AC-Servosysteme sind als wichtige Antriebsquellen für moderne industrielle Produktionsanlagen eine unverzichtbare Basistechnologie für die industrielle Automatisierung. Dieser Artikel fasst die aktuellen Entwicklungstrends sowie Forschungs- und Anwendungsergebnisse von AC-Servosystemen zusammen und gibt einen Ausblick auf deren zukünftige Entwicklung. 1.0 Überblick: Aktuell bieten AC-Permanentmagnet-Servoantriebe auf Basis von Seltenerd-Permanentmagneten höchste Dynamik und Drehmomentdichte. Daher geht der Entwicklungstrend bei Antriebssystemen dahin, herkömmliche hydraulische, Gleichstrom- und Schrittmotor-Drehzahlregler durch AC-Servoantriebe zu ersetzen, um eine neue Leistungsstufe zu erreichen. Diese umfasst kürzere Zykluszeiten, höhere Produktivität, bessere Zuverlässigkeit und längere Lebensdauer. AC-Servosysteme spielen als automatische Steuerungssysteme eine entscheidende technologische Rolle und finden daher breite Anwendung in vielen Hightech-Bereichen, wie z. B. in der Laserbearbeitung, Robotik, CNC-Werkzeugmaschinen, der Fertigung von großflächigen integrierten Schaltungen, Büroautomatisierungsgeräten, Radar- und verschiedenen militärischen Waffenservosystemen sowie flexiblen Fertigungssystemen (FMS). 2.0 Leistungsvergleich von Schrittmotoren und AC-Servomotoren Schrittmotoren sind diskrete Bewegungsbauteile und eng mit moderner digitaler Steuerungstechnik verbunden. In aktuellen digitalen Steuerungssystemen finden Schrittmotoren breite Anwendung. Mit dem Aufkommen volldigitaler AC-Servosysteme werden AC-Servomotoren zunehmend auch in digitalen Steuerungssystemen eingesetzt. Um dem Entwicklungstrend der digitalen Steuerung gerecht zu werden, verwenden die meisten Bewegungssteuerungssysteme entweder Schrittmotoren oder volldigitale AC-Servomotoren als Aktoren. Obwohl die Ansteuerungsmethoden (Impulsfolgen und Richtungssignale) ähnlich sind, bestehen signifikante Unterschiede in ihrer Leistung und ihren Anwendungsbereichen. Ein Vergleich ihrer Leistung wird im Folgenden dargestellt. 2.1 Unterschiedliche Ansteuergenauigkeit: Zweiphasige Hybrid-Schrittmotoren weisen typischerweise Schrittwinkel von 3,6° und 1,8° auf, während fünfphasige Hybrid-Schrittmotoren typischerweise Schrittwinkel von 0,72° und 0,36° erreichen. Einige Hochleistungs-Schrittmotoren weisen sogar noch kleinere Schrittwinkel auf. Ein von der Firma Sitong für Drahterodiermaschinen hergestellter Schrittmotor hat beispielsweise einen Schrittwinkel von 0,09°. Der dreiphasige Hybrid-Schrittmotor der deutschen Firma BERGER LAHR hingegen bietet über DIP-Schalter einstellbare Schrittwinkel von 1,8°, 0,9°, 0,72°, 0,36°, 0,18°, 0,09°, 0,072° und 0,036°, die mit den Schrittwinkeln zwei- und fünfphasiger Hybrid-Schrittmotoren kompatibel sind. Die Regelgenauigkeit von AC-Servomotoren wird durch einen Drehgeber am hinteren Ende der Motorwelle sichergestellt. Am Beispiel des volldigitalen AC-Servomotors von Panasonic lässt sich zeigen: Bei einem Motor mit einem Standard-2500-Linien-Drehgeber beträgt der Impulsäquivalentwert aufgrund der im Treiber verwendeten Vierfachfrequenztechnologie 360°/10000 = 0,036°. Bei einem Motor mit einem 17-Bit-Encoder dreht sich der Motor einmal pro 2^17 = 131072 vom Treiber empfangenen Impulsen. Dies entspricht einer Impulsdauer von 360°/131072 = 9,89 Sekunden. Das sind 1/655 der Impulsdauer eines Schrittmotors mit einem Schrittwinkel von 1,8°. 