 24V-Versorgung benutzt. Fürdie Kommunikation eines PC oder einer übergeordneten Steuerung (SPS) mit den angeschlossenenAchsmodulen ist an den Geräteunterseiten ein Daten-Bus verlegt, der jedoch für den Anwender nichtzugänglich ist.

Die Achsmodule können in den Betriebsarten “Drehzahlregelung” oder “Drehmomentregelung”betrieben werden. Sie liefern sinusförmige Ausgangsströme, so daß schon bei kleinen Drehzahlen

Der Servoumrichter4

Netzmodul Achsmodul

24 V extern

UZ

+ 24 V0V24

SNT

38MD0163ADBild 38: 24 V - Versorgung

Netzmodul Achsmodul

Auswertung

SteuerungOptionen

Schaltnetzteil24V

SchaltnetzteilUZ

L1L2L3

Netz-drossel Über-

spannungs-schutz

Gleich-richter

Zwischen-kreis

Brems-chopper

Wechsel-richter

Motor Resolver

RM3~

RS232

RS485

24 V ext.

Überwachung

24 V 24/ 15/+5V±

39MD0196ADBild 39: Blockschaltbild eines modularen Servoumrichters


ein exakter Rundlauf mit geringster Drehmomentwelligkeit gewährleistet ist. Dadurch werden auchdie Verluste im Motor minimiert und es wird für eine gute Ausnutzung der Motorleistung gesorgt.

Die Parametrierung der Achsmodule und der Optionskarten erfolgt mit einem PC über die Standard-Schnittstelle RS-232 oder mit einer SPS über die Schnittstelle RS-485.

Als Option stehen auch Bus-Schnittstellen zur Verfügung, mit denen ebenfalls eine Parametrierungmöglich ist.

4.3.1 Aufbau des Achsmoduls

Die Bereiche Steuerung, Auswertung (Resolverauswertung, Stromregler) und Optionen (Zusatzklem-men, Positioniersteuerung) sind im Achsmodul modular ausgeführt. Der Vorteil liegt darin, daß durchAustausch der Steuerkarte und/oder der Auswertekarte auch andere Regelverfahren (z.B. U/f- oderVektorregelung) zum Einsatz kommen könnten.

Bild 41 zeigt die Zusammenhänge im Achsmodul. Die Funktionen der einzelnen Blöcke werden in dennachfolgenden Kapiteln und in der Beschreibung der Regelstruktur aufgezeigt.

4Der Servoumrichter

CPU / IPOSMOVIDYN

X11

X12

1

7

1

8

1

7

X13

X14 X21

1

12

X311

X0

1

7

X32

State/Adr

S16

Zusatz-klemmenZusatz-klemmen

Feldbus-anbindung

Positionier-steuerung

I-ReglerResolver

CPUMOVIDYN

Zusatz-klemmen

40MD0180BDBild 41: Modularer Aufbau

M3

R

Positioniersteuerung

Feldbusanbindung

Wechselrichter+UZ

-UZ

~

Anst

euer

ung

Stromregler R/D-Wandler

Auswertekarte

Encoder-Simulation

nsoll

E/A Steuern und Regeln

Überwachung

Kommunikation

Rechnerkarte

zusätzl. E/A-KlemmenOptionskarte

41MD0181ADBild 40: Zusammenhänge im Achsmodul


Der Wechselrichter

Der Wechselrichter wird über die Zwischenkreisspannung UZ versorgt. Die Leistungstransistorenwerden von der zugehörigen Ansteuerschaltung so getaktet, daß am Ausgang des Achsmoduls undsomit am Motor eine pulsweitenmodulierte Spannung anliegt. Die Pulsweite wird dabei von derStellgröße des Stromreglers bestimmt. Diese pulsweitenmodulierte Spannung erzeugt im Motoreinen Strom der durch die Motor- und Leitungsinduktivitäten annähernd sinusförmig ist.

Parallel zu jedem Leistungstransistor ist eine Diode geschaltet. Diese Freilaufdioden verhindern beiinduktiver Ausgangslast, daß die im Umschaltmoment auftretenden Selbstinduktionsspannungenden Wechselrichter beschädigen. Sie leiten die gespeicherte Energie an den Eingang des Wechsel-richters zurück. Ebenso werden sie für den Austausch der Blindenergie zwischen Motor undUmrichter benutzt.

Aufgaben der Auswertekarte

Diese Karte enthält die Funktionen:

• Resolverauswertung• Encodernachbildung• Stromregelung.

Die Resolverauswertung und die Encodernachbildung wurden in den vorherigen Kapiteln beschrie-ben.

Die Stromregelung ist analog aufgebaut. Die Anpassung des Stromreglers erfolgt werksseitig und istauf die anschließbaren Motoren angepaßt.

Aufgaben der Steuerkarte

Auf der Steuerkarte befindet sich der Mikrocontroller und dessen Peripherie. Die Hauptfunktionendes Mikrocontrollers sind:

• die Drehzahlregelung mit ihren umfangreichen Eingriffsmöglichkeiten

• die Halteregelung

• interne Positioniersteuerung (Option)

• umfassende Überwachungsfunktionen für Prozeßgrößen, Ein-/Ausgänge, Kontrollfunktionen

• die Kommunikation mit Auswertekarte und Optionskarte über den Rückwandbus

• die Kommunikation mit anderen Achsmodul(en)

Der Servoumrichter4

M3~

42MD0182ADBild 42: Wechselrichter


4.3.2 Optionen

Klemmenerweiterung AIO11

Die Option AIO11 erweitert die Ansteuerungs- und Überwachungsmöglichkeiten durch zusätzlichedigitale und analoge Ein- und Ausgänge und eine serielle Schnittstelle.

Positioniersteuerungen API/APA und IPOS

Mit Positioniersteuerungen können Bewegungsabläufe, genaues Anfahren von Positionen und derenEinhaltung (Lageregelung) einfach realisiert werden.

Vorteile der Optionskarten, die mit verschiedenen Gebersystemen zusammen arbeiten, sind:

• weniger Platzbedarf im Schaltschrank

• Spannungsversorgung vom Servoumrichter

• digitale Sollwertvorgabe für die Drehzahl

• Programmierung über vorhandene Standardschnittstelle (RS-232, RS-485) des Achsmoduls

• Steuersignale über digitale Ein- und Ausgänge direkt vom und an den Prozeß

Bei der integrierten Positioniersteuerung IPOS bleibt der Optionskartensteckplatz frei. Dadurch kanndieser mit anderen Optionskarten (z.B. Feldbus) belegt werden.

Feldbusanbindungen

Für wichtige in der Automatisierungstechnik verbreitete Standard-Feldbus-Systeme (z. B. PROFIBUS,INTERBUS-S, CAN-Bus) sind Anschlußkarten verfügbar.

Die Feldbuskarten können problemlos in den freien Optionskartensteckplatz eingeschoben werden.Über den Feldbus können Steuersignale, Prozeßdaten und Parameter zwischen übergeordneterSteuerung und dem Servoumrichter übertragen werden.

4Der Servoumrichter


5 Regelungsstruktur / Betriebsarten

In vielen Anwendungen werden elektrische Servoantriebe zur Lageregelung eingesetzt. Dabei wirddem Lageregler ein Drehzahl- und ein Stromregler unterlagert, um ein gutes Führungsverhalten zuerzielen.

Führungsgröße des Servoreglers ist der externe Lage-Sollwert. Die Regeldifferenz aus dem Lage-Sollwert und dem Lage-Istwert ist die Eingangsgröße des Lagereglers. Dieser liefert am Ausgang diezugehörige Soll-Drehzahl nsoll des Motors.

Soll- und Istwert der Drehzahl werden im untergeordneten Drehzahlregler verglichen. Die Regeldif-ferenz wird im Drehzahlregler proportional-integral verarbeitet.

Das Ausgangssignal des Drehzahlreglers bildet den Stromsollwert und wird, um Motor und Wech-selrichter zu schützen, einer Begrenzerschaltung zugeführt, deren Ausgangssignal wiederum denSollwert für den Stromregler darstellt. Die Stromistwerte werden über eine Gleichrichterschaltung inein Gleichstromsignal umgewandelt. Der Stromregler vergleicht Soll- und Istwert und bildet über denPulsweitenmodulator (PWM) die Steuersignale, die auf die Ansteuerstufen der einzelnen Lei-stungstransistoren des Wechselrichters geführt werden.

Bis auf die Stromregelung, die aufgrund der geforderten Schnelligkeit analog ausgeführt ist, werdenalle anderen Regel-, Steuer- und Überwachungsaufgaben vom Microcontroller übernommen.

5.1 Stromregler

Der Stromregler ist als PI-Regler aufgebaut. Eingangsgröße ist die Abweichung zwischen Soll- undIststrom einer Motorphase, Ausgangsgröße die Steuerspannung für den Pulsweitenmodulator.Dieser erzeugt mit Hilfe des Sinus-Dreieck-Vergleichs eine pulsweitenmodulierte Spannung, mit derder Wechselrichter angesteuert wird.

Der Stromistwert wird mit Hilfe eines Gleichstrommeßwandlers am Ausgang des Wechselrichtersgemessen und auf den Vergleicher am Eingang des Stromreglers geführt.

Der Stromregler ist die innerste Regelschleife des Servoreglers und muß daher sehr schnell reagieren,da alle übergeordneten Regler in ihrer Geschwindigkeit von diesem abhängig sind.

Regelungsstruktur /Betriebsarten5

M

n

Lsoll nsoll Isoll

Listnist Iist

∆L ∆n ∆I

Lage-regler

Drehzahl-regler

Strom-regler

PWM

Getriebe Last

γ

R/D-WandlerResolver

Absolutwertgeber

_ _ _

43MD0183ADBild 43: Regelungsstruktur im Servosystem


Dem Stromregler vorgeschaltet ist ein Strombegrenzungsglied. Mit Hilfe dieser Begrenzung wird derSollstrom auf einen bestimmten Maximalwert begrenzt.

Der Maximalstrom wird dabei von folgenden drei möglichen Faktoren bestimmt. Diese sind:

• Thermisches Modell (Schutz der Endstufe bei niedrigen Frequenzen)

• Begrenzung durch interne Parameter

• Begrenzung durch externe Vorgabe

Das folgende Blockschaltbild zeigt den Stromregler und die drei bestimmenden Faktoren derStrombegrenzung:

Die Begrenzung des Sollstroms über das thermische Modell ist nur bei Frequenzen im Bereich bis1,5 Hz wirksam. Innerhalb dieses Frequenzbereichs muß der Strom begrenzt werden, da dieStromflußzeiten innerhalb der Endstufe sonst zu lang werden und diese thermisch überlastet wird.

Im normalen Betriebsfall verträgt die Endstufe bis zu 150% des Nennstroms auf Dauer. BeiFrequenzen kleiner 1,5 Hz sinkt diese Schwelle auf 100% IN ab. Wird der Motor unterhalb 1,5 Hzbetrieben, so ist ein Strom über 100% IN nur für eine kurze Zeit zulässig. Wird die erlaubteBelastungszeit überschritten, so wird der Maximalwert des Stroms auf 100% abgesenkt.

Die Begrenzung über einen internen Parameter dient unter anderem zum Schutz des Motors. DerParameter wird abhängig vom maximalen Motorstrom innerhalb des Menüs im Verstärker eingestellt.Der Maximalwert bewegt sich dabei im Bereich von 45 bis 150% IN.

Die Strombegrenzung durch externe Vorgabe ist nur mit der Optionskarte AIO11 möglich.

Eingangssignal ist eine Spannung von 0 ... 10 V. Diese Spannung wird ins Verhältnis zu dermaximalen Spannung dieses Bereichs gesetzt. Der Quotient der beiden Spannungswerte wird mitdem eingestellten Maximalwert des Stromes multipliziert. Der extern definierte Maximalstrom kannsomit nur kleiner oder maximal gleich dem intern festgelegten sein.

Wirksam ist immer die Begrenzung mit der niedrigsten Vorgabe.

5Regelungsstruktur /Betriebsarten

Motorstrom

Motorfrequenz

thermischesModell

Auslastung

Überlast

150 % IN

100 % IN

interne Vorgabeüber Parameter(45 % ... 150 %)

externe Vorgabeals Spannung(0 ... 10 V)

Parameter I× N

U / 10 V Parameter Iext N× ×x

AuswahlMinimal-wert

Maximalstrom

MLeistungsteilmitStromreglerIsoll Isoll

44MD0188ADBild 44: Stromregler mit Strombegrenzung


Beispiel: Der maximale Motorstrom (3 ⋅ I0) beträgt 110 % des Nennstroms des Umrichters und dieFrequenz, mit der der Motor betrieben wird, ist größer 1,5 Hz.

