LTI Motion | LTI Motion

in der
ma-Konverter
DeLta-Sig
nik [Teit2f
Servo-Antriebstech
und
an diePositioniergenauigkeit
werdenhöchsteAnforderungen
vonServomotoren
Bei derRegelung
Beitragleisten,wie der
könnenhierzueinenwesentlichen
Dynamik gestellt.Delta-Sigma-Konverter
Ausgabe
3-2012derKonstruktionveröffentlicht).
ersteTeilwurdeinder
folgendeBerichtaufzeigt(der
ENoBderStrom-
wertung den
nicht genügt.
Anforderungen
bei ausmessung
N
I
J
ED
=
ln der Antriebstechnik ergeben sich zwei ideale Anwendungsfelder für die Messung
von Analoggrößen mit DeltaSigma-Technik: Die Stromerfassung und die Auswertungeines
Bähr
Dr.-Ing.Alexander
Dr.-Ing.ChristianGröling
Dipt.-Ing.StefanZink
Dr.-Ing.StephanBeineke
atle: LTi Drives,Lahnau
Kontakt:
LTiDrivesGmbH
Gewerbestr.5-9
J 5 b J JL a n n a u
Tet.:0 64 47/9 66-0
Fax:0 64 41/9 66-137
E-Mait:info@[t-i.com
www.[t-i.com
36
der
bareBandbreite
5 Strommessung
mit Delta-SigmaWandlern
bei
Stromregelung
16 kHzPWM,siehe
Bild 4 zeigt die ENOB der
Strommessungbei ausgeschalte-+- ENOB12-bitADC
ter tndstu[e. Wie erwartersteigt
die ENOB bei Reduzierung der
+Bandbreite
Filter-Grenzfrequenz. Ein Ver'ö
gleichmit abtastendenAD-WandIT
tt
lern, bei denendasHardwarefilter
c
6
eine festeFiltergrenzfrequenzvon
!t
23kHz aufweist, zeigt deutiich,
dass bei gleicher Dynamik eine
höhere ENOB bzw. bei höherer
Dynamik die gleicheENOB zu erzielen ist.
Niedrige Grenzfrequenzenreduzieren die erreichbareDynamik
Resolvers als Lage- und Dreh- von analogenSignalenin gestör- der Stromregelung.Der Einfluss
bestimmen,
Iässtsich rechnerisch
tem Umfeld entstehen.
zahlgeber.
Der Resolverhat als robustes, da die Auslegung der StromreDie Messung der Motorströme erfolgt konventionell mit kostengünstiges Positionsmess- gelung in Abhangigkeit der unterpotentialtrennendenStromwand- system weite Verbreitung gefun- lagerten Verzögerungszeiten,die
lern, die z. B. unter Ausnutzung den. Ein Resolverwird mit einer sich aus der Rechentotzeit,einem
des magneto-resistiven Effekts Wechselspannung (,,Erregung") Abtast/Haltevorgang aufgrund
oder desHall-Effektsden Phasen- gespeist,die transformatorischan der PWM und der Filterzeitkonstrom in ein proportionalesMess- zwei Empfängerspulen A und B stantenzusammengesetzt,erfolgt.
Die Auslegungder Stromregesignal umsetzen.Das Messsignal übertragen wird. Der Übertrahangt wesentiich von der
lung
proportional
wird auf A./D-Wandler geleitet gungsfaktorist dabei
rrnrl ahocta<tet
zu Sinusund Cosinusdes aktuel- Schaltfrequenzab. Als Beispiel
In einem Versuchsaufbau len Motorwinkels, so dassim Ser- werden nachlolgend 16 kHz
wurde die Strommessungfür zwei voregler durch Bildung des PWM und 16 kHz Stromregeltakt
von bei optimiertem Rechenschema
Strömezum Testauf einen Deita- 4-Quadranten-Arcustangens
B und A der Motorwinkel be- vorausgesetzt,d. h. die PWM ist
Sigma-Wandlergeführt.
nach 31,25 ps fertig berechnet.
Alternativ dazu sind auch stimmt werden kann.
sind die- Die Auslegungder Stromregelung
Die Resolversignale
Delta-Sigma-Wandler mit intejenigen
erfolgt nach dem Betragsoptiim
Servosystem,
Signaie
grierter Potentialtrennung durch
mum; die resultierendePhasenreund
Genauigkeit
die
bei
denen
magnetische
Optokoppler oder
Übertrager auf dem Markt, die Ruhe der Signale am bedeutend- servevon 61oentspricht dabei eieine Aiternative zu den oben ge- sten ist. Oft wird durch die Resol- ner eher moderatenEinsteilung.
