23 | 01 | 2018
Full-size

ESCON: Effiziente Servokontroller für maximale Leistung in der Antriebstechnik

Mit dem ESCON 36/2 DC wurde kürzlich der erste Spross der neuen Servokontroller-Familie von maxon motor vorgestellt. Als äusserst kompakter, leistungsstarker 4-Quadranten PWM-Servokontroller zur An-steuerung von bürstenbehafteten permanentmagneterregten Gleichstrommotoren bis circa 72 Watt verfügt er über eine unübertroffen hohe Leistungsdichte und steht quasi als Synonym für den zurzeit möglichen Miniaturisierungsgrad in der Servokontroller-Technologie.

Der ESCON 36/2 DC verfügt über ausgezeichnete Reglereigenschaften, besitzt einen sehr schnellen digitalen Stromregler mit enormer Bandbreite zur optimalen Motorstrom-/Drehmomentkontrolle. Das driftfreie, gleichzeitig aber extrem dynamische Drehzahlverhalten erlaubt einen Drehzahlbereich zwischen 0 und 150‘000 min-1. Die sehr hohe Bandbreite von Stromregler und Drehzahlregler resultiert aus der hohen Abtastrate für den Motor-strom und die Drehzahl. Die Abtastrate für den Motorstrom beträgt 53.6 KHz, das heisst, dass der Stromregler im Zeitraster von 18.6 µsec gerechnet wird, was bis zu fünf Mal schneller als bei herkömmlichen Kontroller-Systemen ist. Die Abtastrate für die Drehzahl ist 5.36 KHz, das heisst Tachospannung oder Inkrementalgeber-zähler werden etwa alle 186 µsec erfasst. Im Ergebnis bewirken diese schnellen Abtastzeiten geringste Pha-senverschiebungen im Strom- bzw. Drehzahlreglerkreis, was letztlich die enorme Bandbreite ermöglicht.

Der Servokontroller im Miniformat bietet umfangreiche Funktionalitäten mit frei konfigurierbaren digitalen und analogen Ein- und Ausgängen und ist für dynamische Antriebslösungen mit höchsten Anforderungen perfekt auf maxon-Motoren abgestimmt. Der ESCON 36/2 DC kann in diversen Betriebsmodi (Drehzahlregler, Drehzahl-steller, Stromregler) betrieben werden. Über einen analogen Sollwert wird der Servokontroller kommandiert. Dieser kann mittels analoger Spannung, externem oder internem Potentiometer, einem Fixwert oder mittels PWM-Signal mit variablem Tastverhältnis vorgegeben werden. Weitere interessante Funktionalitäten sind bei-spielsweise die drehrichtungsabhängige Freigabe (Enable) oder Sperrung (Disable) der Endstufe oder das Be-schleunigen und Abbremsen mittels definierter Drehzahlrampe. Die Drehzahl kann mittels digitalem Inkremental-Encoder (2 Kanal mit/ohne Line Driver), DC-Tacho oder ohne Geber (IxR Kompensation) geregelt.

Der Servokontroller ist ganz auf eine einfache Inbetriebnahme und komfortable Bedienbarkeit ausgelegt. Über USB-Schnittstelle mit dem PC verbunden wird der Servokontroller mittels der grafischen Benutzeroberfläche «ESCON Studio» einfach und effizient parametriert. Eine Vielzahl von Funktionen und bedienerfreundliche As-sistenten, sowie ein ausgeklügeltes automatisches Verfahren zur Regler-Abstimmung helfen während der Inbe-triebnahme und bei der Konfiguration der Ein- und Ausgänge, Überwachung, Datenaufzeichnung und Diagnose. Eine Erleichterung für den Benutzer ist es ausserdem, dass die in einer Betriebsart nicht benötigten Eingaben nicht extra abgefragt werden. Das Resultat der Zuweisungen und die Verdrahtung des ESCON kann zudem ge-speichert, und auch als Diagramm ausgegeben werden.


Autotuning

Eine Inbetriebnahme und optimale Parametrierung der Reglerparameter und Vorsteuerungsgrössen für ein be-stimmtes System gestaltet sich häufig schwierig, da in der Praxis ein a-priori Wissen über die Parameter des Systems (Massen, Reibungen, etc.) meist nicht vorhanden ist. Eine rechnerische Bestimmung der Regler- und Vorsteuerungsparameter ist damit entweder nicht möglich, oder umständlich und zeitaufwendig. Um diese Problematik zu überwinden, bietet ESCON eine über das ESCON Studio geführte Inbetriebnahme an. Für den Stromregler werden die Stromreglerparameter ermittelt und für den Drehzahlregler anschliessend zusätzlich die Drehzahlreglerparameter automatisch bestimmt.