Die Voraussetzungen für eine externe Vorgabe des Maximalstroms sind gegeben und am Analog-eingang für die externe Vorgabe liegt eine Spannung von 8 V an.

• Die Begrenzung aufgrund des thermischen Modells ist nicht wirksam, da die Motorfrequenz nichtinnerhalb des wirksamen Bereichs (< 1,5 Hz) des Modells liegt.

• Der interne Parameter wird auf 110 % des Nennstroms programmiert, da dies dem maximalzulässigen Motorstrom entspricht.

• Der externe Wert des Maximalstromes ist mit 8 V vorgegeben. Ins Verhältnis zur maximalmöglichen Spannung an diesem Eingang von 10 V gesetzt ergibt sich ein Faktor von 0,8 (= 80 %).Mit diesem Faktor wird der Wert des intern vorgegebenen Maximalstroms multipliziert:

Der kleinste vorgegebene Wert des Maximalstroms ist demnach der über den Analogeingangvorgegebene Stromwert von 88 % IN.

5.2 Drehzahlregler

Damit die Drehzahlregelung den geforderten hohen Stellbereich aufweist, müssen auch kleinsteDrehzahlen noch genau erfaßt werden. Daher benötigt man einen hoch auflösenden Rotorpositions-geber und einen möglichst kurzen Abtastzyklus. Dies wiederum erfordert eine hohe Verarbeitungs-geschwindigkeit und daher einen besonders leistungsfähigen Rechner.

Der Drehzahlregler ist dem Stromregler überlagert. Er erhält die Vorgabe der Solldrehzahl über:

• Positioniersteuerung

• Analogeingang

• Feldbusschnittstelle

• Serielle Schnittstelle

Aufgebaut ist der Drehzahlregler als PID-Regler. Alle drei Regleranteile sind getrennt einstellbar. DerD-Anteil wird aufgrund der schwierigen Einstellung und Optimierung in den meisten Anwendungenauf Null gestellt, um ein mögliches Schwingen des Antriebs zu vermeiden.

08 110% 88%, ⋅ ⋅ =I IN N


nsoll nsoll

nist

nist

Integrator Sollwert-filter

-

Drehzahl-regler

Istwertfilter

Isoll∆n

45MD0189BDBild 45: Drehzahlregler


5.2.1 Drehzahlfilter

Drehzahlsollwertfilter

Ein Drehzahlsollwertfilter ist notwendig, da

• der analoge Drehzahlsollwert häufig mit Störungen behaftet ist

• der Drehzahlsollwert der überlagerten Positioniersteuerung aufgrund von deren Zykluszeit “stufig”ist.

Folgende Diagramme zeigen den Verlauf des Drehzahlsollwertes und des Drehmomentes am Motorohne Filter und im Vergleich dazu den idealen Verlauf der beiden Größen.

Das Diagramm der Solldrehzahl ohne Filter zeigt ein stufiges Signal einer Positioniersteuerung, dasim Motor einen impulsartigen Verlauf des Motordrehmomentes bewirken kann. Im Gegensatz dazuist bei Einsatz eines Drehzahlsollwertfilters ein kontinuierlicher Verlauf der Solldrehzahl und damitauch des Motordrehmomentes zu erkennen.

Drehzahlistwertfilter

Ein Drehzahlistwertfilter ist notwendig, um Störungen auszufiltern. Diese verursachen vor allem imBereich niedriger Drehzahlen Probleme.

Allgemein gilt, daß die Zeitkonstante eines Filters so gewählt werden muß, daß die Dynamik desAntriebs nicht eingeschränkt wird. Ist die Zeitkonstante des Filters zu groß, so verliert das Systemeinen Teil seiner Dynamik.


ohne Filter angestrebter Zustand (mit Filter)

nsoll

MMotor MMotor

nsoll

t

t

t

t

46MD0191ADBild 46: Drehzahlsollwertfilter


5.2.2 Drehzahlregler mit Vorsteuerung

Ziel des Einsatzes einer Beschleunigungsvorsteuerung ist ein besser geführter Beschleunigungsvor-gang (Verbesserung des Führungsverhaltens). Durch den zusätzlichen P-Anteil der Vorsteuerung istder Beschleunigungsvorgang schneller abgeschlossen. Da die Vorsteuerung nur in einem bestimm-ten Bereich wirksam ist, hat dies keine Auswirkungen auf das Regelverhalten des Systems imnormalen Betrieb bzw. auf das Störverhalten.

Die Drehzahlregelung mit Vorsteuerung wird verwendet, wenn der Beschleunigungsvorgang schnellabgeschlossen werden soll. Die Vorsteuerung wird parallel zum Drehzahlregler geschaltet.

Der Drehzahlsollwert vom Integrator wird im Filter der Beschleunigungsvorsteuerung gefiltert. Dasgefilterte Signal wird auf ein Differenzierglied geführt. Abhängig von der Änderung der Drehzahl überder Zeit liefert das Differenzierglied am Ausgang einen bestimmten Wert. Überschreitet dieser Wertdie Ansprechschwelle der Drehzahlvorsteuerung, wird sie auf ein Proportionalglied geführt. Andiesem P-Glied läßt sich die Verstärkung der Vorsteuerung einstellen. Der Ausgang des Proportio-nalgliedes ist wiederum auf den Eingang der Strombegrenzung geführt.

Wird die Ansprechschwelle wieder unterschritten, so wird die Vorsteuerung gesperrt und derDrehzahlregler wird wieder allein wirksam.

Wird ein Antrieb ohne Beschleunigungsvorsteuerung betrieben, so bildet sich ein großer I-Anteil imDrehzahlregler aus, der zum Überschwingen führt.

5.3 Lageregler

Der Lageregler wird als reiner Proportionalregler ausgeführt. EinIntegral-Anteil würde zu einem unzulässigen Überschwingen desAntriebs beim Einfahren in die Zielposition führen. Der Integral-An-teil des untergeordneten Drehzahlreglers sorgt dafür, daß einebleibende Regelabweichung der Lage (z.B. bei Belastung) vermie-den wird.


nsoll n 'soll Isoll

nist

Integrator Sollwert-filter

-

Drehzahl-regler

Istwertfilter

Vorsteuerung

Filter Beschl.-vorsteuerung

Grenze Beschl.-vorsteuerung

P-FaktorVorsteuerung

0

1

++

+∆n

47MD0190BDBild 47: Drehzahlregelung mit Vorsteuerung

-

∆L

List

Lsoll Lageregler

48MD0192CDBild 48: Lageregler


Halteregelung

Die Haltereglung ist eine Abwandlung des Lagereglers. Aufgabe der Halteregelung ist, daß beiAuftreten von Störgrößen (beispielsweise Be- oder Entladen eines Hubwerkes), die ursprünglicheLage erhalten bleibt, ohne daß eine externe Positioniersteuerung benötigt wird. Die Halteregelung isteine spezielle Funktion, die über einen Binäreingang aktiviert werden kann. Wird der Eingang logisch“1”, wird dem Drehzahlregler der Sollwert “n = 0” vorgegeben. An den aktiven Sollwertrampen wirdder Antrieb auf Drehzahl Null abgebremst. Wird von der Lageerfassung das erste Mal Drehzahl Nullerkannt, wird der gerade aktuelle Positionswert als Lagesollwert gespeichert. Gleichzeitig wird derAusgang des Lagereglers auf den Eingang des Drehzahlreglers geschaltet. Das System ist nunlagegeregelt auf die Position, die im Sollwert gespeichert wurde.

5.4 Betriebsarten

Servoumrichter werden in zwei Betriebsarten eingesetzt:

• Drehzahlregelung

• Drehmomentregelung

5.4.1 Drehzahlregelung

Die Drehzahlregelung besteht aus einem Drehzahlregelkreis mit vorgeschalteter Drehzahlbegren-zung. Die Drehzahlbegrenzung begrenzt den von der Sollwertquelle gelieferten Sollwert auf eineMaximaldrehzahl. Erreicht der Antrieb die Solldrehzahl oder die Maximaldrehzahl, behält er diese beiund arbeitet somit drehzahlgeregelt.

Wird der Motor zu stark belastet, so wird wegen des großen Stromes die Strombegrenzung erreicht,ohne daß die vorgegebene Drehzahl erreicht wird. Steigt die Last weiter an, so kann es passieren,daß der Motor zum Stehen kommt. Ein Fehler wird dabei nur erkannt, sofern die Funktion “Drehzahl-überwachung” eingeschaltet ist, oder sobald die Temperaturüberwachung des Kühlkörpers an-spricht.


Integrator

n = 0erstmalserreicht?

Sollpositionspeichern

Nullrampeneinstellb. Rampen

Lagereglern = 0soll

nsoll

nist

List

Lsoll

List- ∆L

49MD0193BDBild 49: Halteregelung



0 1

-

-

Anal

og-

eing

ang

Offs

et PC-S

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zahl

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Dreh

zahl

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Max

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rung

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teue

rung

Gren

ze B

esch

l.Vo

rste

ueru

ngVo

rste

ueru

ng

50MD0195BDBild 50: Drehzahlregelung


5.4.2 Drehmomentregelung

Die reine Drehmomentregelung von Servoantrieben wird hauptsächlich bei sogenannten “Stromfol-geregelungen” im Master-Slave-Prinzip eingesetzt.

Dabei wird dem Slave als Eingangssignal (Sollwert) der aktuelle Strom-Istwert des Masters aufge-schaltet. Beide Antriebe müssen dazu mechanisch fest verbunden sein (z.B. über eine Welle). DerSlave liefert somit das gleiche Drehmoment wie der Master und es erfolgt eine Lastaufteilungzwischen beiden Antrieben.

Eine weitere Anwendung der Drehmomentregelung findet sich z.B. bei Wickelantrieben.

Bei der Drehmomentregelung wird der Drehzahlregler übersteuert. Übersteuert heißt, der Regler wirdständig voll ausgesteuert betrieben. Dabei ist die Strombegrenzung durch das Solldrehmoment, d.h.den Stromsollwert vorgegeben. Je nach Vorzeichen des Solldrehmomentes wird nmax rechts odernmax links als Drehrichtungsvorgabe benutzt.

Im drehmomentgeregelten Betrieb erreicht die Drehzahlregelung die Drehzahlvorgabe nmax imNormalfall nicht, da die Strombegrenzung aktiv ist. Dann entspricht der eingestellte Strom demSollstrom, d.h. das Solldrehmoment ist erreicht. Der Motor bewegt sich somit drehmomentgeregelt.

Falls das Lastdrehmoment nicht ausreicht, um den Sollstrom einzustellen, beschleunigt der Motorbis auf die Grenzdrehzahl nmax.



6 Das Getriebe

In seiner Funktion als Wandler von Drehmoment und Drehzahl ist das Getriebe der zentrale Bausteindes Getriebemotors.

6.1 Forderungen der Servotechnik an ein Getriebe

• niedriges Massenträgheitsmoment

• geringes Verdrehspiel

• hohe Verdrehsteifigkeit

• hoher Wirkungsgrad

• schwingungsarm

Das niedrige Massenträgheitsmoment des Getriebes ist Voraussetzung für die Realisierung eineshochdynamischen Antriebs. Besonders bei Antrieben, die schnell beschleunigt werden müssen, istein dynamisches Getriebe mit möglichst hohem Wirkungsgrad unumgänglich.

Bei Einsatz einer Positioniersteuerung wird ein möglichst geringes Verdrehspiel und hohe Verdreh-steifigkeit gefordert, da sonst relativ große Winkelfehler auftreten, die eine genaue Positionierungunmöglich machen.

6.2 Allgemeine Getriebeübersicht

Man unterscheidet, abhängig von der Richtung des Kraftflusses, zwischen Koaxial- oder Parallelwel-lengetriebe und Winkelgetriebe. Bei Koaxial- und Parallelwellengetrieben liegen die eintreibende unddie abtreibende Welle in einer Ebene. Der Kraftfluß ist demnach geradlinig. Bei Winkelgetrieben steheneintreibende und abtreibende Welle senkrecht zueinander, der Kraftfluß wird rechtwinklig umgelenkt.

Das Getriebe6

Kegelrad

Planeten

Stirnrad

Rädergetriebe Riemengetriebe

Zahnriemen

Kettengetriebe

Rollenkette

Zahnkette

für Automationsachsennicht geeignet, da wegenSchlupf keine genauePositionsübertragung

formschlüssig kraftschlüssig

Getriebearten

51MD0202ADBild 51: Getriebeübersicht


Im folgenden werden die in der Servotechnik am häufigsten verwendeten Getriebe beschrieben.