2.2 Niederfrequenzverhalten Verschiedene Schrittmotoren neigen bei niedrigen Drehzahlen zu niederfrequenten Vibrationen. Die Vibrationsfrequenz hängt von der Last und der Treiberleistung ab und beträgt im Allgemeinen die Hälfte der Leerlauf-Anlauffrequenz des Motors. Diese niederfrequenten Vibrationen, die durch das Funktionsprinzip des Schrittmotors bedingt sind, beeinträchtigen den normalen Maschinenbetrieb erheblich. Bei niedrigen Drehzahlen des Schrittmotors sollte daher in der Regel eine Dämpfungstechnologie eingesetzt werden, um die niederfrequenten Vibrationen zu minimieren. Dies kann beispielsweise durch einen Dämpfer am Motor oder durch Mikroschrittbetrieb im Treiber erfolgen. AC-Servomotoren laufen sehr ruhig und vibrieren auch bei niedrigen Drehzahlen nicht. AC-Servosysteme verfügen über Resonanzunterdrückung, die eine unzureichende mechanische Steifigkeit kompensiert. Das System besitzt eine Frequenzanalysefunktion (FFT) zur Erkennung des mechanischen Resonanzpunktes und erleichtert so die Systemjustierung. 2.3 Drehmoment-Frequenz-Kennlinie: Das Ausgangsdrehmoment eines Schrittmotors nimmt mit steigender Drehzahl ab und fällt bei höheren Drehzahlen stark ab. Daher liegt seine maximale Betriebsdrehzahl üblicherweise zwischen 300 und 600 U/min. AC-Servomotoren liefern ein konstantes Drehmoment, d. h. sie liefern bis zu ihrer Nenndrehzahl (üblicherweise 2000 oder 3000 U/min) das Nenndrehmoment und oberhalb der Nenndrehzahl eine konstante Leistung. 2.4 Überlastfähigkeit: Schrittmotoren weisen im Allgemeinen eine geringe Überlastfähigkeit auf. AC-Servomotoren hingegen verfügen über eine hohe Überlastfähigkeit. Das Panasonic AC-Servosystem beispielsweise ist sowohl gegen Drehzahl- als auch gegen Drehmomentüberlastung beständig. Sein maximales Drehmoment beträgt das Dreifache des Nenndrehmoments und kann genutzt werden, um das Trägheitsdrehmoment von Lasten beim Anlauf zu überwinden. Da Schrittmotoren diese Überlastfähigkeit nicht besitzen, wird bei der Auswahl häufig ein Motor mit höherem Drehmoment gewählt, um dieses Trägheitsdrehmoment zu kompensieren. Im Normalbetrieb benötigt die Maschine jedoch kein so hohes Drehmoment, was zu Drehmomentverlusten führt. 2.5 Unterschiede im Betriebsverhalten: Schrittmotoren arbeiten mit offener Regelung. Eine zu hohe Anlauffrequenz oder Last kann leicht zu Schrittverlusten oder Blockieren führen. Eine zu hohe Stoppgeschwindigkeit kann Überschwingen verursachen. Um die Regelgenauigkeit zu gewährleisten, müssen Beschleunigung und Verzögerung daher sorgfältig gesteuert werden. AC-Servoantriebe hingegen arbeiten mit geschlossener Regelung. Der Treiber kann das Encoder-Rückmeldesignal direkt abtasten und so interne Positions- und Geschwindigkeitsregelkreise bilden. Dadurch werden die bei Schrittmotoren häufig auftretenden Probleme mit Schrittverlusten oder Überschwingen vermieden, was zu einer zuverlässigeren Regelung führt. 2.6 Unterschiede im Ansprechverhalten: Schrittmotoren benötigen 200–400 Millisekunden, um aus dem Stillstand auf Betriebsdrehzahl (typischerweise mehrere hundert Umdrehungen pro Minute) zu beschleunigen. AC-Servoantriebe bieten ein besseres Beschleunigungsverhalten. Beispielsweise beschleunigt der Panasonic MSMA 400W AC-Servomotor innerhalb weniger Millisekunden von Stillstand auf seine Nenndrehzahl von 3000 U/min und eignet sich daher ideal für Anwendungen, die schnelle Start-Stopp-Zyklen erfordern. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass AC-Servosysteme Schrittmotoren in vielen Leistungsaspekten übertreffen. 