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© Lust Antriebstechnik GmbH IEEE Chapter Meeting 2006, Antriebslösungen mit Linearmotoren -1-

Stephan Beineke, Lust Antriebstechnik GmbH

Übersicht

1. Einleitung

2. Lage- und Geschwindigkeitsbestimmung

3. Dynamische Linearmotorregelung

4. Anwendungsbeispiele für Antriebslösungen

Antriebslösungen mit Linearmotoren


Einleitung: Realisierung einer Linearbewegung

Einleitung:Linearmotoren

Lage- und Geschw.-Bestimmung

Regelungvon Linearmotoren

Anwendungen

� rotativer Antriebmit/ohne Getriebe +(a) Riemen(b) Ritzel-Zahnstange(c) Kugelgewinde

� direkte Umsetzungmit Linearmotor


Vor- und Nachteile von linearen Direktantrieben

Prinzipielle Vorteile� höhere mechanische Steifigkeit, weniger Reíbung, keine Lose� höhere Regelgüte (Dynamik, Genauigkeit) verbessert die Qualität

höhere Geschwindigkeiten und Beschleunigungen erhöhen die Produktivität� weniger Komponenten, geringerer Verschleiß, höhere Verfügbarkeit und

Lebensdauer

Prinzipielle Nachteile� sensibler bezüglich Regelung (Umrichter und Messeinrichtung)� höhere Kosten für den Motor (Systemkosten können aber geringer sein!)� keine Möglichkeit zur Kraftübersetzung, größere Verlustleistung� Magnetfelder und Anziehungskräfte (z.B. auf Späne) können stören

Die anwendungsspezifischen Vor- und Nachteile sind entscheidend!




Anwendungen


Synchron-Linearmotoren

Standardmotor:Eisenbehafteter Synchronmotor

„Eisenloser“ Synchronmotor

Quelle: Gißler, SPS/DRIVES 2001




Anwendungen

Vergleich derMotortypen

Kosten Lager-kräfte

Kraft-welligkeit

Kraft /Volumen

Kraft/Motormasse

Kühlung

„eisenbehaftet“ + -- - ++ O +

„eisenlos“ -- ++ ++ - ++ --


Eisenloser Linearmotor für höchste Dynamik undPräzision




Anwendungen


Standard-Linearmotor mit 4 Messsystemen

Maßband für OptischesSystem (20µm)

Maßband für MRSystem (1 mm)

Abtastung der Magnetbahn(Hall- bzw. MR-Sensorik)

(32 mm)




Anwendungen


Abtastung der Magnetbahn




Anwendungen


Das Messsystem bestimmt maßgeblich� die Systemkosten und� die erreichbare Dynamik.

Herausforderung: Beste Dynamik mit möglichst kostengünstigem Messsystem




Anwendungen

Lage- und Geschwindigkeitsbestimmung

Positions- und GeschwindigkeitsbestimmungServoregler CDD3000 (16bit µC + dSMC ASIC, Fixed Point, 30 MHz)

� Verfahren zur Kommutierungsfindung, um auf Absolutwertgeber verzichten zu können (Kostenreduktion)

� Performance-Verbesserung durch Spursignalkorrektur� Performance-Verbesserung durch Beschleunigungssensoren

Servoregler ServoOne (32bit µC, Floating Point, 150 MHz)� NEU Verbesserte Rauschunterdrückung durch Beobachter


Verfahren zur Kommutierungsfindung(SPS/DRIVES 2003)

Aufgabenstellung� Einsatz rein inkrementeller Geber bei Synchronmotoren, um die Kosten zu

reduzieren� Feldorientierte Regelung von Synchronantrieben benötigt die Kenntnis der

Absolutlage des Läufers innerhalb einer Polteilung (Kommutierungswinkel)




Anwendungen

Bekannte Lösungen1. Hall-Sensoren als zusätzliches Absolutmesssystem für die Kommutierung2. Stromeinprägung mit Ausrichtbewegung3. Stromeinprägung mit Kommutierungswinkelregelung4. Auswertung der Ständerinduktivitätssättigung

Eigene Lösungen mit Schwingungsanalyse (Patent)5. Auswertung der Phasenbeziehung6. Bestimmung der maximalen Amplitude


Performance-Verbesserung durch Spursignalkorrektur

Spursignale weisensystematische Fehler auf:• Offset-Fehler (c0≠ 0)

maximal 4%• Amplituden- Differenz

(Re {c -1}≠ 0), maximal 4%• Phasen-Fehler, Phase zw. Sinus und

Cosinus ist nicht exakt 90°(Im {c -1}≠ 0)

• Harmonische Verzerrungen(ck,|k|>1 ≠ 0), typisch THD < 1%

Die dominanten Fehler hängen von c0 und c -1 ab.

Spursignale in komplexer Darstellung

( ) ( ) ( )

( )

( ) ideal 1ε

ε

ε

ε

εεε

j

jk

kk

ba

ecs

ecs

sjss

⋅=

⋅=

⋅+=

�∞

−∞=




Anwendungen

• Lagegeber liefern zwei Spursignale (Sinus- u. Cosinus-Spur)• Auswertung durch Zähler und Feininterpolation (atan, 14bit )


Performance-Verbesserung durch SpursignalkorrekturGPOC = Gain Phase and Offset Correction (Patent)� Online-Korrektur-Verfahren, keine Inbetriebnahme notwendig� wertet das Betragsquadrat der Spursignale durch Kreuzkorrelation

mit der Lage aus

Kreuzkorrelation für Phasenfehler

( )