6.2.1 Stirnradgetriebe

Da Stirnradgetriebe mit unkomplizierten Werkzeugen prozeßsicher und kostengünstig hergestelltwerden können, sind sie die am häufigsten eingesetzten Getriebe. Mit ihrer einfachen und robustenBauweise genügen sie den meisten Anwendungsfällen.

Bei Stirnradflachgetrieben verlaufen eintreibende und abtreibende Welle parallel zu einander. DerGesamtantrieb wird dadurch kurz und schmal, weshalb diese Getriebe vor allem bei beengtenPlatzverhältnissen eingesetzt werden. Mit der parallelen Wellenanordnung führt man die Abtriebs-welle vorzugsweise als Hohlwelle aus. Das ist zum Beispiel bei Fahrantrieben von Vorteil – über diedurchgesteckte Achse kann die Kraft synchron auf beide Antriebsräder übertragen werden.

6.2.2 Planetengetriebe

Bei dynamischen Anwendungen werden häufig spielarme, verdrehsteife Planetengetriebe eingesetzt.

Die Lastverteilung auf mehrere Planetenräder führt gegenüber Stirnradgetrieben zu einer deutlichhöheren Leistungsdichte und damit zu kleinerem Bauvolumen. Durch die optimierte Verzahnungs-geometrie sowie engste Fertigungstoleranzen gewährleisten Planetengetriebe sehr geringe Verdreh-winkel (3 bis 10 Winkelminuten). Großzügig bemessene Wellendurchmesser garantieren eine sehrhohe Verdrehsteifigkeit und damit eine gute Positioniergenauigkeit. Planetengetriebe sind zudemverlustarm mit Wirkungsgraden von η = 97% (einstufiges Getriebe) und η = 94% (zweistufigesGetriebe) bei 80 °C Betriebstemperatur. Sie sind außerdem leise und wartungsarm.

6.2.3 Kegelradgetriebe

Besonders kompakte Antriebslösungen lassen sich mit Kegelradgetrieben realisieren, bei denen derKraftfluß rechtwinklig umgelenkt wird.

Bei Kegelradgetrieben können als Abtriebswellen sowohl Hohlwellen als auch Vollwellen eingebautwerden.

6.3 Vergleich der verschiedenen Getriebebauarten für die Servotechnik

Stirnradgetriebe Planetengetriebe Kegelradgetriebe

Leistungsdichte mittel groß mittel

Übersetzung je charakteri-stischer Stufe

kleinca. i = 1 ... 8

mittelca. i = 4 ... 10

kleinca. i = 1 ... 6

Verdrehflankenspiel mittel klein bis sehr klein mittel

Verdrehwinkel (am Abtrieb) α = 12’ ... 18’ α = 3’ ... 10’ α = 12’ ... 18’

Verdrehsteifigkeit mittel groß mittel

Geräuschentwicklung mittel gering mittel

6Das Getriebe


7 Einsatz in industrieller Umgebung

7.1 Netzverhältnisse

Beim Industrienetz wird von sinusförmiger Spannung ausgegangen. Instabile Verhältnisse habenüblicherweise keine Auswirkungen. Die Umrichter können an den meisten Netzformen (TN, TT, ...)betrieben werden.

Spannungsschwankungen können Einfluß auf das Betriebsverhalten des Antriebes haben. Im Nenn-spannungsbereich des Umrichters funktioniert dieser ohne Beeinflussung. Werden die Werte über-schritten, muß der Umrichter abschalten, um Schaden zu vermeiden. Wird der Spannungswertunterschritten, liefert der Motor nicht mehr die in den technischen Daten angegebenen Nennwerte.Die Frequenz der Netzspannung hat untergeordneten Einfluß.

Durch Einsatz von Netzdrosseln und Schutzschaltungen sind die Servoumrichter gegen Spannungs-spitzen unempfindlich, die z.B. durch nicht verdrosselte Kompensationsanlagen hervorgerufenwerden.

7.2 Hinweise zum Motor

Die Auswahl des Motors wird im Projektierungsbeispiel aufgezeigt. Motor und Umrichter müssenaufeinander abgestimmt sein.

Servomotoren sind in der Regel eigenbelüftet. Da die Wärmeabfuhr über Konvektion geschieht, habendie Farbe und die Verschmutzung einen entscheidenden Einfluß.

Die Schutzart des Motors ist serienmäßig IP65. Das Dauerdrehmoment kann durch Einsatz einesFremdlüfters um den Faktor 1,6 erhöht werden.

7.3 Leitungsverlegung

Die Beschaffenheit und Verlegung der Leitungen spielt eine große Rolle beim Einsatz von Servoan-trieben. Die Dimensionierung muß auf den fließenden Strom ausgerichtet sein, um den Spannungsfallauf den zulässigen Wert zu begrenzen. Weitere Kriterien zur Dimensionierung sind den jeweilsgeltenden Vorschriften zu entnehmen.

Die Verlegung der Leitungen, speziell im Kabelkanal oder auf Kabelpritsche, erfordert größte Sorgfalt.Eine räumliche Trennung zwischen leistungsführenden Leitungen und Elektronikleitungen reduziertdie EMV-Beeinflussung. Geschirmte Leitungen eignen sich sehr gut, um elektromagnetische Störun-gen in der Anlage zu vermindern.

7.4 Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV)

Die EMV der Komponenten einer Anlage und der Gesamtanlage ist von großer Wichtigkeit. DieEMV-Richtlinie definiert die zulässigen Verhältnisse. So wird nicht nur die Störaussendung (Emissi-on) klassifiziert, sondern auch die Störfestigkeit (Immission) festgelegt. Die SEW-Servoumrichtersind alle grundentstört. Damit können die Umrichter in industrieller Umgebung betrieben werden.Zur Entstörung gehört die Empfehlung geschirmte Leitungen zu verwenden und Netzfilter einzuset-

Einsatz in industriellerUmgebung7


zen. Insbesondere die Resolverleitung muß geschirmt sein. Wie der Schirm geerdet werden muß,hängt von verschiedenen Faktoren ab. Hinweise stehen in der jeweiligen Dokumentation.

7Einsatz in industriellerUmgebung

U V W

1 2 3

R+

1 2 3

DFY...

L1' L2' L3'

L1 L2 L3

1U1 1V1 1W1

1U2 1V2 1W2

Achsmodul

Motor

Netz

Netzdrossel

ZuleitungenSchirm beidseitig erden (ggf.über Y-Kondensator, um Erd-schleifen zu unterbinden).Signalleitungen räumlich ge-trennt von den Motorleitungenverlegen.

Schaltschrankklemm-leiste

Netzfilter

Schirmunterbrechung kurzhalten

Netzsicherungen

Netzschütz

Netzmodul

Kompakt-Servoumrichter

5200072ADEBild 52: EMV-gerechte Verdrahtung in Wohngebieten


7.5 Schnittstellen zur Umgebung

Der Servoumrichter kann über verschiedene Kanäle angesteuert werden bzw. Rückmeldung zuübergeordneten Funktionseinheiten wie SPS oder ext. Positioniersteuerung geben. Hier ist wichtig,daß die Einhaltung der einschlägigen Normen für Schnittstellen gewährleistet ist.

Hierbei gilt:

Schnittstelle Pegel / NormBinäre Eingänge “1" +13V ... 24V ... 30,2VAnaloge Eingänge -10V ... +10VRS-232 nach RS-232 NormRS-485 nach RS-485 NormEncoder Simulation nach RS-422 TTL NormFeldbus nach jeweiliger Norm (Profibus, INTERBUS-S, CAN-Bus)

Mit den leistungsstarken Binär-Ausgängen können handelsübliche Relais oder kleine Leistungsschüt-ze direkt betrieben werden. Vorteil eines Relaistreiberausganges ist, daß beim Ausfall eines Relaisnicht die Elektronik mit getauscht werden muß.

Durch die mittels Optokoppler entkoppelten Eingänge, die direkt über eine SPS etc. angesteuertwerden können, ist ein Höchstmaß an Störfestigkeit gewährleistet.

Über die handelsübliche PC-Schnittstelle RS-232 können die Umrichter einfach parametriert und inBetrieb genommen werden. Nachfolgendes Bild zeigt den flexiblen Einsatz eines Umrichters imUmfeld.

Digit. Ein-/Ausgänge: Mit vorgegebenen Funktionen frei programmierbar

Analogeingänge: Sollwertvorgabe für Drehzahl, Drehmoment, Maximalstrom

Analogausgänge: Ausgabe von Prozeßgrößen

serielle Schnittstelle: RS-232/RS-485 für PC-Anschluß, Prozeßanbindung

Encodersimulation: Inkrementelles Lagesignal für internen/externen Lageregler

Feldbus: Prozeßanbindung


SPS

Sensor/Aktor

Positionier-steuerung

Servoumrichter

5300040ADEBild 53: Schnittstellen


Bild 53 zeigt die möglichen Systemkonfigurationen aus Sicht des Umrichters:

• Denkbar wäre als einfachste Anwendung die Verbindung zwischen Servoumrichter und Sensor-Aktorebene (Endschalter, Druckmarken, Sensoren etc.). Ohne Anbindung an eine SPS oderPositioniersteuerung sind einfache Aufgaben zu bewältigen.

• Bei komplexeren Anlagen ist meist eine übergeordnete Steuerung (SPS) vorhanden.Üblicherweise erfolgt die Kommunikation über die E/A-Ebene von SPS und Umrichter. Zuranalogen Sollwertverarbeitung muß die SPS einen Analogausgang besitzen. Möglich ist dieKommunikation auch über serielle Schnittstelle oder Feldbus z.B. zwecks Visualisierung,Parametrierung, Prozeßdatenaustausch usw.Die Sensor-/Aktorebene kann direkt oder über die SPS angeschlossen werden.

• Verbreitet sind dort, wo Positionieraufgaben zu lösen sind, Positioniermodule alsZusatzbaugruppe zur SPS oder Stand-Alone-Systeme. Zusätzlich zu den unter Punkt 2angeführten Anbindungsmöglichkeiten wird meist die Encodersimulation vom Umrichter alsinkrementelles Lage-Istwert-Signal für die Positionierbaugruppe benutzt.

• Ebenso wie die Integration der Positioniersteuerung in die SPS kann diese als Optionskarte oderSoftware-Lösung im Umrichter implementiert sein. Hierbei erfolgt die Sollwertvorgabe an denUmrichter digital. Anbindungsmöglichkeiten bestehen über die E/A-Ebene des Umrichters, eineserielle Schnittstelle oder den Feldbus.

7.6 Definitionen der Prozeßanbindung

7.6.1 Unterscheidung nach der Antriebskonfiguration

• Einachsanwendungen:

Diese Anwendung stellt vom Konzept her die geringsten Anforderungen an die übergeordneteSteuerung. Typisch ist der Einsatz einer Positionierregelung unter Nutzung von digitalen Ein-/Aus-gängen zur Überwachung des Antriebs.

• Mehrachsanwendungen:– Punkt zu Punkt– Gleichlauf– Winkelsynchronlauf– Bahnsteuerung

Bei Mehrachsanwendungen bestimmt der Arbeitsprozeß den steuerungstechnischen Aufwand. DieAbhängigkeit und Genauigkeit der Bewegung elektrisch gekoppelter Antriebe führt zur Auswahleiner geeigneten Mehrachssteuerung.



7.6.2 Unterscheidung nach Sollwertquelle für den Drehzahlregler

• Sollwertvorgabe ohne Prozeßanbindung (Steuerung):

– Interne digitale Sollwertvorgabe im Panel-Betrieb MD_SHELL (Test/Inbetriebnahme).– Analoge Drehzahl- oder Drehmomentregelung über Potentiometer.– Analoge Drehzahlregelung mit positions- oder zeitabhängiger Sollwertumschaltung.

• Sollwertvorgabe mit Prozeßanbindung:

– Analoge Sollwertvorgabe einer externen Positioniersteuerung/-regelung.– Digitale Sollwertvorgabe durch interne API/APA 12.– Digitale Sollwertvorgabe einer externen Positioniersteuerung über Feldbus

7.6.3 Unterscheidung nach Art und Anbauort des Lagegebers

Bei Einsatz einer Positioniersteuerung muß durch einen geeigneten Geber der Istwert der Lage erfaßtwerden. Der Meßort ergibt sich aus dem Einfluß von Störgrößen, die Auflösung des Gebers aus derzulässigen Genauigkeit. Bei der Auswahl des Gebers muß auf die Kompatibilität zur Positioniersteue-rung geachtet werden. Für viele Anwendungen wird die im Verstärker integrierte Encodersimulationgenutzt.

