ECI 1119 und EQI 1131 FS: Die Anbau- und Schnittstellenkompatibilität zu Vorgängerversionen und

ECI 1119 und EQI 1131 FS: Die Anbau- und Schnittstellenkompatibilität zu Vorgängerversionen und Produkten anderer Baureihen ist ein entscheidender Vorteil. Bild: Heidenhain

Anwender von Werkzeugmaschinen, Robotern und Automatisierungstechnik fordern immer leistungsfähigere Lösungen zu möglichst geringen Kosten. Dies kann beispielsweise über den Einsatz dynamischer, kompakter und energieeffizienter Antriebe mit Sicherheitsfunktionen realisiert werden. Durch die verschiedenen Anforderungen der einzelnen Applikationen werden funktional sichere Messgeräte sowohl für den Highend-Bereich der Werkzeugmaschinenantriebe als auch für Standardanwendungen benötigt. Die Anbau- und Schnittstellenkompatibilität zu Vorgängerversionen und Produkten anderer Baureihen ist dabei ein entscheidender Vorteil. Induktive Drehgeber von Heidenhain haben sich als eine Lösung für Standardantriebe in der Automatisierungstechnik entwickelt. So können zum Beispiel mit der rein seriellen Schnittstelle EnDat 2.2 mit bis zu 16 Megahertz Taktfrequenz sehr kurze Regelzykluszeiten von bis zu 32 Mikrosekunden erreicht werden – eine unabdingbare Voraussetzung für eine dynamische Antriebsregelung.

Durch einen neu entwickelten Asic hat Heidenhain nun eine funktional sichere Lösung mit einem induktiv abtastenden Drehgeber auch für die Baugröße 37 Millimeter realisiert. Diese kommt mit nur einem induktiv abtastenden Geber pro Achse aus. Das Messgerät unterstützt den Sicherheits-Integritätslevel SIL 2, Kategorie 3 PL d, mit Zusatzmaßnahmen in der Steuerung bis SIL 3 und Kategorie 4 PL e. Ein zusätzlicher Vorteil ist der mechanische Fehlerausschluss gegen das Lösen der Wellen- und Statoranbindung. Weiterhin wurde die Systemgenauigkeit im Vergleich zur Vorgängergeneration um mehr als den Faktor 2 auf ± 120 Winkelsekunden verbessert. Bedingt durch die verschmutzungstolerante induktive Abtastung zeichnen sich die Geräte außerdem durch eine hohe Robustheit aus. Um Kunden den Einsatz der neuen induktiven Geber ECI 1119 FS (Singleturn) und EQI 1131 FS (Multiturn) so einfach wie möglich zu machen, wurde ein Konzept zum kompatiblen Anbau mit den bereits seit geraumer Zeit im Markt verfügbaren optisch abgetasteten, gelagerten Drehgebern der Baureihe ECN/EQN 11xx FS entwickelt. Durch die dadurch erzielte mechanische und elektrische Kompatibilität ist eine Skalierbarkeit entsprechend der Regelungsanforderungen der Applikation gegeben, und die Anzahl der Motorvarianten kann so minimiert werden. Im Vergleich zur Vorgängergeneration konnten insbesondere auch die zulässigen mechanischen Anbautoleranzen der neuen induktiven Drehgeber stark erweitert werden. Dies vereinfacht die Einhaltung der Anbaumaße für den Motorenhersteller erheblich und erweitert damit die Einsatzmöglichkeiten der Drehgeber.

Zur einfachen Verifikation des mechanischen Anbaus generiert der Geber einen Wert für das Anbaumaß, welcher über die EnDat-Schnittstelle vom Servoumrichter ausgelesen werden kann. Über einen Vergleich mit dem in der Produktspezifikation angegebenen Sollwert kann dann die Güte des Anbaus beurteilt werden.

Die Tests unten geben dem Regelungstechniker und Konstrukteur die notwendigen Informationen, um das optimale Messgerät für die Servoachse auszuwählen…
 
Test 1: Regelgüte
Um den jeweils für die Anwendung am besten geeigneten Geber auszuwählen, ist ein Vergleich der Regeleigenschaften notwendig. Dieser Vergleich wird im Folgenden am Beispiel eines realen Motors durchgeführt. Um eventuelle Einflüsse des Motors so gering wie möglich zu halten, wurde ein Modell mit sehr geringen Rastmomenten für die Messungen gewählt. An der Abtriebswelle des Motors wurde ein hochgenaues Winkelmessgerät (Messgenauigkeit besser als ± 1 Winkelsekunde) montiert, um das Antriebssystem bezüglich Genauigkeit und Drehzahlverhalten beurteilen zu können. Verglichen wurden ein EQI 1130 der Generation 1.2, ein EQI 1131 der Generation 3 und ein EQN 1135 als Highend-Lösung (siehe Tabelle).
EQI 1130 Generation 1.2 EQI 1131 Generation 3
EQN 1135 Generation 2
EQI 1130 Generation 1.2 EQI 1131 Generation 3 EQN 1135 Generation 2
• EnDat 2.1 (18 Bit Singleturn, 12 Bit Multiturn), ≤ 2 MHz Takt• Keine Analogsignale (rein seriell)

• ohne Eigenlagerung

• ohne Unterstützung für Temperaturauswertung

• ± 280 “ Systemgenauigkeit

• Zulässige Axialbewegung der Antriebswelle: ± 0,2 mm

• Vibrationsbelastbarkeit nach EN 60068-2-6: Stator: ≤ 30g, Rotor: ≤ 30g

• für Anwendungen mit geringeren Ansprüchen an Regelgüte und Genauigkeit.