Das maxon Autotuning ist ein modellbasiertes Selbsteinstellverfahren, das in zwei Hauptschritten erfolgt:

  • Identifikation des Systems
  • Berechnung der Reglerparameter

Die Systemidentifikation erfolgt im Frequenzbereich. Der Frequenzgang der Strecke wird durch ein Dauer-schwingungsverfahren ermittelt. Dazu wird in den Regelkreis ein Zweipunktglied eingefügt, das den nichtlinearen Regelkreis bei geeigneter Wahl der Parameter zu charakteristischen Eigenschwingungen anregt (Abbildung 1). Die Grundschwingungen am Eingang X und am Ausgang Y der Strecke werden gemessen. Deren Verhältnis nach Betrag und Phase liefert einen Punkt des gesuchten Frequenzgangs. Durch einen adaptiven Algorithmus wird die Verstärkung des Zweipunktgliedes automatisch so eingestellt, dass eine stationäre Dauerschwingung am Ausgang der Strecke Y eine bestimmte Amplitude erreicht. Durch passendes Einstellen der Zeitkonstante T des Tiefpasses wird auch die Phasenverzögerung des Systems eingestellt. Mit Änderungen von Verstärkung und Zeitkonstanten können verschiedene charakteristische Frequenzen eingestellt werden. So erhält man weitere Werte nach Betrag und Phase zur Rekonstruktion des Frequenzganges der Strecke. Aus der so berechneten Übertragungsfunktion der Strecke können die Reglerparameter zum Beispiel nach der Methode der Polvorgabe berechnet werden.

Per Knopfdruck können so automatisch die passenden Regelparameter bestimmt werden. Die in der Praxis ge-wonnen Erfahrungen zeigen, dass dieses automatische Einstellverfahren auch bei sehr unterschiedlichen Stre-ckeneigenschaften zuverlässig optimale Reglerparameter liefert.

Dazu können die Reglerparameter je nach Anwendung und Kundenanforderung als „soft“ oder „hard“ parame-triert werden. Die Einstellung „soft“ führt zu einem langsamen aber gut gedämpften Regelverhalten. Im Gegen-satz dazu führt die Einstellung „hard“ zu einem wenig gedämpften aber schnellen Einschwingvorgang auf den Sollwert.


Schutz gegen Überspannung & Co.

Um sich gegen Überstrom, Übertemperatur, Unter- und Überspannung, Spannungstransienten und Kurzschluss in der Motorleitung zu schützen, verfügt der ESCON 36/2 DC über diverse Schutzbeschaltungen. Ebenso ver-fügt er über geschützte digitale Ein- und Ausgänge und eine einstellbare Strombegrenzung zum Schutz von Motor und Last. Motorstrom und Ist-Drehzahl der Motorwelle können mittels analoger Ausgangsspannung über-wacht werden. Der grosszügige Bereich von Eingangsspannung und Einsatztemperatur (-30 bis +81 °C) erlauben einen flexiblen Betrieb in fast allen Antriebsapplikationen; in der Automatisierungstechnik, im Kleingeräte- und Gerätebau oder in der Mechatronik. Für mobile, hocheffiziente und verbrauchsoptimierte Anwendungen bietet der ESCON-Servokontroller mit seinem extrem hohen Wirkungsgrad von 95 Prozent ideale Voraussetzungen für unter-schiedlichste Anwendungsbereiche. Hardwareseitig kommt der ESCON 36/2 DC als „Alles-was-es-braucht-Paket“. So sind beispielsweise für den Betrieb keine zusätzlichen externen Filter oder Motordrosseln notwendig und für die Inbetriebnahme stehen vorkonfektionierte Kabel als Zubehör zur Verfügung.


Zuwachs für die maxon Servokontroller-Familie

Doch damit ist die Entwicklung in der neuen maxon Servokontroller-Familie noch längst nicht abgeschlossen. Nach dem ESCON 36/2 DC für DC Motoren ist in Kürze ein weiteres Mitglied der ESCON Servokontroller-Familie erhältlich: der ESCON 50/5. Diese leistungsstärkere Version für bis zu 50 V Versorgungsspannung und 5 A Motordauerstrom kann per Software, also per ESCON Studio, auf den Betrieb mit DC-Motoren und EC Motoren umgeschaltet werden. EC-Motoren müssen in diesem Fall mit Hallsensoren, optional auch mit Inkremen-talgeber ausgerüstet sein. Funktionell bietet dieser neue ESCON 50/5 die gleichen Eigenschaften bezüglich schneller Regeldynamik, einfacher schneller Inbetriebnahme und Selbsteinstellung der Reglerparameter.

maxon motor ag
Brünigstrasse 220
6072 Sachseln
Tel. 041 666 15 00
Fax 041 666 16 50
www.maxonmotor.com