• Lagegeber:

– Inkrementelle Encodersimulation des Resolversignals– Externer Inkrementalgeber im Arbeitsprozeß (Fördergut, Transportband,...)– Absolutwertgeber am Motor

7.7 Umgebungsbedingungen

Die Umgebungsbedingungen sind für Motor und Verstärker getrennt zu sehen. Zu beachten sind aberjeweils die max. Umgebungstemperaturen.

Motor: -25 °C ... 40 °C mit 100% M0 max. ϑ = 60 °C mit 75% M0Verstärker: 0 °C ... 45 °C mit 100% PN max. ϑ = 60 °C mit 55% PN

Die weiteren zulässigen Umgebungsbedingungen sind den Projektierungshinweisen zu entnehmen.

7.8 Inbetriebnahme und Regleroptimierung

Inbetriebnahme und Regleroptimierung geschehen heutzutage ähnlich wie bei SPS, CNC etc. miteinem PC und der dazugehörigen Software. Die Software muß einfach, übersichtlich und komfortabelsein. Ergänzend gibt es noch die geräteinternen Bedienelemente.

Bevor mit der Inbetriebnahme des Servoantriebssystems begonnen wird, werden die montierten mitden projektierten Komponenten anhand der Projektierungsdaten verglichen.

Wenn die Leitungen vorschriftsmäßig verlegt und verdrahtet sind (Schirmung), kann mit dereigentlichen Inbetriebnahme des Antriebssystems begonnen werden.



7.8.1 Reglereinstellung mittels Bedienoberfläche MD_SHELL

Die hier beschriebene Bedienoberfläche ermöglicht es dem Anwender eine schnelle Erstinbetriebnah-me vorzunehmen. Dazu wird innerhalb der Bedienoberfläche die Grundeinstellung des Drehzahlreg-lers aus anlagenspezifischen Daten berechnet.

• Auswählen des Unterpunktes “Inbetriebnahme” im Menü “Parameter”

• Eingabe der verlangten Daten

• Motortyp• Nenndrehzahl• Bremse• Dämpfung Drehzahl-Regelkreis• Steifigkeit Drehzahl-Regelkreis• Zeitraster Positioniersteuerung• Antrieb spielfrei / mit Spiel• Lastträgheitsmoment an Motorwelle• Kürzeste geforderte Rampenzeit

Durch Betätigung der Taste [F2] erfolgt die Berechnung aller notwendigen Parameter und dieEinstellung von Grenzwerten für den angegebenen Antrieb. Mit der angezeigten Grundeinstellung desDrehzahlreglers kann der Antrieb in Betrieb genommen werden.

In der Regel liefert die Grundeinstellung zufriedenstellende Ergebnisse. Muß dennoch weiter optimiertwerden, stehen folgende Hilfsmittel zur Verfügung:

• Anwenden des Programms MD_SCOPE zur Prozeßdaten-Visualisierung, das Funktionen einesdigitalen Speicheroszilloskops bietet. Mit Hilfe dieses Programms können der Zeitverlauf von Soll-und Istwerten usw. auf dem PC-Bildschirm dargestellt, gespeichert und ausgedruckt werden.Gleichzeitig können die Reglerparameter geändert werden ohne in die Bedienoberfläche zuwechseln.


5400042ADEBild 54: Menü “Inbetriebnahme”


• Ohne Hilfsprogramm können mit Hilfe der Optionskarte AIO11 und einem Oszilloskop die Regler-parameter optimiert werden. Dazu müssen die Analogausgänge auf der Optionskarte entsprechendprogrammiert werden.

7.8.2 Regleroptimierung mit MD_SCOPE

Bild 55 zeigt den Verlauf der ausgewählten Meßwerte (Ist-Drehzahl, Strom-Sollwert, Integrator-Ein-und -Ausgang) für die Einstellung der Parameter nach der Berechnung mit Hilfe der Bedienoberfläche.Der Antrieb erreicht die Solldrehzahl schnell, schwingt einmal über und erreicht den Sollwert relativschnell.

Mit den Parametern “Dämpfung" und “Steifigkeit” können sämtliche Parameter des Regelkreisesharmonisch eingestellt werden.

Damit wird ein optimales Führungs- und Störverhalten erzielt.


5500043BDEBild 55: Aufzeichnung von Prozeßdaten mit MD_SCOPE


8 Projektierung

8.1 Schematischer Ablauf der Projektierung eines Servoantriebs

Klären von- techn. Daten- Randbedingungen- Systemanbindung

Berechnung des ArbeitszyklusFahrdiagramm

GetriebeauswahlBerechnung von- Getriebeabtriebsdrehzahl- Stat. LastdrehmomentGeforderte PositioniergenauigkeitFestlegen der Getriebeübersetzung

Motorauswahl- Umrechnung von Drehmoment und

Drehzahl auf die Motorwelle- Bestimmung der Massenträgheitsmomente- Berechnung des dyn. Drehmomentbedar fs

Überprüfen von- max. auftret. Drehmoment M < 3 x M- geforderte Motordrehzahl < n- Massenträgheitsverhältnis J /J < 10- thermische Belastung M < M

max 0

N

ext Mot

eff 0

Überprüfen der Getriebeauslastung

Kompakt-Servoumrichter

ModulareServoumrichter

Auswahl des MOVIDYN Servoumrichters- Motor-Umrichter-Zuordnung- benötigter Spitzenstrom- Belastbarkeit I = f(n , t )max max a

Auswahl der MOVIDYN Achsmodule- Motor-Umrichter-Zuordnung- benötigter Spitzenstrom- Belastbarkeit I = f(n , t )max max a

Zubehör- Optionen (USS, AIO, NF.. , ...)

Auswahl des MOVIDYN Netzmoduls- benötigter Zwischenkreisstrom/-leistung- Anzahl der Achsen- Gleichzeitigkeitsfaktor

Auswahl des Summenkühlkörpers- entsprechend der Berechnung der

Verlustleistung- Anzahl der Module

Zubehör- Netzdrossel- Datenbuskabel DBK- Optionen (USS, AIO, NF.. , ...)

Auswahl des Bremswiderstandes- anhand der berechneten Bremsleistung

und ED

Komponentenzusammenstellung

Modular /Kompakt

?

2

2

2

2

2

2

2

2

1

11

11

11

5600211ADEBild 56: Schematischer Ablauf der Projektierung

8Projektierung


8.2 Projektierungsbeispiel

Für ein dreiachsiges Portal ist die Auswahl der Servoantriebe und zugehörigen Leistungselektronikzu treffen. Die einzelnen Achsen des Portals werden entsprechend ihrer räumlichen Anordnung mitX, Y, Z bezeichnet:

X-AchseFahrachse, die über eine Welle zwei Zahnriemen antreibt. Durch die Zahnriemen werden die beidenAntriebseinheiten Y und Z in der Ebene bewegt.

Y-AchseFahrachse, die über einen Zahnriemen die Z-Achse bewegt. Die Bewegungsrichtung ist gegenüberder X-Achse um 90° in der Ebene versetzt.

Z-AchseHubachse mit Kraftübertragung über eine Zahnstange.

Die Berechnung erfolgt separat für jede Achse. Alle Berechnungen basieren auf linearer Beschleuni-gung und Verzögerung. Eine weitere Forderung besteht darin, modulare Komponenten und einenBremswiderstand zu verwenden. Die Positionierung erfolgt durch eine übergeordnete SPS.

Hinweis:Mit “*” werden auf die Antriebsseite umgerechnete Lastdaten gekennzeichnet.

8.3 Berechnung der X-Achse (Fahrwerk)

Vorgabedaten:

mL = 453 kg Summe der bewegten MassenD = 0,175 m Durchmesser der RiemenscheibeµL = 0,2 Reibkoeffizients = 2 m VerfahrstreckeVmax = 2,5 m/s max. Verfahrgeschwindigkeitamax = 10 m/s2 max. Beschleunigung und VerzögerungtZ = 2,1 s Taktzeit∆s1 = ± 0,1 mm mech. Genauigkeit∆s < ± 0,2 mm geforderte GesamtgenauigkeitηL = 0,90 Lastwirkungsgrad

X

Y

Z

X

Y

Z

5700059AXXBild 57: Anordnung der Achsen

Projektierung8

62 Praxis der Antriebstechnik- Band 7

8.3.1 Verfahrzyklus

Voraussetzung für die Antriebsbestimmung ist die Feststellung des Bewegungszyklus. Da es sich umeine Fahrachse handelt, reicht es aus, nur eine Fahrrichtung zu ermitteln (1 ... 4).

Beschleunigungs- und Verzögerungszeit ta

Fahrzeit tc mit vmax = konst.

Gesamtverfahrzeit t und Pausenzeit tp

8.3.2 Abtriebsdrehzahl, Getriebeübersetzung und Positioniergenauigkeit

Abtriebsdrehzahl n

GetriebeübersetzungIm Hinblick auf die geforderte Positioniergenauigkeit wird ein Planetengetriebe mit eintreibender Drehzahl 3000 min–1

gewählt.

tvaa

ms

ms

s= = =max

max

,,

2510

0 252

ts a t

vca

ms

ms

m ss=

− ⋅ ⋅=

− ⋅=

2 2 10 0 25

25055

12

2 22e j

max

( , )

,,

t t t

t t t

= ⋅ + = ⋅ + =

= − = − =

2 2 0 25 055 105

21 105 105

a c

p Z

s s s

s s s

, , ,

, , ,

nvD

=⋅

=⋅

= =− −max ,,

, , minπ π

250175

4547 27281 1ms

ms

i i

n n i

soll gewählteÜbersetzung= = =

= ⋅ = ⋅ =

−

−

− −

30002728

110 10

2728 10 2728

1

1

1 1

min, min

, :

* , min min

ta tatc tp

ttZ

t

vTeil 1 Teil 2 mit

identischen Daten1

23

4

5800060ADEBild 58: Verfahrzyklus

Projektierung 8

Praxis der Antriebstechnik- Band 7 63

Positioniergenauigkeit (statisch)

∆sG: Positioniergenauigkeit durch Getriebespiel∆sM: Positioniergenauigkeit durch Geberauflösung∆s1: Positioniergenauigkeit durch Mechanik

αG = 6’ = 0,1° für Planetengetriebe in Normalausführung (einstufig),s. Katalog PSF – Planetengetriebe

p = 4096 Inkremente (Geberauflösung)

Damit ist die geforderte Positioniergenauigkeit erfüllt.

8.3.3 Lastdrehmomente am Getriebeabtrieb und Getriebeauswahl

Beschleunigung

Konstante Fahrt, statische Last

Verzögerung

Lastdrehmomente im Verfahrzyklus

Das maximale Drehmoment M1 bestimmt das notwendige Mamax des Getriebes und damit die Getriebebaugröße.

Gewählt wird PSF 701, i = 10, Mamax = 800 Nm. Wegen der gewünschten Trennbarkeit von Motor und Getriebe wird einGetriebe mit Bogenzahnkupplung “EB10" gewählt.

8.3.4 Motorbezogene Drehmomente und Massenträgheitsmomente

Bei der Ermittlung der motorbezogenen Drehmomente ist der Getriebewirkungsgrad, der Motorwirkungsgrad und das je-weilige Eigenmassenträgheitsmoment zu berücksichtigen.

