Verteiltes, modular beliebig erweiterbares Linear-Direktantriebssystem mit hoher Bewegungspräzision
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Verwendungen von Linear-Direktantrieben in Industrieanlagen, wo Materialien bearbeitet und zwischen den Bearbeitungsstationen transportiert werden sollten, gewinnen heutzutage immer mehr an Interesse. Solche Linear-Direktantriebssysteme können sowohl für die Bearbeitung als auch für den Transport der Materialien verwendet werden und ermöglichen eine höhere Produktivität der Anlage, höhere Bearbeitungsgenauigkeit (Qualität) und geringere Wartungskosten im Vergleich zu den herkömmlichen Lösungen, die zusätzliche mechanische Übertragungselemente brauchen. Für hohe Dynamik und große Fahrzeuganzahl bietet der Langstator-Linearantrieb die beste Alternative gegenüber den Kurzstator-Linearantrieb. Der Permanent Magnet Synchron Linearmotor (PMSLM) wird wegen seinem hohen Kraftdichte hier bevorzugt. Die Fahrstrecke ist in vielen einzelnen Statorsegmenten unterteilt und die Fahrzeuge sind bewegliche Magneten. Jedes Statorsegment wird von einem Umrichter gespeist. Das Multiplexen von Umrichtern wäre in diesem Fall nicht vorteilhaft. Um eine große Vielfalt von Anwendungen abzudecken, muss das Linearantriebsystem modular, beliebig erweiterbar sein und das Befahren räumlich gekrümmter und geschlossene Bahnen ermöglichen. Für große Linearantriebsystemen mit z.B. 50 bis 100 Fahrzeugen ist der Einsatz zentralen Fahrzeugreglern nicht möglich. Eine dezentrale Regelung ist nötig, wobei jeder Umrichter von einem Controller gesteuert wird. Der Umrichter zusammen mit dem Controller und der zusätzlichen Elektronik bildet ein Umrichtermodul des Systems. Das Projekt legt die technischen Anforderungen für die Implementierung eines solchen Systems und deren wirtschaftlichen Lösungen dar. Die Gültigkeit dieser Lösungen wurde mit Hilfe einem Versuchsaufbau, der einen kleinen Ausschnitt des großen Gesamtsystems darstellt, nachgewiesen. Als Umrichter wurde ein IPM („Intelligent Power Module“) mit einer Gesamtleistung von 3.7KW verwendet. Es hat sich als zuverlässig und robust, unter den Anforderungen der industriellen Antriebstechnik, bewiesen. Der Betrieb mit der Elektronik des Umrichtermoduls auf Zwischenkreis-Potential (≈-280V) wurde gewährleistet und dadurch die Implementierungsaufwand reduziert (keine LEM-Wandler und keine Optokoppler). In diesem Fall lassen sich die Störungen bei der Strommessung mit Shunt-Widerstände über eine gute Auslegung der Operationsverstärker und ein optimales Platinen-Layout deutlich reduzieren. Dadurch wird ein genauer Regelkreis möglich. Als Controller wurde der DSP TMS320F2812 verwendet. Dieser ermöglicht die notwendige Rechnerleistung mit Festkomma Arithmetik, die gleichzeitige Abtastung von zwei Phasenströmen, die Decodierung von QEP („Quadrature Encoded Pulses“) Signalen und stellt eine Reihe von Peripherieeinheiten zur Verfügung, die zur Kommunikation mit den anderen Umrichtermodulen und mit dem Leitrechner gebraucht werden. Um eine stoßfreie Bewegung des Fahrzeugs entlang der ganzen Fahrstrecke zu ermöglichen, müssen die beteiligten Controller, beim Überfahren zwischen zwei Segmenten, Zustandsvariabeln mit der Zykluszeit der Stromregelung (100µs) tauschen. Es hat sich bewiesen, dass kein industrieller Feldbus diese Aufgabe erfüllen kann. Eine Direktverbindung zwischen den Controllern wurde dafür implementiert. Dieser Datentransfer basiert sich auf dem SPI Protokoll und