3.0 Klassifizierung von AC-Servosystemen AC-Servosysteme lassen sich anhand ihrer Signalverarbeitungsverfahren in analoge, hybride digital-analoge und volldigitale Servosysteme unterteilen. Sie können außerdem anhand des verwendeten Servomotortyps in zwei Typen klassifiziert werden: Der eine Typ verwendet Permanentmagnet-Synchron-Servomotoren, darunter Rechteckwellen-Permanentmagnet-Synchronmotor-Servosysteme (bürstenlose Gleichstrom-Servosysteme) und Sinuswellen-Permanentmagnet-Synchronmotor-Servosysteme; der andere Typ verwendet Kurzschlussläufer-Asynchronmotoren. Der Unterschied liegt darin, dass Permanentmagnet-Synchronmotor-Servosysteme Magnetpolpositionssensoren benötigen, während Asynchronmotor-Servosysteme eine Komponente zur Berechnung der Schlupffrequenz beinhalten. Wird die Servoregelung mittels Mikroprozessorsoftware realisiert, können sowohl Permanentmagnet-Synchron-Servomotoren als auch Kurzschlussläufer-Asynchron-Servomotoren denselben Servoverstärker nutzen. 4.0 Entwicklung von AC-Servosystemen und Vorteile der digitalen Steuerung Die Entwicklung von Servosystemen ist eng mit den verschiedenen Entwicklungsstadien von Servomotoren verknüpft. Servomotoren blicken auf eine über fünfzigjährige Entwicklungsgeschichte zurück, die sich in drei Hauptphasen unterteilen lässt: Die erste Phase (vor den 1960er Jahren) konzentrierte sich auf hydraulische Servomotoren, die von Schrittmotoren oder direkt angetriebenen Schrittmotoren angetrieben wurden. Hierbei erfolgte die Positionsregelung des Servosystems als offener Regelkreis. Die zweite Entwicklungsphase (1960er- bis 1970er-Jahre) markierte die Geburtsstunde und Blütezeit der DC-Servomotoren. Aufgrund ihrer exzellenten Drehzahlregelung wurden DC-Motoren in vielen Hochleistungsantrieben eingesetzt, und die Positionsregelung von Servosystemen entwickelte sich von offenen zu geschlossenen Regelkreisen. Bei der Anwendung in CNC-Werkzeugmaschinen dominierten Permanentmagnet-Gleichstrommotoren mit ihren einfachen Steuerschaltungen, dem Fehlen von Erregungsverlusten und dem guten Langsamlaufverhalten. Die dritte Entwicklungsphase (1980er Jahre bis heute) fand vor dem Hintergrund der Mechatronik statt. Fortschritte in der Servomotorstruktur, bei Permanentmagnetmaterialien und in der Steuerungstechnik führten zur Entwicklung verschiedener neuer Motortypen, wie z. B. bürstenloser Gleichstrom-Servomotoren (Rechteckwellenansteuerung) und Wechselstrom-Servomotoren (Sinuswellenansteuerung). Zu Beginn der 1980er Jahre hatten die rasante Entwicklung der Mikroelektronik und die zunehmende Integration von Schaltungen einen signifikanten Einfluss auf Servosysteme. Die Steuerungsmethoden von Wechselstrom-Servosystemen verlagerten sich rasch hin zur Mikrocomputersteuerung und von Hardware- zu Software-Servo. Intelligente Software-Servosteuerung wird ein Entwicklungstrend in der Servoregelung werden. Auch die Implementierung von Servosystemreglern in der digitalen Steuerung entwickelt sich von Hardware zu Software; innerhalb des Softwareansatzes entwickelt sie sich vom äußeren Regelkreis des Servosystems zum inneren Regelkreis und weiter zu einer tieferen Ebene, die sich dem Motorregelkreis annähert. Aktuell werden Servosysteme meist digital durch eine Kombination aus Hardware- und Softwaresteuerung geregelt, wobei die Softwaresteuerung in der Regel mit Mikrocomputern realisiert wird. Mikrocomputerbasierte digitale Servoregler bieten gegenüber analogen Reglern folgende Vorteile: (1) Deutlich reduzierte Hardwarekosten. Dank der kontinuierlichen Entwicklung von Mikroprozessoren der nächsten Generation mit höherer Geschwindigkeit und erweiterten Funktionen sinken die Hardwarekosten erheblich. Geringe Größe, niedriges Gewicht und geringer Stromverbrauch sind ihre gemeinsamen Vorteile. (2) Deutlich verbesserte Zuverlässigkeit. Die mittlere Betriebsdauer zwischen Ausfällen (MTBF) von integrierten Schaltungen und großflächigen integrierten Schaltungen ist wesentlich länger als