Getriebedaten (s. Katalog PSF – Planetengetriebe)

einstufiges Planetengetriebe: ηG = 0,97PSF 701 / EB 10: JG* = 28,51 ⋅ 10–4 kgm2 (bezogen auf die Motorwelle)

∆ ∆ ∆ ∆s s s sG M= + + 1

∆sD m

mm mmG G= ⋅°

⋅ = ⋅°

⋅ °= → ±π α π360

0175360

01 0153 0076,

, , ,

∆sDp i

mmmM = ± ⋅

⋅= ± ⋅

⋅= ±π π0175

4096 100013

,,

∆s mm mm mm mm mm= ± + ± + ± = ± < ±( , ) ( , ) ( , ) , ,0076 0013 01 0189 0 2

M m aD

kgm

Nmdyn LL

ms1 2

12

453 101

090175

244042= ⋅ ⋅ ⋅ = ⋅ ⋅ ⋅ =max ,

,,

η

M m gD

kgm

Nmstat L LL

ms

= ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ = ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ =µη1

2453 981 02

109

01752

86412, ,,

,,

M m aD

kgm

Nmdyn L Lms2 22

453 10 090175

2356 74= ⋅ − ⋅ ⋅ = ⋅ − ⋅ ⋅ = −( ) ,

,,max η e j

Beschleunigungsphase M M M Nm Nm Nm

Gleichförmige Bewegung M M Nm

Verzögerungsphase M M M Nm Nm Nm

stat dyn

stat

stat dyn

1

2

3

1

2

44042 8641 52683

8641

8641 356 74 270 33

= + = + =

= =

= + = − = −

, , ,

,

, , ,

Projektierung8


Lastdrehmomente im Verfahrzyklus (auf den Motor bezogen)

Zusatzdrehmomente durch das Massenträgheitsmoment des Getriebes, bezogen auf den Motor

Massenträgheitsmoment der translatorisch bewegten Last

8.3.5 Motorauswahl und Effektivdrehmoment

Für die Auswahl des Motors sind folgende Bedingungen zu prüfen:

a)

Das Verhältnis von externem Massenträgheitsmoment zum Massenträgheitsmoment des Motors sollte aus regelungs-technischer Hinsicht kleiner 10 sein.

b) Mmax* < 3 ⋅ M0

Die max. dynamische Belastung des Antriebs darf das dreifache Nenndrehmoment des Motors nicht überschreiten.

c) Meff < Mzul

Das über den Verfahrzyklus wirksame Effektivdrehmoment darf das Nenndrehmoment des Motors unter Berücksichti-gung der Motorkennlinie nicht überschreiten (Mzul aus M0 und Motorkennlinie).

d) n* ≈ 0,9 nN

Um ca. 10 % Regelreserve zu erhalten, sollte die maximal auftretende Drehzahl bei 90 % der Motornenndrehzahl liegen.

Die jetzt folgende Motorauswahl erfolgt zunächst ohne Beachtung des Motormassenträgheitsmomentes. Die Auswahlmuß durch eine Nachrechnung mit dem Motormassenträgheitsmoment bestätigt werden.

An dieser Stelle erfolgt zunächst eine Abschätzung. Der Motor wird näherungsweise durch bestimmt.

Die Wahl dieses Faktors erfordert bei der Projektierung ein wenig Erfahrung.Er kann zwischen 2 und 3 gewählt werden.

Ausgewählter Motor: DFY 112 LB

Nenndaten: nN = 3000 min–1

M0 = 35 NmJMot = 148 ⋅ 10–4 kgm2

Beschleunigungsphase

GleichförmigeBewegung

Verzögerungsphase

M Mi

Nm Nm

M Mi

Nm Nm

M Mi

Nm Nm

G

G

G

1 1

2 2

3 3

152683

1097 10

54 31

18641

1097 10

891

1270 33 097

110

26 22

* ,,

,

* ,,

,

* , , ,

= ⋅⋅

= ⋅⋅

=

= ⋅⋅

= ⋅⋅

=

= ⋅ ⋅ = − ⋅ ⋅ = −

η

η

η

MJ n

tkgm

sNm

BeiM gibt es keinM da keineDrehzahländerungen stattfinden

MJ n

tkgm

sNm

GG

sa G

s

G

GG G

sa

s

1

4 2 1

2 2

3

4 2 1

260

28 51 10 2 272860 025 097

336

260

2851 10 2 2728 09760 025

316

** * , min

, ,,

, .

** * , min ,

,,

min min

min min

= ⋅ ⋅⋅ ⋅

= ⋅ ⋅ ⋅⋅ ⋅

=

= ⋅ ⋅ ⋅⋅

= ⋅ ⋅ ⋅ ⋅⋅

= −

− −

− −

πη

π

π η π

J mvn

kg kgmL L

s s ms*

*,

min,min max min= ⋅

FHG

IKJ

⋅ FHGIKJ = ⋅

FHG

IKJ

⋅FHG

IKJ

=−

602

45360

225

272800347

2 2 2

1

22

π π

kJJ

Massenträgheitsmomentjext

Mot

= <*( )10

J J J kgm kgm kgm

M M M Nm Nm Nm

ext L G

G

* * * , , ,

* * * , , ,max

= + = + =

= + = + =

00347 00028 00375

5431 3 36 5767

2 2 2

1 1

MM

0 2≥ max

Projektierung 8


Nachrechnung der Motordrehmomente im Verfahrzyklus mit Berücksichtigung des Massenträgheitsmomentes desMotors

Effektives Motordrehmoment und mittlere Motordrehzahl

8.3.6 Überprüfung des ausgewählten Antriebs

Getriebemotor: PSF 701 EB DY 112 LB

Nenndaten: i = 10Mamax = 800 NmnN = 3000 min–1

M0 = 35 NmI0 = 24 AJMot = 148 ⋅ 10–4 kgm2

Forderungen:

a) Mamax > M1

800 Nm > 526,83 Nm erfüllt

b) kj > 10

erfüllt

c) M1Mot < 3 ⋅ M0

erfüllt

d) Meff < Mzul

30 Nm < 32 Nm erfülltMzul = 32 Nm; (S1-Betrieb) aus der Kennlinie bei n = 1039 min–1

e) n* ≈ 0,9 ⋅ nN

erfüllt

Alle Forderungen sind somit erfüllt.



Verzögerungsphase

M M MJ n

tNm Nm Nm Nm

M M Nm

M M MJ n

tNm Nm Nm Nm

Mot GMot

sa

Mot

Mot GMot

sa

1 1 1

2 2

3 3 3

260

54 31 336 1691 7458

891

260

26 22 316 1691 46 29

= + + ⋅ ⋅⋅

= + + =

= =

= + − ⋅ ⋅⋅

= − − − = −

* **

, , , ,

* ,

* **

, , , ,

min

min

π

π

Mt

M t M t M t

sNm s Nm s Nm s Nm

nn t t t

tn

t tt

s ss

EDt t t

ts s s

s

effZ

Mot a Mot c Mot a

a c a

Z

a c

Z

a c a

Z

= ⋅ ⋅ + ⋅ + ⋅

= ⋅ ⋅ + ⋅ + − ⋅ =

=⋅ + +

= + = ⋅ + =

= + + ⋅ = + + ⋅

− −

1

121

7458 025 891 055 4629 025 3063

2728025 055

211039

100025 055 025

21100

12

22

32

2 2 2

12

12 1 1

e j

b g b g b ge j

d i

,, , , , , , ,

** min

, ,,

min

[%] %, , ,

,% %= 50

kJJ

kgmkgmj

ext

Mot

= = =* ,,

,0037500148

2532

2

M

MNm

NmMot1

0

745835

213= =,,

nnN

* minmin

,= =−

−27283000

0911

1

Projektierung8


8.3.7 Auswahl und Berechnung der Servoumrichter-Komponenten

Beispielhaft wird die Auslegung an dieser Stelle für einen einzelnen Antrieb (Einachsantrieb) vorgenommen. Nach Ab-schluß der Berechnung für X-, Y- und Z-Achse wird zum Vergleich die Versorgung für die drei Antriebe zusammen be-stimmt.

Achsmodul

Bei der Wahl des Achsmoduls sind folgende Kriterien zu beachten:

a)

b)

c) Zulässigkeit der Motor-Achs-Kombination prüfen.

Ausgewähltes Achsmodul: MAS 51A-060-503-00

Nenndaten: IN = 60 ABreite = 4 TE

Forderungen:

a)

60 A > 34,1 A erfüllt

b) IN > I


c) Kombination MAS 51A-060-503-00 mit Motor DFY 112 LB (3000 min–1) laut Zuordnungstabelle im Katalog zulässig.

Netzmodul

Bei der Wahl des Netzmoduls sind folgende Kriterien zu berücksichtigen:

a)

II

DieBedingung ergibt sich aus der Eigenschaft der Achs ule den fachenNennstromliefern zu können

IM

MI

NmNm

A A I A

N

MotN

>

= ⋅ = ⋅ = → >

max

max

,

mod , , .

,, ,

15

15

745835

24 5114 3411

00

I I

Der Mittelwert des Stromes I ist einMaß für die thermischeBelastbarkeit der Achs ule

II

M tM t M t M t

IA

Nm sNm s Nm s Nm s A I A

N

ZMot a Mot c Mot a

N

>

= ⋅ ⋅ ⋅ + ⋅ + ⋅

= ⋅ ⋅ ⋅ + ⋅ + ⋅ = → >

mod .

,( , , , , , , ) , ,

0

01 2 3

1

2435

121

7458 025 891 055 4629 025 115 115

e j

II

N > max

,15

P P

Die imaleLeistung im Zwischenkreis muß größer sein als die imalgeforderteLeistung des Antriebs

Pn M Nm

W

Z Mot

MotMot

s s

max max

maxmin min

max max .

* * min ,

≥

=⋅ ⋅

= ⋅ ⋅ =−

112

602728 7458 2

6021306

π π

Projektierung 8


b)

c)

Ausgewähltes Netzmodul: MPB 51A-027-503-00

Nenndaten: PZN = 27 kWPZmax = 54 kWPBRCmax = 38 kWBreite = 4 TE

Forderungen:

a) PZ max ≥ PMot max

54 kW ≥ 21,3 kW erfüllt

b) PBRC max > PB max

38 kW > 11,9 kW erfüllt

c) PZN > P27 kw > 2,6 kW erfüllt

Bremswiderstand

Auswahlkriterien für den Bremswiderstand:

a) PN ED > Pgen

Die ED-Nennleistung des Bremswiderstands muß größer sein als die mittlere generatorische Bremsleistung.

b) Zulässigkeit der Kombination von Bremswiderstand und Versorgungskomponente

Ausgewählter Bremswiderstand: BW 018-015

Nenndaten: PN = 1,5 kWPN bei 12 % ED = 9 kW

Forderungen:

a) PN ED > Pgen

9 kW > 6 kW erfüllt

b) Bremswiderstand zulässig laut Katalog erfüllt

P P

DieBremsleistung desModuls muß größer sein als dieBremsleistung des Antriebs

P M n Nm W

BRC B

B Mot s L s

max max

maxmin min

.

* , min ,

>

= ⋅ ⋅ ⋅ = ⋅ ⋅ ⋅ =−3

1260

4629 27282

6009 11902

π η π

P P

DieNennleistung im Zwischenkreismuß größer sein als die mittlereLeistungdes Antriebs

Pt

P tM n

t P t

Ps

W s W s W s W

ZN

Za

Mots c B a

>

= ⋅ ⋅ +⋅ ⋅

⋅ + ⋅FHG

IKJ

= ⋅ ⋅ ⋅ + ⋅ + ⋅ ⋅ =

.

*

,, , ,

maxmin

max1 2

60

121

21306 025 2545 055 11902 025 2643

12

2 12

12

12

π

d i

PP W

WgenB= = =max

211902

25951

Einschaltdauer EDtt

ssBW

a

Z

[%] %,,

% , %= ⋅ = ⋅ =10002521

100 119

Projektierung8


Kühlkörper

Folgende Kriterien müssen bei der Auswahl des Kühlkörpers berücksichtigt werden:

a) Die Gesamtbreite der Summe der verwendeten Module, wobei darauf zu achten ist, daß kein Modul über den Stoß auszwei Kühlkörpern montiert wird.

b) Die maximale Temperatur ϑKKmax des Kühlkörpers (80 °C) darf nicht überschritten werden (unter Berücksichtigungder Umgebungstemperatur).

Erforderliche Breite: MBP 51A-027-503-00: 4 TEMAS 51A-060-503-00: 4 TE

Anteile der Verlustleistung zum Kühlkörper:

PKK = KühlkörperleistungPVSNT = Verlustleistung des Schaltnetzteils im NetzmodulPVL0 = Verlustleistung des NetzmodulsPVLX = Verlustleistung des Achsmodulsk = Anzahl der AchsmoduleI = Mittelwert des Stroms

Hinweis: Die Erklärung der verwendeten Konstanten entnehmen Sie bitte dem Anhang.

Ausgewählter Kühlkörper: DKS 09

Nenndaten: Rth = 0,17 K/WBreite = 9 TE

Berechnung der Erwärmung für Umgebungstemperatur ϑUmg = 30 °C

Forderungen:

a) 9 TE > 8 TE erfüllt

b) ϑKK < ϑKKmax; 63,4 °C < 80 °C erfüllt

P P P P kKK VSNT VL0 VLX= + + ⋅12

P W W W

P I A W

P I A W

P W W W W

VSNT

VL0WA

WA

VLXWA

WA

KK

= + ⋅ =

= ⋅ = ⋅ =

= ⋅ = ⋅ =

= ⋅ + + =

12 13 1 25

2 2 115 23

14 14 115 161

25 23 161 196 512

,

,

,

∆ϑ

∆ϑ

= ⋅ = ⋅ =

= + = + ° = °

R P W K

C C

th KKKW

KK Umg

017 1965 334

30 334 634

, , ,

( , ) ,ϑ ϑ

Projektierung 8


Datenbuskabel und Netzdrossel

Die Anzahl der an das Netzmodul anzuschließenden Achsmodule bestimmt die Länge des Datenbuskabels:

1 MPB + 1 MAS → DBK01

Die Netzdrossel ergibt sich aus der Zuordnung zum Netzmodul in der Montage- und Inbetriebnahmeanleitung.