auf der physikalischen Ebene wurde das differenzielle Datenübertragungsprotokoll RS485 verwendet. Ein Leitrechner wird für die Erzeugung von kollisionsfreien Positions-Sollwerte für die Fahrzeuge benötigt. Dieser wurde mit Hilfe des EtherCAT Feldbus realisiert. EtherCAT ist einen leistungsfähigen und etablierten Feldbus, der auch für Monitoring, Diagnose und Offline Up/Download von Programmen und Parametern benutzt wurde. Der EtherCAT Master ist ein normaler PC mit einer üblichen Netzwerkplatine und jedes Umrichtermodul wurde mit einer EtherCAT Schnittstelle ausgestattet. Der zentrale Bauteil dieser Schnittstelle ist der ASIC ET1100, der dieses Protokoll implementiert. Der ASIC verfügt über eine Mikrocontroller-Schnittstelle, die für die Kommunikation mit dem DSP benutzt wurde. Auf dem Master PC wurde eine Mensch-Maschine Schnittstelle implementiert. Hier ist die Potentialtrennung zwischen dem Master und den Umrichtermodulen sehr wichtig. Weil EtherCAT den IEEE 802.3 Standard auf der physikalischen Ebene verwendet, wurde diese Potentialtrennung auch ohne einen großen Aufwand realisiert. Der Versuchsaufbau besteht aus vier Umrichtermodulen, die eine Fahrstrecke von ca. zwei Meter bilden, und aus einem Fahrzeug. Das System für die Lageerfassung besteht aus einem inkrementellen Sensor und einem Linearmaßstab, der die ganze Fahrstrecke bedeckt. Der Sensor wurde auf dem Fahrzeug montiert und die Lage wurde über eine isolierte RS485 Schnittstelle zu allen vier Umrichtermodulen übertragen. Die dargestellte experimentelle Ergebnisse bestätigen weiterhin, dass ein modular, beliebig erweiterbar Linear- Direktantriebssystem mit einem relativ geringen Aufwand gebaut werden kann und die Erfordernisse und Erwartungen in der Servo-Antriebstechnik erfüllt. Die im Antrag gesetzten Ziele wurden erreicht. Derzeit benötigt das für die Lageerfassung verwendetes Sensorsystem eine Kabelverbindung zwischen dem Fahrzeug und den verteilten Umrichtermodulen. In einem großen System sind kabellose Alternativen für die Lageerfassung nötig. Es gibt dafür drei Möglichkeiten: optische, kapazitive oder magnetostriktive Lagesensoren. Unter diesen bieten die letzte zwei eine attraktive Lösung, weil die optischen Sensoren ziemlich teuer sind. Es ist noch zu klären, welcher von diesen beiden Sensoren, die präzisere und günstigere Lösung für bestimmte Anwendungen bietet. Die Methoden zur Verbesserung der Präzision solchen Sensoren wären auch zu verfeinern.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- „Linear Drives for Material Handling and Processing: Comparison of System Architectures“, 34th annual conference of IEEE, IECON 2008, 10‐13 November, Orlando, Florida, USA
Mutschler P., Silaghiu S.
- „Communication Topology in a Modular Servo‐Drive System based on Long Stator Permanent Magnet Synchronous Motors“, 5th IET international conference, PEMD 2010, 19‐21 April, Brighton, UK
Silaghiu S, Mutschler P.
- „Design, Control and Monitoring of a Synchronous Linear Motor Servo‐Drive System based on Distributed Controllers“, 12th international conference of IEEE, OPTIM 2010, 20‐22 May, Brasov, Romania
Silaghiu S, Mutschler P.
- „Monitoring and Control of a Modular Servo Drive System based on PM Linear Synchronous Motors“, 36th annual conference of IEEE, IECON 2010, 7‐10 November Phoenix, Arizona, USA
Silaghiu S, Mutschler P.
- Design and test of a highly scalable servo drive system based on PM linear synchronous motors. Darmstädter Dissertation 2011
Silaghiu S