Das Ergebnisist als rote Kurve
nannten analogen Potentialtren- verauswertung die Dynamik des
nungen darstellen. Hier werden gesamtenAntriebs begrenzt,oder in Bild 4 dargesteiit.Es zeigt sich
etliche konstruktive Probleme es muss auf kostspieligereopti- oberhalb von 20 k}fz Filterumgangen.die in der konventio- sche Messsysteme ausgewichen Crenzfrequenznur etn geringer
nellen Technik bei der Führung werden, weil die Resoiveraus- Einfluss auf die erreichbareBand--.-ENOB At-Messung
4 Einleitung
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geschalteter
Endstufe. rot - erreich-
Text
KonstruktionAprit 4-2012
breite, so dass20 kHz einen guten
Kompromiss zwischen effektiver
Auflösung und Bandbreite..,darstellt. Bei geringeren Schaltfrequenzen verschiebt sich dieser
Punkt zu geringeren Werten, da
die durch die Abtastung bedingte
Totzeit im Stromregelkreis dann
zunimmt und die erreichbareDynamik limitiert.
Genauigkeit
der
Spursignaleder
Resolver-Auswertung. SpurA ist
naheNull,SpurB
voll ausgesteuert
6 Resolver-Auswertung
mit Delta-SigmaWandtern
Bild 5 zeigt das Messergebnis
für die ENOB der Resolver-Auswertung mit Delta-Sigma-Wandlern bei unterschiedlichen Filterbandbreiten. Dabei wurde die Motorstellung so gewähit, dass das
Spursignal A nahe Null und das
Spursignal B maximal ausgesteu- die geringereAmplitude aufweist.
ert ist. Wieder steigt die effektive Die Eigenschaften der MesstechAuflösung, je geringer die Grenz- nik können also gut ausgenutzt
frequenz der Filterung ausgelegt werden, da stetsdas Signalmit der
wird.
besserenAuflösung das Ergebnis
Zv.sätzlich fallt auf, dass die dominiert.
Genauigkeit der gering ausBei der Auslegung der FiltegesteuertenSpur erheblich besser rung [ür die Resolversignale
ist zu
ist. Hier werden weit über 12 Bit beachten,dassbei einer Grenzfreerreicht. Diese Eigenschaft resul- quenz unterhalb der Erregerfretiert aus der nichtlinearen Ar- quenz die Amplitude des Resolbeitsweise der
Delta-Sigma- versignals selbst gedämpft wird,
Wandler. Stellt man nun eine die relative Genauigkeit dadurch
Fehlerbetrachtung
des Positions- reduziert und somit die Auswerwinkels in Abhängigkeit von den tung verschlechtert.
Fehlern in den Spursignalen an,
Die erreichte Genauigkeit der
so lässt sich zeigen, dassstets die Drehzahlmessungist in Bild 6 darCenauigkeitdesjenigenSpursig- gestellt: Ein klares Optimum ist
nals stärker ins Gewicht fallt, das bei 9 kHz Grenzfrequenzerkenn-
bar. Als Referenzfür den Standder
Technikwird eine Messungmit abtastenden 12 Bit ADCs und einer
performantenanalog ausgeführten
Slnchrongleichrichtung verwendet, bei der Fiiter mit einer Grenzfrequenz von 2,2 kHz eingesetzt
werden. Die Messung mit DeltaSigma-Technikist dem bisherigen
Ergebnisdeutlich überlegen.
Die Auswirkung der Filterung
auf die Dlnamik des Drehzahlregelkreises könnte nun wiederum rechnerisch dargestellt
werden. Tatsacheistjedoch, dass
sich bei der Reglereinstellungvon
Resolverantrieben in aller Regel
die Geräuschentwicklung des Antriebs limitierend auswirkt und
nicht die Stabilitatsgrenze.Daher
werden übliöherweise in der
Reglersoftwarezusätzliche Drehzahlfilter mit Zeitkonstanten im
Bereich von I ms (Bandbreite
160 Hz) oder ein Drehzahlbeobachter eingestellt; die Verzögerung der Filterung des Bitstreams
fallt damit nicht ins Gewicht.
Um das Verhalten im Regelkreis darzustellen, wurde ein
LST220-Synchronmotor
mit
16 kW Nennleistung ausgewählt.
Bei großen Antrieben sind generell hohe Tiägheitsmomente zu
bewegen, was bei der Auslegung
des Drehzahlreglers eine hohe
Verstärkung erfordert. Diese wird
in der Praxis oft limitiert durch
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-r-o(N) 12-bitADC
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Standardabweichung
der Drehzahtvor Drehzahlfilterbei 1-po1-
Zeit [s]
Resolverauswertung
im geschlossenen
Regelkreis
paarigemResolverund 8 kHzAbtasttaktder Geberauswertung
Konstruktion April 4-2012
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