Netzmodul: MPB 51A-027-503-00

Netzdrossel: ND 045-013

Nenndaten: IND = 45 ALH = 0,1 mH

Zusammenstellung der Komponenten

Die Zusammenstellung erfolgt zunächst für Einachsantrieb; für das gesamte Beispiel mit X-, Y- und Z-Achse wird amEnde des Projektierungsbeispiels eine Auswahl getroffen.

Getriebemotor: PSF 701 EB DY 112 LB (i = 10; nN = 3000–1; 400 V) EB 10

Achsmodul: MAS 51A-060-503-00


Bremswiderstand: BW 018-015

Kühlkörper: DKS 09


Datenbuskabel: DBK01

Projektierung8


8.4 Berechnung der Y-Achse (Fahrwerk)

Vorgabedaten:

mL = 132 kg Summe der bewegten MassenD = 0,175 m Durchmesser der RiemenscheibeµL = 0,1 Reibkoeffizients = 1 m Verfahrstreckevmax = 2,5 m/s max. Verfahrgeschwindigkeitamax = 10 m/s2 max. Beschleunigung oder VerzögerungtZ = 1,3 s Taktzeit∆s1 = ± 0,1 mm mech. Genauigkeit∆s < ± 0,2 mm geforderte GesamtgenauigkeitηL = 0,90 Lastwirkungsgrad

8.4.1 Verfahrzyklus

Voraussetzung für die Antriebsbestimmung ist die Feststellung des Bewegungszyklus. Da es sich um eine Fahrachsehandelt, reicht es aus, nur eine Fahrtrichtung zu ermitteln (1 ... 4).





Abtriebsdrehzahl n

tva

sa

ms

ms

= = =max

max

,,

2510

0 252

ts a t

v

m ssc

ams

ms

=− ⋅ ⋅

=− ⋅

=2 1 10 0 25

25015

12

2 22e j

max

( , )

,,

t t t s s s

t t t s s s

a c

p Z

= ⋅ + = ⋅ + =

= − = − =

2 2 025 015 065

13 065 065

, , ,

, , ,

nvD m

sms=

⋅=

⋅= =− −max ,

,, , min

π π25

01754547 27281 1

ta tatc tp

ttZ

t

vTeil 1 Teil 2 mit

identischen Daten1

23

4


8Projektierung



gewählt.


∆sG: Positioniergenauigkeit ohne Getriebespiel∆sM: Positioniergenauigkeit durch Geberauflösung∆s1: Positioniergenauigkeit durch Mechanik





Beschleunigung

Konstante Fahrt, statische Last

Verzögerung



Gewählt wird PSF 401, i = 10, Mamax = 150 Nm. Wegen der gewünschten Trennbarkeit von Motor und Getriebe wird einGetriebe mit Bogenzahnkupplung “EB09" gewählt.

i gewählteÜbersetzung i

n n i

soll = = =

= ⋅ = ⋅ =

−

−

− −

30002728

110 10

2728 10 2728

1

1

1 1

min, min

, :

* , min min

∆ ∆ ∆ ∆s s s sG M= + + 1

∆sD m

mm mmG G= ⋅°

⋅ = ⋅°

⋅ °= → ±π α π360

0175360

01 0153 0076,

, , ,

∆sDp i

mmmM = ± ⋅

⋅= ± ⋅

⋅= ±π π0175

4096 100013

,,

∆s mm mm mm mm mm= ± + ± + ± = ± < ±( , ) ( , ) ( , ) , ,0076 0013 01 0189 02

M m aD

kgm

Nmdyn LL

ms1 2

12

132 101

090175

2128 33= ⋅ ⋅ ⋅ = ⋅ ⋅ ⋅ =max ,

,,

η

M m gD

kgm

Nmstat L LL

ms

= ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ = ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ =µη1

2132 981 01

109

01752

12592, ,,

,,

M m aD

kgm

Nmdyn L Lms2 22

132 10 090175

210395= ⋅ − ⋅ ⋅ = ⋅ − ⋅ ⋅ = −( ) ,

,,max η e j

Beschleunigungsphase M M M Nm Nm Nm

Gleichförmige Bewegung M M Nm

Verzögerungsphase M M M Nm Nm Nm

stat dyn

stat

stat dyn

1

2

3

1

2

1259 128 33 14092

1259

1259 10395 9136

= + = + =

= =

= + = − = −

, , ,

,

, , ,

Projektierung8





einstufiges Planetengetriebe: ηG = 0,97PSF 401 / EB 09: JG* = 5,76 ⋅ 10–4 kgm2 (bezogen auf die Motorwelle)






a)

Das Verhältnis von externem Massenträgheitsmoment zum Massenträgheitsmoment des Motors sollte aus regelungs-technischer Sicht kleiner 10 sein.

b) Mmax* < 3 ⋅ M0


c) Meff < Mzul


d) n* ≈ 0,9 nN





Verzögerungsphase

M Mi

Nm Nm

M Mi

Nm Nm

M Mi

Nm Nm

G

G

G

1 1

2 2

3 3

114092

1097 10

1453

11259

1097 10

130

19136 097

110

886

* ,,

,

* ,,

,

* , , ,

= ⋅⋅

= ⋅⋅

=

= ⋅⋅

= ⋅⋅

=

= ⋅ ⋅ = ⋅ ⋅ = −

η

η

η

MJ n

tkgm

sNm


MJ n

tkgm

sNm

GG

sa G

s

G

GG G

sa

s

1

4 2 1

2 2

3

4 2 1

260

576 10 2 272860 025 097

068

260

576 10 2 2728 09760 025

064

** * , min

, ,,

, .

** * , min ,

,,

min min

min min

= ⋅ ⋅⋅ ⋅

= ⋅ ⋅ ⋅⋅ ⋅

=

= ⋅ ⋅ ⋅⋅

= ⋅ ⋅ ⋅ ⋅⋅

= −

− −

− −

πη

π

π η π

J mvn

kg kgmL L

s s ms*

*,


FHG

IKJ

⋅ FHGIKJ = ⋅

FHG

IKJ

⋅FHG

IKJ

=−

602

13260

225

272800101

2 2 2

1

22

π π

kJJ


Mot

= <*( )10

J J J kgm kgm kgm

M M M Nm Nm Nm

ext L G

G

* * * , , ,

* * * , , ,max

= + = + =

= + = + =

00101 00006 00107

1453 068 1521

2 2 2

1 1

8Projektierung


Ausgewählter Motor: DFY 90 MB


M0 = 12 NmJMot = 24,1 ⋅ 10–4 kgm2

Nachrechnung der Motordrehmomente im Verfahrzyklus mit Berücksichtigung der Massenträgheitsmomentes desMotors



Getriebemotor: PSF 401 EB09 DY 90 MB

Nenndaten: i = 10Mamax = 150 NmnN = 3000 min–1M0 = 12 NmI0 = 7,9 AJMot = 24,1 ⋅ 10–4 kgm2

Forderungen:

a) Mamax > M1

150 Nm > 140,92 Nm erfüllt

b) kj < 10

erfüllt

c) M1Mot < 3 ⋅ M0

erfüllt

d) Meff < Mzul

9,54 Nm < 12 Nm erfülltMzul =12 Nm; (S1-Betrieb) aus der Kennlinie bei n = 840 min–1

e) n* ≈ 0,9 ⋅ nN

erfüllt




Verzögerungsphase

M M MJ n

tNm Nm Nm Nm

M M Nm

M M MJ n

tNm Nm Nm Nm

Mot GMot

sa

Mot

Mot GMot

sa

1 1 1

2 2

3 3 3

2

601453 068 275 1796

130

2

60886 064 275 1225

= + +⋅ ⋅

⋅= + + =

= =

= + +⋅ ⋅

⋅= − − − = −

* **

, , , ,

* ,

* **

, , , ,

min

min

π

π

Mt

M t M t M t

sNm s Nm s Nm s Nm

nn t n t t

tn

t tt

s ss

EDt t t

ts s s

s

effZ

Mot a Mot c Mot a

a c a

Z

a c

Z

a c a

Z

= ⋅ ⋅ + ⋅ + ⋅

= ⋅ ⋅ + ⋅ + − ⋅ =

=⋅ + ⋅ +

= ⋅ + = ⋅ + =

= + + ⋅ = + + ⋅

− −

1

113

1796 025 130 015 1225 025 954

2728025 015

13839

100025 015 025

13

12

22

32

2 2 2

12

12 1 1

e j

b g b g b g

d i

,, , , , , , ,

* ** min

, ,,

min

[%] %, , ,

,100 50% %=

kJJ

kgmkgmj

ext

Mot

= = =* ,,

,00107000241

4442

2

M

MNm

NmMot1

0

179612

150= =,

,

nnN

* minmin

,= =−

−27283000

0911

1

Projektierung8



An dieser Stelle wird nur noch das notwendige Achsmodul bestimmt. Beim Versorgungsmodul werden nur die zu be-rücksichtigenden Kriterien aufgeführt; die Bestimmung des Netzmoduls erfolgt dann gemeinsam für alle drei Achsen.

Achsmodul


a)

b)




Forderungen:

a)


b) IN > I


c) Kombination MAS 51A-010-503-00 mit Motor DFY 90 MB (3000 min–1) laut Zuordnungstabelle im Katalog zulässig.

Netzmodul


a)

II


IM

MI

NmNm

A A I A

N

MotN

>

= ⋅ = ⋅ = → >

max

max

,

mod , , .

,, , ,

15

15

179612

79 1182 7881

00

I I


II

M tM t M t M t

IA

Nm sNm s Nm s Nm s A I A

N

ZMot a Mot c Mot a

N

>

= ⋅ ⋅ ⋅ + ⋅ + ⋅

= ⋅ ⋅ ⋅ + ⋅ + ⋅ = → >

mod .

,,

, , , , , , , ,

0

01 2 3

1

7912

113

1796 0 25 130 015 1225 0 25 392 392

e j

b g

II

N > max

,15

P P

Die imaleLeistung im Zwischenkreismuß größer sein als die imal geforderteLeistung

Pn M Nm

W

Z Mot

MotMot

s s

max max

maxmin min

max max .

* min ,

≥

=⋅ ⋅

= ⋅ ⋅ =−

212

602728 1796 2

605131

π π

8Projektierung


b)

c)

Einschaltdauer Bremswiderstand

Normalerweise würde an dieser Stelle die Wahl von Netzmodul, Bremswiderstand, Kühlkörper und Netzdrossel erfolgen.Da diese Komponenten jedoch für eine Mehrachsanwendung mit dem modularen MOVIDYN realisiert werden sollen, er-folgt die Wahl der Komponenten erst nach Berechnung der X-, Y- und Z-Achse.

P P

DieBremsleistung desModuls muß größer sein als dieBremsleistung des Antriebs

P n M Nm W

BRC B

B Mot s L s

max max

maxmin min

.

* min , ,

>

= ⋅ ⋅ ⋅ = ⋅ ⋅ ⋅ =−3

1260

2728 12252

6009 3150

π η π

P P


Pt

P tM n

t P t

Ps

W s W s W s W

ZN

Za

Mots c B a

>

= ⋅ ⋅ +⋅ ⋅

⋅ + ⋅FHG

IKJ

= ⋅ ⋅ ⋅ + ⋅ + ⋅ ⋅ =

.

*

,, , , ,

maxmin

max1 2

60

113

5131 025 3714 015 3150 025 839

12

2 12

12

12

π

d i

Einschaltdauer EDtt

ssBW

a

Z

[%] %,,

% , %= ⋅ = ⋅ =10002513

100 1923

Projektierung8


8.5 Berechnung der Z-Achse (Hubwerk)

Vorgabedaten:

mL = 40 kg Summe der bewegten Massen (ohne Gegengewicht)D = 0,05 m Durchmesser des AntriebsradesµL = 1 Reibkoeffizient (vernachlässigbare Reibung)s = 1 m VerfahrstreckeVmax = 1,9 m/s max. Verfahrgeschwindigkeitamax = 10 m/s2 max. Beschleunigung und VerzögerungtZ = 2,8 s Taktzeit (für Hub- und Senkfahrt)∆s1 = ± 0,1 mm mech. Genauigkeit∆s = ± 0,2 mm geforderte GesamtgenauigkeitηL = 0,90 Lastwirkungsgrad

8.5.1 Verfahrzyklus

Voraussetzung für die Antriebsbestimmung ist die Feststellung des Bewegungszyklus.