• EnDat 2.2 (19 Bit Singleturn, 12 Bit Multiturn), ≤ 16 MHz Takt• Keine Analogsignale (rein seriell)

• ohne Eigenlagerung

• Auswertung eines integrierten sowie eines extern angeschlossenen Temperaturfühlers

• ± 120 “ Systemgenauigkeit

• zulässige Axialbewegung der Antriebswelle: ± 0,4 mm

• Vibrationsbelastbarkeit nach EN 60068-2-6: Stator: ≤ 40g, Rotor: ≤ 60g

• optimal für moderne Produktionsmaschinen mit funktionaler Sicherheit.

• EnDat 2.2 (23 Bit Singleturn, 12 Bit Multiturn), ≤ 8 MHz Takt• Keine Analogsignale (rein seriell)

• ohne Eigenlagerung

• Auswertung eines integrierten sowie eines extern angeschlossenen Temperaturfühlers

• ± 60 “ Systemgenauigkeit

• zulässige Axialbewegung der Antriebswelle: ± 0,5 mm

• Vibrationsbelastbarkeit nach EN 60068-2-6: ≤ 30g

• für Highend-Antriebe wie z.B. für Werkzeugmaschinen mit funktionaler Sicherheit.

Test 2: Systemgenauigkeit
Als wichtiges Kriterium für die Beurteilung der Eignung für eine bestimme Applikation wurde die Systemgenauigkeit verglichen und bewertet. Für die exakte Positionierung in der Anwendung spielt die Genauigkeit des Drehgebers eine entscheidende Rolle. In der Grafik sind die aufgenommenen Genauigkeitskurven der drei Geber zu sehen. Beim neuen induktiven Geber EQI 1131 konnten gegenüber dem EQI 1130 insbesondere die kurzperiodischen Messabweichungen stark verringert werden. Die höchste Genauigkeit bietet im Vergleich jedoch erwartungsgemäß der optische Geber EQN 1135. Während die Anbautoleranzen beim eigengelagerten EQN 1135 durch die Statorkupplung ausgeglichen werden, gehen sie bei den ungelagerten EQI 11xx direkt in die erzielte Systemgenauigkeit ein. Generell ist bei Messgeräten ohne Eigenlagerung immer zu beachten, dass der mechanische Anbau möglichst optimal ausgeführt werden sollte. Durch die verwendete induktive Rundumabtastung und deren großer Toleranz gegenüber Anbaufehlern ist die erzielbare Systemgenauigkeit besser als bei ungelagerten Drehgebern mit ähnlicher Auflösung und einer Abtaststelle.Systemgenauigkeit
Test 3: Frequenzgang
Die Untersuchungen des dynamischen Verhaltens im Regelkreis wurden mit einer kaskadierten Reglerstruktur durchgeführt. Bei dieser Struktur wird der Regelung der Motorströme ein Drehzahlregler überlagert, welcher ein differenziertes Positionssignal vom Drehgeber als Ist-Größe verwendet. Für eine Positionsregelung wird dieser Anordnung noch ein weiterer Regelkreis überlagert, welcher die Drehgeberposition als Ist-Größe verwendet. Um eine gute Vergleichbarkeit zu gewährleisten, wurden die Regelparameter bei allen untersuchten Gebern exakt gleich eingestellt.
Um eine hohe Dynamik zu erzielen, wurden eine Regelzykluszeit von 100 Mikrosekunden und eine hohe Proportionalverstärkung des Drehzahlreglers (KP = 1400 1/s) gewählt. Die aus dem Differenzenquotienten der Positionswerte des Gebers gebildete Geschwindigkeit wurde nicht zusätzlich gefiltert, um einen Dynamikverlust aufgrund der zusätzlichen Filterlaufzeit zu vermeiden. Aufgrund der generell guten Gruppenlaufzeit (auch als Data Age bezeichnet) der integrierten Signalverarbeitung der Drehgeber (EQI: ≤ 15 µs, EQN: ≤ 2 µs) kann somit auch eine sehr gute Dynamik erzielt werden.
Die Grafik zeigt den Amplitudengang des geschlossenen Drehzahlregelkreises für die drei Geber (Bode-Diagramm). Da alle getesteten Geräte eine im Vergleich zur Zeitkonstante des Drehzahlregelkreises vernachlässigbare Totzeit aufweisen, sind die gemessenen Kurven annähernd identisch. Das Antriebssystem erreicht mit allen drei Drehgebern eine Regelbandbreite von circa 600 Hertz. Es sind keine Resonanzstellen erkennbar. Die erreichbare Dynamik hängt nur von den eingestellten Reglerparametern ab. Die mit Heidenhain-Drehgebern erzielbare große Bandbreite ermöglicht daher die Realisierung leistungsfähiger Systeme, in denen die erzielbare Dynamik des Gesamtsystems nicht vom Messgerät sondern in der Regel von den komplexen mechanischen Regelstrecken limitiert wird.Frequenzgang
Test 4: Gleichlaufverhalten