( ) { } { }

{ } { }��

��

BSpur Offset

sinIm2

ASpur Offset

cosRe2 erPhasenfehl

2sinIm2

differenzAmplituden

2cosRe2

0101

111121

2

22

εε

εεε

ε ε

⋅⋅+⋅⋅+

⋅⋅+⋅⋅+≈

⋅=

−−

∞

−∞=�

cccc

cccccs

ecs jk

kk

2sin)(20

2 εεεπϕ dsn

k ⋅⋅= �




Anwendungen



GPOC-Regelungsstruktur (Patent)für Amplitudenkorrektur und Phasenkorrektur ( )Einleitung:

Linearmotoren



Anwendungen

2sin)(20

2 εεεπϕ dsn

k ⋅⋅= �


GPOC Experimentelle Ergebnisse





Anwendungen

0 0.02 0.04 0.0614

14.5

15

15.5

16

16.5no correction

time [s]

spee

d [m

m/s

]

0 2000 4000 6000 80000

0.2

0.4

0.6

0.8

frequency [Hz]

FF

T a

mpl

itude

[mm

/s]

0 0.02 0.04 0.0614

14.5

15

15.5

16

16.5GPOC

time [s]

spee

d [m

m/s

]

0 2000 4000 6000 80000

0.2

0.4

0.6

0.8

frequency [Hz]

FF

T a

mpl

itude

[mm

/s]1.harmonic

2.harmonic 1.harmonic

1. Harmonische

2. Harmonische 1. Harmonische

mit GPOCohne GPOC


Beobachter zur Drehzahlfilterung

Vergleich• Digitalfilter (PT1) mit• Lastmomentbeobachter

(Einmassensystem)

Vorteile des Beobachters• Antrieb deutlich leiser• keine Phasenabsenkung durch

Filterung• mehr Phasenreserve und

damit mehr Stabilität• höhere Reglerverstärkungen

möglich• besseres Führungsverhalten




Anwendungen

Digitalfilter ohne GPOC

Digitalfilter mit GPOC

Beobachter als Filter

FFT q-Stromsollwert (akustische Geräusche des Antriebs)1. Harm. 2. Harm.

1. Harm.

1. Harm.

2. Harm.

2. Harm.


Regelung von Linearmotoren: Reglerstruktur

Servoregler CDD3000 (16bit µC + dSMC ASIC, Fixed Point, 30 MHz)� Vorsteuerung von Geschwindigkeit und Beschleunigung� Rastkraftkompensation (Anti-Cogging)� Frequenzgangmessung und Notchfilter

Servoregler ServoOne (32bit µC, Floating Point, 150 MHz)� NEU Erweiterte Regelungsstrukturen u.a. mit aktiver

Schwingungsdämpfung, erweiterte Filter ...




Anwendungen


Beschleunigungsvorsteuerung

� Vorsteuerung bis zur Beschleunigung ( = Kraft = Strom)� Vorsteuerung für Reibkräfte� Filter für Phasenverschiebung der Vorsteuergrößen� Dynamik des Führungsverhaltens entspricht der des Stromregelkreises




Anwendungen


0 0.1 0.2 0.3

0

50

100

150

200

250

300

speed feedforward

spee

d [m

m/s

]

0 0.1 0.2 0.3-0.1

-0.05

0

0.05

0.1

time [s]

posi

tion

track

ing

erro

r [m

m]

0 0.1 0.2 0.3

0

50

100

150

200

250

300

speed and accelaration feedforward

spee

d [m

m/s

]

0 0.1 0.2 0.3-0.1

-0.05

0

0.05

0.1

time [s]

posi

tion

track

ing

erro

r [m

m]

referenceactual

referenceactual

Ergebnisse ohne/mit Beschleunigungsvorsteuerung




Anwendungen


05

1015

20

010

2030

4050

60

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

f [Hz]S pe e d [mm/s ]

Spe

ed-R

ippl

e [m

m/s

] 2.harmonic

6.harmonic

4.harmonic4. Harmonische

2. Harmonische

6. Harmonische

Rastkraftkompensation (Anti-Cogging)




Anwendungen

05

1015

20

010

2030

4050

60

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

f [Hz]S pe e d [mm/s ]

Spe

ed-R

ippl

e [m

m/s

]

2.harmonic

4.harmonic

6.harmonic

2. Harmonische

4. Harmonische6. Harmonische

Wasserfalldiagramme der Geschwindigkeitsverläufe(Spektren bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten)

ohne Kompensation mit Kompensation


Anwendungsbeispiele von Linearmotoren bei Lust

Lösungen mit „Standard“-Antriebstechnik

� schnelle Handlingapplikationen

� Laserschneiden, Wasserstrahlschneiden

� Verpackungsmaschinen

� Belichtung von Fotoplatten

� Bonding, Bestückautomaten (eisenlose Motoren)

� Materialtransport, Parksystem




Anwendungen


Anwendungsbeispiele von Linearmotoren bei LustSpezielle Lösungen (Software, Hardware, Engineering)

� Folienstreckmaschine

� Transportsystem im Vakuum

� Neue Bahn Paderborn (Linearmotor als Bahnantrieb)




Anwendungen


Aber es ist noch viel Optimierungspotential vorhanden!� Umsetzung im Servoregler ServoOne

Zusammenfassung

Antriebslösungen mit Linearmotoren ...� werden in Maschinendesigns zunehmend eingesetzt� bekommen immer größere wirtschaftliche Bedeutung� stellen höhere Anforderungen an Servoregler

� erfordern kostengünstige Messsysteme mit guter Auswertung� Regelungstechnik für höchste Dynamik




Anwendungen Die beste Systemlösung entscheidet!Gute Maschinendesigns sind in der Entwicklung!

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