Abtriebsdrehzahl n

tva

sa

msms

= = =max

max

,,

1910

0192

ts a t

v

m ssc

ams

ms

=− ⋅ ⋅

=− ⋅

=2 1 10 019

190 336

12

2 22e j b g

max

,

,,

t t t s s s

t t t s s s

a c

p Z

= ⋅ + = ⋅ + =

= − = − =

2 2 019 0 336 0 716

28 0716 2084

, , ,

, , ,

nvD m

sms=

⋅=

⋅= =− −max ,

,, , min

π π19

0051210 72571 1

ta tatc tp

ttZ

t

vHeben Senken

12

3

4

56

7

8


8Projektierung



gewählt.


∆sG: Positioniergenauigkeit durch Getriebespiel∆sM: Positioniergenauigkeit durch Geberauflösung∆s1: Positioniergenauigkeit durch Mechanik





Konstante Fahrt, Heben

Konstante Fahrt, Senken

Beschleunigung

Verzögerung

i gewählteÜbersetzung i

n n i

soll = = =

= ⋅ = ⋅ =

−

−

− −

30007257

41 4

7257 4 2903

1

1

1 1

min, min

, :

* , min min

∆ ∆ ∆ ∆s s s sG M= + + 1

∆sD m

mm mmG G= ⋅°

⋅ = ⋅°

⋅ °= → ±π α π360

005360

01 0044 0022,

, , ,

∆sDp i

mmmM = ± ⋅

⋅= ± ⋅

⋅= ±π π005

4096 40010

,,

∆s mm mm mm mm mm= ± + ± + ± = ± < ±( , ) ( , ) ( , ) , ,0022 0010 01 0132 02

M m gD

kgm

Nmstat LL

ms1 2

12

40 9811

09005

21090= ⋅ ⋅ ⋅ = ⋅ ⋅ ⋅ =

η,

,,

,

M m gD

kgm

Nmstat L Lms2 22

40 981 09005

2883= ⋅ ⋅ ⋅ = ⋅ ⋅ ⋅ =η , ,

,,

M m aD

kgm

Nmdyn LL

ms1 2

12

40 101

09005

21111= ⋅ ⋅ ⋅ = ⋅ ⋅ ⋅ =max ,

,,

η

M m aD

kgm

Nmdyn L Lms2 22

40 10 09005

2900= ⋅ − ⋅ ⋅ = ⋅ − ⋅ ⋅ = −( ) ,

,,max η e j

Projektierung8




Gewählt wird PSF 301, i = 4, Mamax = 80 Nm. Wegen der gewünschten Trennbarkeit von Motor und Getriebe wird ein Ge-triebe mit Bogenzahnkupplung “EB04” gewählt.




einstufiges Planetengetriebe: ηG = 0,97PSF 301 / EB04 JG* = 2,3 ⋅ 10–4 kgm2 (bezogen auf die Motorwelle)



BeschleunigungsphaseHeben M M M Nm Nm Nm

Gleichförmige BewegungHeben M M Nm

VerzögerungsphaseHeben M M M Nm Nm Nm

BeschleunigungsphaseSenken M M M Nm Nm Nm

Gleichförmige BewegungSenken M M Nm

VerzögerungsphaseSenken M M M Nm Nm Nm

dyn stat

stat

dyn stat

dyn stat

stat

dyn stat

1

2

3

5

6

7

1 1

1

2 1

1 2

2

2 2

1111 1090 2201

1090

900 1090 190

1111 883 228

883

900 883 1783

= + = + =

= =

= + = − + =

= − = − =

= − = −

= − = − − = −

, , ,

,

, , ,

, , ,

,

, , ,

BeschleunigungsphaseHeben M M

iNm Nm

GleichförmigeBewegungHeben M M

iNm Nm

VerzögerungsphaseHeben M M

iNm Nm

Stills d M Mi

Nm Nm

G

G

G

1 1

2 2

3 3

4 2

12201

1097 4

567

11090

1097 4

281

1190

1097 4

049

11090

14

273

* ,,

,

* ,,

,

* ,,

,

tan * , ,

= ⋅⋅

= ⋅⋅

=

= ⋅⋅

= ⋅⋅

=

= ⋅⋅

= ⋅⋅

=

= ⋅ = ⋅ =

η

η

η

BeschleunigungsphaseSenken M M

iNm Nm

Gleichförmige BewegungSenken M M

iNm Nm

VerzögerungsphaseSenken M M

iNm Nm

Stills d M Mi

Nm Nm

G

G

G

5 5

6 6

7 7

8 2

1228

1097 4

059

883097

4214

1783097

44 32

11090

14

273

* ,,

,

* ,,

,

* ,,

,

tan * , ,

= ⋅⋅

= ⋅⋅

=

= ⋅ = − ⋅ = −

= ⋅ = − ⋅ = −

= ⋅ = ⋅ =

ηη

η

MJ n

tkgm

sNm motorischer Betrieb


MJ n

tkgm

sNm generatorischer Betrieb

GG

sa G

s

G

GG G

sa

s

1

4 2 1

2 2

3

4 2 1

260

23 10 2 290360 019 097

0 38

260

2 3 10 2 2903 09760 019

0 36

** * , min

, ,, ( )

, .

** * , min ,

,, ( )

min min

min min

= ⋅ ⋅⋅ ⋅

= ⋅ ⋅ ⋅⋅ ⋅

=

= ⋅ ⋅ ⋅⋅

= ⋅ ⋅ ⋅ ⋅⋅

= −

− −

− −

πη

π

π η π

8Projektierung





a)

Das Verhältnis von externem Massenträgheitsmoment zum Massenträgheitsmoment des Motors sollte aus regelungs-technischer Hinsicht kleiner 10 sein.

b) Mmax* < 3 ⋅ M0


c) Meff < Mzul


d) n* ≈ 0,9 nN



An dieser Stelle erfolgt zunächst eine Abschätzung. Der Motor wird näherungsweise durch bestimmt.

Die Wahl dieses Faktors erfordert bei der Projektierung ein wenig Erfahrung.Er kann zwischen 2 und 3 gewählt werden.

Ausgewählter Motor: DFY 71 MLB


M0 = 5 NmJMot = 0,000831 kgm2

Nachrechnung der Motordrehmomente im Verfahrzyklus mit Berücksichtigung des Massenträgheitsmomentes desMotors

J mvn

kg kgmL L

s s ms*

*,


FHG

IKJ

⋅ FHGIKJ = ⋅

FHG

IKJ

⋅FHG

IKJ

=−

602

4060

219

2903000156

2 2 2

1

22

π π

kJJ


Mot= <*

( )10

J J J kgm kgm kgm

M M M Nm Nm Nm

ext L G

G

* * * , , ,

* * * , , ,max

= + = + =

= + = + =

000156 000023 000179

567 0 38 605

2 2 2

1 1

MM

0 2≥ max

MJ n

tkgm

tNmZusMot

Mots

as

a=

⋅ ⋅⋅

=⋅ ⋅

⋅=

−* , min,

min min

2

600000831 2903 2

60133

2 1π π

BeschleunigungsphaseHeben M M M M Nm Nm Nm Nm

GleichförmigeBewegungHeben M M Nm

VerzögerungsphaseHeben M M M M Nm Nm Nm Nm

Stills d M M Nm

Mot G ZusMot

Mot

Mot G ZusMot

Mot

1 1 1

2 2

3 3 3

4 4

567 0 38 133 7 38

281

049 036 133 120

2 73

= + + = + + =

= =

= − − = − − =

= =

* * , , , ,

* ,

* * , , , ,

tan * ,

Projektierung8




Getriebemotor: PSF 301 EB DY 71 MLB

Nenndaten: i = 4Mamax = 80 NmnN = 3000 min–1

M0 = 5 NmI0 = 3,8 AJMot = 0,000831 kgm2

Forderungen:

a) Mamax > M1

80 Nm > 22 Nm erfüllt

b) kj > 10

erfüllt

c) M1Mot < 3 ⋅ M0

erfüllt

d) Meff < Mzul

3,43 Nm < 5 Nm erfülltMzul = 5 Nm; (S1-Betrieb) aus der Kennlinie bei n = 1091 min–1

e) n* ≈ 0,9 nN

erfüllt


BeschleunigungsphaseSenken M M M M Nm Nm Nm Nm

GleichförmigeBewegungSenken M M Nm

VerzögerungsphaseSenken M M M M Nm Nm Nm Nm

Stills d M M Nm

Mot G ZusMot

Mot

Mot G ZusMot

Mot

5 5 1

6 6

7 7 3

8 8

059 0 38 133 2 30

214

432 036 133 601

273

= + + = + + =

= = −

= − − = − − − = −

= =

* * , , , ,

* ,

* * , , , ,

tan * ,

Mt

M t M t M t M t M t M t M t M teffZ

Mot a Mot c Mot a Mot p Mot a Mot c Mot a Mot p= ⋅ ⋅ + ⋅ + ⋅ + ⋅ + ⋅ + ⋅ + ⋅ + ⋅11

22

23

24

25

26

27

28

2e j

Ms

N m s Nmeff = ⋅ + + + ⋅ + + ⋅ + + ⋅ =128

738 120 230 601 019 281 214 0336 273 273 0684 3432 2 2 2 2 2 2 2 2 2

,, , , , , , , , , , , ,e j e j e j

nn t n t

t

s s

sa c

Z

=⋅ ⋅ + ⋅

=⋅ ⋅ + ⋅

=− −

−2 2 2903 019 2903 0 336

281091

1 11* * min , min ,

,min

b g e j

EDt t t

ts s s

sa c a

Z

[%] %, , ,

,% %= + + ⋅ = + + ⋅ =100

019 0 336 01928

100 25

kJJ

kgmkgmj

ext

Mot

= = =* ,,

,0001790000831

2152

2

M

MNm

NmMot1

0

7 385

148= =,,

nnN

* minmin

,= =−

−29033000

0971

1

8Projektierung



Achsmodul


a)

b)




Forderungen:

a)


b) IN > I


c) Kombination MAS 51A-005-503-00 mit Motor DFY 71 MLB (3000 min–1) laut Zuordnungstabelle im Katalog zulässig.

Netzmodul


a)

II


IM

MI

NmNm

A A I A

N

MotN

>

= ⋅ = ⋅ = → >

max

max

,

mod , , .

,, , ,

15

15

7385

38 561 3741

00

I I


II

M tM t

IA

Nm sNms A

N

ZxMot x

>

= ⋅ ⋅ ⋅

= ⋅ ⋅ + + + ⋅ + + ⋅ + + ⋅ =

∑

mod .

,,

, , , , , , , , , , , ,

0

0

1

385

128

7 38 120 2 30 601 019 281 214 0 336 2 73 2 73 0684 2 34

d i

b g b g b g

II

N > max

,15

P P

Die imaleLeistung im Zwischenkreis muß größer sein als die imalgeforderteLeistung des Antriebs

Pn M Nm

W

Z Mot

MotMot

s s

max max

maxmin min

max max .

* * min ,

≥

=⋅ ⋅

= ⋅ ⋅ =−

112

602903 738 2

602244

π π

Projektierung8


b)

c)

Einschaltdauer Bremswiderstand

Normalerweise würde an dieser Stelle die Wahl von Netzmodul, Bremswiderstand, Kühlkörper und Netzdrossel erfolgen.Da diese Komponenten jedoch für eine Mehrachsanwendung mit dem modularen MOVIDYN realisiert werden sollen, er-folgt die Wahl der Komponenten erst nach der Berechnung der X-, Y- und Z-Achse.

P P

DieBremsleistung desModulsmuß größer sein als dieBremsleistung des Antriebs

P M n Nm W

BRC B

B Mot s L s

max max

maxmin min

.

* , min ,

>

= ⋅ ⋅ ⋅ = ⋅ ⋅ ⋅ =−7

1260

601 29032

6009 1644

π η π

P P


Pt

n Mt

Ps

Nms W

ZN

Z

xMots x

s

>

= ⋅ ⋅⋅ ⋅

⋅FHG

IKJ

= ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ + + + ⋅ + + ⋅ + + ⋅FHG

IKJ

=

∑−

.