Die hohe eingestellte Drehzahlreglerverstärkung sorgt dafür, dass mechanische Störeinflüsse auf die Motorwelle gut unterdrückt werden können. Dadurch werden allerdings auch Messabweichungen des Drehgebers stark verstärkt. Bei einem hochwertigen Servomotor spielt dann der Gebereinfluss im Vergleich zu mechanischen Einflüssen des Motors (zum Beispiel Rastmomente) für den Gleichlauf die entscheidende Rolle. Die Grafik zeigt das Gleichlaufverhalten des geregelten Motors bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten. Für Abweichungen von der Solldrehzahl sind vor allem kurzperiodische Positionsabweichungen des Gebers verantwortlich. Die deutlich reduzierte Drehzahlwelligkeit beim neuen induktiven Geber kann primär auf die Verringerung dieser Abweichungen zurückgeführt werden. Der beste Gleichlauf lässt sich aufgrund seiner guten Signalverarbeitung bei hoher Signalperiodenanzahl mit dem optischen Geber erzielen, wobei die Unterschiede zum neuen induktiven Geber vergleichsweise gering sind, sodass letzterer aufgrund seiner robusten Abtastung und höheren Vibrationsbelastbarkeit für Produktionsmaschinen bestens geeignet ist.Gleichlaufverhalten
Test 5: Stromwelligkeit
Im Folgenden wird noch die Stromwelligkeit betrachtet, die zur Beurteilung der Geräuschemissionen und der Energieeffizienz des Antriebssystems herangezogen werden kann. Die drei verglichenen Geber geben allesamt einen hochaufgelösten digitalen absoluten Positionswert aus. Die für die Regelung maßgebliche Singleturn-Auflösung reicht von 18 Bit beim EQI 1130 bis zu 23 Bit beim EQN 1135. Eine begrenzte Auflösung macht sich bei Antrieben als Quantisierungsrauschen der gemessenen Drehzahl bemerkbar. Da für die Geschwindigkeitsbildung die Ableitung der (quantisierten) Position benötigt wird, spielt das Quantisierungsrauschen vorwiegend bei hohen Frequenzen eine Rolle. Vom Drehzahlregelkreis wird dieses hochfrequente Rauschen in den Stromregelkreis eingekoppelt, was zusätzlich zum Messfehler der Stromerfassung zu einer Welligkeit des Ist-Stroms führt und in der Grafik ersichtlich ist. Weiterhin führt eine geringere Genauigkeit des Drehgebers in der Regel auch zu einem erhöhten Stromverbrauch des Antriebes, da dessen Regler versucht, den kurzperiodischen Messabweichungen des Messgerätes zu folgen (größere Stromwelligkeit). Wichtig ist daher die Verbesserung der Systemgenauigkeit bei den induktiv abgetasteten Drehgebern der neuesten Generation 3 im Vergleich zur Generation 1.2, die zu einer verbesserten Regelgüte führt.Stromwelligkeit
Test 6: Positionsrauschen im Positionsregelbetrieb
Für die Positioniergenauigkeit ist je nach Aufgabe zunächst die Genauigkeit und / oder die Reproduzierbarkeit des Drehgebers relevant. Die Positionsabweichung um die Sollposition hat ihre Ursache in den Rauschquellen des Antriebssystems und in der Quantisierung der Messgrößen (Positions-, Drehzahl- und Strommessung). Wenn möglichst schnell eine Position angefahren werden soll, benötigt das hohe Regelverstärkungen im Drehzahl- und Positionsregler. Damit werden aber auch die Fehler der Ist-Werterfassung stärker in den Regelkreis eingekoppelt.
Um im Positionierbetrieb ein möglichst gutmütiges Verhalten zu erreichen, sind also auch hier wieder Geber mit möglichst hoher Signalgüte notwendig, wie sie von Heidenhain verfügbar sind. Um die Unterschiede der drei betrachteten Geber im Positionierbetrieb deutlich darstellen zu können, wurden die Positionsabweichungen (Positionsrauschen) bei konstanter Sollposition gemessen.
Beim Halten einer bestimmten Position der Motorwelle spielt das Rauschen des Gebersignals eine Rolle. Das Rauschen, welches bereits vor der Digitalisierung der Position im Geber vorhanden ist und das Quantisierungsrauschen durch die endliche Positionsauflösung bewirken Istwertabweichungen im Regelkreis. Die Regelung versucht diese durch das Stellen von Momenten auszuregeln, wodurch es im Motor zu kleinen Bewegungen um die gewünschte Position kommt. In der Grafik sind diese Bewegungen dargestellt. Der optische Geber schneidet hier aufgrund der höchsten effektiven Auflösung am besten ab.Positionsrauschen im Positionsregelbetrieb