PD2-C-IP CANopen Online Handbuch

Betriebsarten

Allgemein

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Open Loop

Einführung

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

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

Inbetriebnahme

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

  • Im Objekt 2030h (Pole Pair Count) die Polpaarzahl eingeben (siehe Motordatenblatt: Ein Schrittwinkel von 1,8° entspricht bei einem Schrittmotor mit 2 Phasen 50 Polpaaren und von 0,9° entspricht 100 Polpaaren).
  • Im Objekt 2031h (Max Current) den Maximalstrom in mA eingeben (siehe Motordatenblatt).
  • Im Objekt 3202h (Motor Drive Submode Select) das Bit 0 (CL/OL) mit dem Wert "0" belegen.
  • Soll der Takt-Richtungs-Modus angewendet werden, dann Kapitel Takt-Richtungs-Modus berücksichtigen.

Bei Bedarf sollte die Stromabsenkung bei Stillstand des Motors aktiviert werden, um die Verlustleistung und Wärmeentwicklung zu reduzieren. Um die Stromabsenkung zu aktivieren, sind folgende Einstellungen notwendig:

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

Optimierungen

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

  • Strom reduzieren oder erhöhen, siehe Objekt 2031h (Max Current). Zu hohe Drehmomentreserve begünstigt Resonanzen.
  • Die Betriebsspannung unter Berücksichtigung der produktspezifisch zugelassenen Bereiche reduzieren (bei genügender Drehmomentreserve) oder erhöhen. Der zulässige Betriebsspannungsbereich kann dem Produktdatenblatt entnommen werden.
  • Die Regelparameter des Stromreglers über die Objekte 3210h:09h (I_P) und 3210h:0Ah (I_I) optimieren.
  • Anpassen der Beschleunigung, Verzögerung und/oder Zielgeschwindigkeit in Abhängigkeit des gewählten Betriebsmodus:
    Betriebsmodus Profile Position
    Objekte 6083h (Profile Acceleration), 6084h (Profile Deceleration) und 6081h (Profile Velocity).
    Betriebsmodus Velocity
    Objekte 6048h (Velocity Acceleration), 6049h (Velocity Deceleration) und 6042h (Target Velocity).
    Betriebsmodus Profile Velocity
    Objekte 6083h (Profile Acceleration), 6084h (Profile Deceleration) und 6081h (Profile Velocity).
    Betriebsmodus Homing
    Objekte 609Ah (Homing Acceleration), 6099h:01h (Speed During Search For Switch) und 6099h:02h (Speed During Search For Zero).
    Betriebsmodus Interpolated Position Mode
    Mit der übergeordneten Steuerung können die Beschleunigungs- und Verzögerungsrampen beeinflusst werden.
    Betriebsmodus Cycle Synchronous Position
    Über die externen Zielvorgaben "Positionsvorgabe/Zeiteinheit" können die Beschleunigungs- und Verzögerungsrampen beeinflusst werden.
    Betriebsmodus Cycle Synchronous Velocity
    Über die externen Zielvorgaben "Positionsvorgabe/Zeiteinheit" können die Beschleunigungs- und Verzögerungsrampen beeinflusst werden.
    Betriebsmodus Takt-Richtung
    Änderung der Schrittauflösung über die Objekte 2057h (Clock Direction Multiplier) und 2058h (Clock Direction Divider). Beschleunigungs-/Verzögerungsrampen durch Anpassen der Impulsfrequenz optimieren, um den Resonanzbereich möglichst schnell zu durchlaufen.

Closed Loop

Einführung

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

Closed Loop am Beispiel einer Drehzahlregelung:

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

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

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

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

Inbetriebnahme

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

Bei den Plug & Drive Motoren ist es nicht notwendig das Auto-Setup auszuführen, da dieses bereits werksseitig durchgeführt wurde.

Das Bit 0 im 3202h muss gesetzt sein.

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