*

,min

, , , , , , , , , , ,

min

min

1 260

128

2903 260

738 120 2 30 601 019 281 213 0 336 273 273 2084 882

12

12

1

π

π b g b g b gd i

EDt tt

s ssBW

a c

Z

[%] %, ,

,% , %= ⋅ + ⋅ = ⋅ + ⋅ =2

1002 019 0 336

28100 256

8Projektierung


8.6 Gemeinsame Versorgung der X-, Y- und Z-Achse

Betrachtet man die v/t-Diagramme für alle drei Achsen, so erkennt man, daß alle Achsen gleichzeitigbeschleunigen müssen. Die Versorgungsleistung muß diesen “worst case” abdecken können. Nachden v/t-Diagrammen fallen die Verzögerungsphasen nicht zusammen. Aber bei einem möglichenNOT-Aus müssen alle Achsen gleichzeitig bremsen können.

Die Berechnung erfolgt mit einem Gleichzeitigkeitsfaktor 1, d.h. alle Achsen können gleichzeitigbeschleunigen und bremsen. Deshalb werden die Ströme und Momente addiert.

8.6.1 Netzmodul


a) PZmax ≥ PMotmax

Die maximale Leistung im Zwischenkreis muß größer sein als die maximal geforderte Leistung des Antriebs.

b) PBRCmax > PBmax

Die Bremsleistung des Moduls muß größer sein als die Bremsleistung der Antriebe.

c) PZN > P

Die Nennleistung im Zwischenkreis muß größer sein als die mittlere Leistung der Antriebe.

P P P P W W W WMot Mot Mot MotX Y Zmax max max max= + + = + + =21306 5131 2244 28681

P P P P W W W WB B B BX Y Zmax max max max= + + = + + =11902 3150 1644 16696

P P P P W W W WX Y Z= + + = + + =2643 839 882 4364

Projektierung8

0 1 2 3 4 5 6t [s]

v

v

v

X-Achse

Y-Achse

Z-Achse

6100221ADEBild 61: v/t-Diagramme aller drei Achsen


Ausgewähltes Netzmodul: MPB 51A-027-503-00

Nenndaten: PZN = 27 kWPZmax = 54 kWPBRCmax = 38 kWBreite = 4 TE

Forderungen:

a) PZmax ≥ PMotmax

54 kW ≥ 28,7 kW erfüllt

b) PBRCmax > PBmax

38 kW > 16,7 kW erfüllt

c) PZN > P27 kW > 4,4 kW erfüllt

Bremswiderstand

Auswahlkriterien für den Bremswiderstand:

a) PN ED > Pgen

Die ED-Nennleistung des Bremswiderstandes muß größer sein als die mittlere generatorische Bremsleistung.

Zur Prüfung der zulässigen ED-Zeit wird eine Näherung benutzt:

b) Zulässigkeit der Kombination von Bremswiderstand und Versorgungskomponente

Ausgewählter Bremswiderstand: BW 018-035

Nenndaten: PN = 3,5 kWPN bei 25 % ED = 10,25 kW

Forderungen:

a) PN ED > Pgen

10,25 kW > 8,3 kW erfüllt

b) Bremswiderstand zulässig laut Katalog erfüllt

Kühlkörper

Folgende Kriterien müssen bei der Auswahl des Kühlkörpers berücksichtigt werden:

a) Die Gesamtbreite der Summe der verwendeten Module, wobei darauf zu achten ist, daß kein Modul über den Stoß auszwei Kühlkörpern montiert wird.

b) Die maximale Temperatur ϑKKmax des Kühlkörpers (80 °C) darf nicht überschritten werden (unter Berücksichtigungder Umgebungstemperatur).

Erforderliche Breite: MPB 51A-027-503-00: 4 TEMAS 51A-060-503-00: 4 TEMAS 51A-010-503-00: 2 TEMAS 51A-005-503-00: 2 TE

Gesamtbreite: 12 TE

P P P P W W W Wgen gen gen genX Y Z= + + = + + =5951 1575 822 8348

Einschaltdauer ED ED ED EDX Y Z[%] , , , % , %= + + = + + =13

13 119 192 256 189b g b g

Projektierung 8


Gewählte Kühlkörper: 1 × DKS 09 und 1 × DKS 05

Die Montage erfolgt so, daß an jeder Seite des Modulseine TE frei bleibt.

Nenndaten: DKS 09 Rth = 0,17 K/WBreite = 9 TE

DKS 05 Rth = 0,27 K/WBreite = 5 TE

Anteile der Verlustleistung zum Kühlkörper:

PKK = KühlkörperleistungPVSNT = Verlustleistung des Schaltnetzteils im NetzmodulPVL0 = Verlustleistung des NetzmodulsPVLX/Y/Z = Verlustleistung der AchsmoduleI = Mittelwert des Stromes

Berechnung der Erwärmung für Umgebungstemperatur ϑUmg = 30 °C

Hinweis: Die Erklärung der verwendeten Konstanten entnehmen Sie bitte dem Anhang.

Forderungen:

a) 14 TE > 12 TE erfüllt

b) ϑKK09 < ϑKKmax; 63,4 °C < 80 °C erfülltϑKK05 < ϑKKmax 53,7 °C < 80 °C erfüllt

Datenbuskabel und Netzdrossel

Die Anzahl der an das Netzmodul anzuschließenden Achsmodule bestimmt die Länge des Datenbuskabels:

1 MPB + 3 MAS → DBK03

Die Netzdrossel ergibt sich aus der Zuordnung zum Netzmodul in der Montage- und Inbetriebnahmeanleitung.

Netzmodul: MPB 51A-0503-027-00Netzdrossel: ND 045-013Nenndaten: IND = 45 A

LH = 0,1 mH

P P P P

P W W W

PWA

I I IWA

A A A W

KK VSNT VL VLX

VSNT

VL

0912 0

0 1 2 3

12 3 13 51

2 2115 392 234 355

= + +

= + ⋅ =

= ⋅ + + = ⋅ + + =e j ( , , , ) ,

PW

W W WKK09

512

355 161 222= + + =,

∆ϑ

∆ϑ

09

09

09 09

09

017 1965 334

30 334 634

= ⋅ = ⋅ =

= + = + ° = °

R P W K

C C

th KKKW

KK Umg

, , ,

, ,ϑ ϑ b g

P P P I I A A W

R P W K

C C

KK VLY VLZ YWA Z

WA

WA

th KKKW

KK Umg

05

05 05

05

14 14 392 234 14 8764

027 8764 23 7

30 23 7 53 7

05

05

= + = ⋅ + ⋅ = + ⋅ =

= ⋅ = ⋅ =

= + = + ° = °

, , ,

, , ,

, ,

b g

b g

∆ϑ

∆ϑϑ ϑ

richtig

DKS 05DKS 09

MAS

51A-

010-

503-

00

MAS

51A-

005-

503-

00

MAS

51A-

060-

503-

00

MPB

51A-

027-

503-

00

3-00

6200222ADEBild 62: Montage der Kühlkörper

Projektierung8


Zusammenstellung der Komponenten

Getriebemotoren: X-Achse: PSF 701 EB DY 112 LBY-Achse: PSF 401 EB DY 90 MBZ-Achse: PSF 301 EB DY 71 MLB

Achsmodul: X-Achse: MAS 51A-060-503-00Y-Achse: MAS 51A-010-503-00Z-Achse: MAS 51A-005-503-00


Bremswiderstand: BW 018-035

Kühlkörper: DKS 09 und DKS 05


Datenbuskabel: DBK03

Software: MD_SHELL

Projektierung 8


Bestimmung der Verlustleistung

Verlustleistung PVSNT des Schaltnetzteils im Netzmodul:

PVSNT = 12 W + 13 W ⋅ k12 W = Konstante, Verlustleistung des Schaltnetzteils13 W = Konstante, Verlustleistung je angeschlossenes Achsmodulk = Anzahl der angeschlossenen Achsmodule

Verlustleistung PVL0 des Leistungsteils im Netzmodul:

PVL0 = I ⋅ 2 W/AI = Mittelwert des Stromes des Achsmoduls / der Achsmodule2 W/A = Konstante, Verlustleistung je Ampere

Verlustleistung PVL1/2/3 des Leistungsteils im Achsmodul:

PVL1/2/3 = I ⋅ 14 W/AI = Mittelwert des Stromes des Achsmoduls14 W/A = Konstante, Verlustleistung je Ampere

Verlustleistung PVS der Signalelektronik im Achsmodul:

PVS1/2/3 = 40 W ⋅ k40 W = Konstante, Verlustleistung der Signalelektronikk = Anzahl der angeschlossenen Achsmodule

Summe der Verlustleistungen am Kühlkörper:

PKK = 1/2 PVSNT + PVL0 + PVL1 + ...

Verlustleistung PSS im Schaltschrank

Kühlkörper außerhalb montiert: PSS = 1/2 PVSNT + PVS

Kühlkörper im Schaltschrank montiert: PSS = 1/2 PVSNT + PVS + PKK

Leistungsteil

Leistungsteil

Leistungsteil

Leistungsteil

Schaltnetzteil

Signal-elektronik

Signal-elektronik

Signal-elektronik

Netzmodul

Achsmodul Achse 1

Achsmodul Achse 2

Achsmodul Achse 3

1/2 PVSNT 1/2 PVSNT

PVL0

PVS1

PVS2

PVS3

PVL1

PVL2

PVL3

6300224ADEBild 63: Zusammensetzung der Verlustleistung

Anhang


Dimensionierung von Bremswiderständen

Ein Servoumrichter mit Bremschopper benötigt zur Abgabe überschüssiger Bremsenergie einen Bremswiderstand. DerBremschopper ist am Gleichspannungs-Zwischenkreis angeschlossen und schaltet sich selbsttätig bei einem bestimmtenPegel der Zwischenkreisspannung UZ ein. Der am Bremschopper angeschlossene Bremswiderstand nimmt solange Energieaus dem Zwischenkreis auf, bis der Ausschaltpegel der Zwischenkreisspannung erreicht ist. Bei kontinuierlicher Bremsungschaltet der Bremschopper ständig ein- und wieder aus (er choppt).

Der Widerstandswert (Ω) des Bremswiderstandes ergibt sich aus dem maximal zulässigen Bremsstrom des Bremschop-per-Transistors. Für jeden Umrichtertyp wird der zulässige Widerstandswert in den technischen Daten angegeben.

Die Bauleistung (100 % ED-Leistung) des Bremswiderstandes ergibt sich aus der elektrischen Bremsleistung, die nachAbzug der Verluste (Rückwärtswirkungsgrad η‘) in Maschine, Getriebe und Motor in den Servoumrichter zurückfließt. Dadie Bremsleistung meist nicht dauernd, sondern nur zeitlich begrenzt auftritt, ist dieser Aspekt bei der Dimensionierungder Bremswiderstände ebenfalls zu berücksichtigen.

Bei linearen Verzögerungsvorgängen nimmt die Bremsleistung PB mit der Bremszeit tB linear ab. Das heißt, die Spitzen-bremsleistung ist am Anfang der Bremsphase doppelt so hoch wie die mittlere Bremsleistung. Bei einmaligen Bremsvor-gängen innerhalb einer Taktzeit (Wiederholzeit) kann aus der ED-Bremsleistung die daraus resultierende Widerstands-Dau-erleistung (100 % ED-Leistung) über folgendes Nomogramm ermittelt werden:

Beispiel für die Auswahl eines Bremswiderstandes:Eine geforderte Kurzzeit-Bremsleistung von 1 kW erfordert bei einer Einschaltdauer von 10 % einen Bremswiderstandmit einer Dauerleistung von 150 W.

2

20

4

40

6

60

8

80

1

10

100

3 4 5 6 7 8 9 10 20 30 40 50 60 70 80 90100

1003 4 5 10 20 30 40 50 60 80

2

20

4

40

6

60

8

80

1

10

100

0,1

0,2

0,4

0,6

0,8

Einschaltdauer des Bremswiderstandes ED [%]

Kurz

zeit-

Leis

tung

[kW

]

Daue

rleis

tung

(100

%ED

) [kW

]

0,1

0,2

0,4

0,6

0,8

Einschaltdauer des Bremswiderstandes ED [%]6400223ADE

Bild 64: Ermittlung der Kurzzeit-Bremsleistung bei Wiederholzeiten (Taktzeiten ≤ 120 s) aus der Widerstands-Dauerlei-stung (= 100 % ED). Die unteren Kurven (0,1 - 4 kW; siehe rechte Skala “Dauerleistung”) gelten für drahtgewickelteRohrwiderstände, die oberen Kurven (5/9/13/18 kW) für Stahlgitter-Widerstände.

Anhang


Documents

T Praxis der Antriebstechnik Band 7antriebstechnik.fh-stralsund.de/1024x768/Dokumentenframe/Kompendium/... · T Praxis der Antriebstechnik Band 7 Servo-Antriebe Grundlagen, Eigenschaften,