Rapid Control Prototyping für Servodrives
Servodrives (auch Servoumrichter, Umrichter oder einfach Drives genannt) dienen dazu Synchronmotoren (PMSM - Permanent Magnet Synchronous Motor) anzusteuern. Da die Drives für hohe Stückzahlen optimiert sind, werden die verwendeten Prozessoren und Speicher auf minimale Kosten optimiert. Dadurch sind die Möglichkeiten neue Konzepte und Algorithmen zu testen stark eingeschränkt. Dieser Forschungsanteil an der Entwicklungsarbeit ist aber dringend nötig um immer die modernsten Produkte im Markt anbieten zu können.
CENTURIO M Systeme können im Rapid Control Prototyping Verfahren an unterschiedlichste Szenarien angepasst werden. Mit hochperformanten Prozessoren können zahlreiche Algorithmen ohne jeden Optimierungsaufwand implementiert werden. Grafische Entwicklungsumgebungen erleichtern den Algorithmusentwurf. Zahlreiche IO-Module erlauben es beliebige Sensoren im Testaufbau zu verwenden.
Die Hardware
Die Leistungsendstufe
Mehrere Möglichkeiten bestehen, die für einen Motor nötige Leistung zu erzeugen.
Das CM-080-001 ist ein kompaktes IO-Modul welches eine komplette Endstufe beinhaltet. Es ist für Spannungen bis 28V ausgelegt, liefert 4A peak, und enthält auch integrierte Stromsensoren für 3 Phasen.
Soll eine externe Endstufe angesteuert werden, so kann ein CM-050-103 symmetrische PWM Signale auf TTL Niveau erzeugen. Eine Synchronisierung zwischen Regler, PWM und Sensorelektronik ist selbstverständlich. Kundenspezifische Funktionen können wir auf Wunsch implementieren (z.B. auslesen von externer digitaler Hardware).
Die Sensorik
In der grundlegendsten Form werden zwei Stromsensoren und ein Positionssensor benötigt. Sensorlose Systeme haben einen höheren Aufwand in Software und benötigen keinen Positionssensor.
Wird die kompakte Endstufe CM-080 verwendet, so sind die Stromsensoren bereits integriert.
Werden externe Endstufen verwendet, so können über das CM-040-006 Modul 3 Eingänge synchron gesampelt werden. Die Eingänge sind synchronisiert zu den symmetrischen PWM Signalen. Das CM-040-006 Modul hat auch die Fähigkeit mit 1MSps den Verlauf des Stromes aufzuzeichnen. Dies erlaubt einen tiefen Einblick in die Schaltvorgänge und den Stromripple.
Das CM-040-006 kann auch für sensorlose Systeme verwendet werden. Dann werden zusätzlich zu den Strömen noch die 3 Phasenspannungen gemessen.
Für die Kommutierung können unterschiedliche Sensoren verwendet werden. Ob Encoder, SSI, Endat, Heidenhain, ... viele Kombinationen sind möglich. Sofern mehr als ein Sensor nötig ist pro Achse, kann dies durch weitere IO-Module ermöglicht werden.
Nicht direkt für Motorregelung nötig, aber in der Forschung und Entwicklung oft hilfreich, sind Dehnmessstreifen (Kraftmessung), Thermoelemente (Temperatur) oder weitere digitale/analoge IO. Mit CENTURIO M ist dies problemfrei möglich.
Die Software
Matlab® und SciCos können verwendet werden um die Algorithmen zu implementieren. Folgendes Bild zeigt die Implementierung einer Feldorientierten Kontrolle:
Die in grün gehaltenen Blöcke stammen aus der CENTURIO M Toolbox für Matlab. Über Sie wird auf das jeweilige IO-Modul zugegriffen. In diesem Fall ist die kompakte Powerstufe CM-080. Als Positionsfeedback wurde der im Motor verbaute Resolver verwendet. Der Resolver wird von einem CM-070-001 IO-Modul eingelesen.
Die Clarke/Parke-Transformation sowie deren Inversen wurden mit Embedded-Matlab implementiert.
Die PID Regler für die die Regelung der Stromkomponenten Iq/Id wurden in Subsysteme gepackt. So werden Änderungen immer leicht in beide Instanzen übernommen.
Der PID-Regler wurde wieder grafisch implementiert. Da die Regelung von Iq/Id einen starken Einfluss sowohl auf die Dynamik als auch auf andere Parameter wie Torqueripple, Geräuschentwicklung, ... haben, wird hier typischerweise der meiste Aufwand betrieben. Der Einfachheit halber wird in diesem Beispiel ein simpler PID-Regler verwendet:
Die Space Vector Modulation wird wieder in der textbasierten Embedded Matlab Sprache implementiert. Da in der Space Vector Modulation viele if/switch/case Konstrukte stehen, ist eine textbasierte Sprache meist übersichtlicher.