die von diskreten elektronischen Schaltungen. (3) Digitale Schaltungen weisen eine geringe Temperaturdrift auf und sind unempfindlich gegenüber Parametern, was zu einer hohen Stabilität führt. (4) Hardware-Schaltungen lassen sich leicht standardisieren. Durch Abschirmungsmaßnahmen während der Schaltungsintegration können elektromagnetische Störungen durch hohe transiente Ströme und Spannungen in Leistungselektronikschaltungen vermieden und somit die Zuverlässigkeit erhöht werden. (5) Die Einführung der digitalen Mikroprozessorsteuerung verbessert die bidirektionale Informationsübertragung erheblich, vereinfacht die Anbindung an das Hostsystem und ermöglicht jederzeitige Änderungen der Steuerungsparameter. (6) Es kann eine einheitliche Hardware-Schaltung für viele leistungselektronische Systeme entwickelt werden, deren Software modular aufgebaut und zu Steuerungsalgorithmen für verschiedene Anwendungen zusammengestellt werden kann. Softwaremodule lassen sich bei Systemänderungen einfach hinzufügen, modifizieren, löschen oder vollständig aktualisieren. (7) Die verbesserte Informationsspeicherung, Überwachung, Diagnose und hierarchische Steuerung machen das Servosystem intelligenter. (8) Dank der kontinuierlichen Steigerung von Rechengeschwindigkeit und Speicherkapazität von Mikrocomputerchips lassen sich leistungsstarke, aber komplexe Steuerungsstrategien realisieren. 5.0 Entwicklungsstand und Perspektiven von Hochleistungs-AC-Servosystemen In den letzten zehn Jahren hat sich die Leistung von Permanentmagnet-Synchronmotoren rasant verbessert. Im Vergleich zu Induktionsmotoren und herkömmlichen Synchronmotoren haben sich Permanentmagnet-Synchronmotoren aufgrund ihrer Vorteile wie einfacher Steuerung, gutem Langsamlaufverhalten und hohem Kosten-Nutzen-Verhältnis als Standardantriebsmotoren für AC-Servosysteme etabliert. Dies gilt insbesondere für Servosysteme mit geringer und mittlerer Leistung, die hohe Präzisions- und Leistungsanforderungen stellen. AC-Asynchron-Servosysteme hingegen konzentrieren sich weiterhin hauptsächlich auf den Hochleistungsbereich mit geringen Leistungsanforderungen. Seit den späten 1980er Jahren sind mit der rasanten Entwicklung der modernen Industrie die Anforderungen an Servosysteme, eine wichtige Antriebsquelle für Industrieanlagen, stetig gestiegen. Die Forschung und Entwicklung von Hochleistungs-AC-Servosystemen ist daher national wie international ein Konsens unter Fachleuten. Einige Bemühungen haben bereits zu bedeutenden Ergebnissen geführt. Im Bereich der technischen Aspekte konzentrieren sich die Forschungsrichtungen auf die Verbesserung der Motormaterialien, die Optimierung der Motorstrukturen sowie die Steigerung der Leistung und Genauigkeit von Wechselrichtern und Sensorelementen. Im Bereich der technischen Aspekte liegt der Fokus der Forschung auf der Verbesserung der Servosystemleistung durch die Optimierung von Steuerungsstrategien. Beispiele für Fortschritte sind: sensorlose Schätzung von Rotordrehzahl und -position mittels Kalman-Filterung; Verbesserung der PMSM-Rotorstruktur und -leistung durch Hochleistungs-Permanentmagnetmaterialien und -verarbeitungstechniken zur Eliminierung/Reduzierung des Einflusses von PMSM-Drehmomentwelligkeit aufgrund des Rastmoments auf die Systemleistung; Einsatz robuster Gleitmodusregelungsstrategien basierend auf moderner Regelungstechnik zur Verbesserung der Systemanpassungsfähigkeit an Parameterstörungen; Integration nichtlinearer und adaptiver Entwurfsmethoden in die traditionelle PID-Regelung zur Verbesserung der Systemanpassung an nichtlineare Lasten; sowie intelligente regelungsbasierte Motorparameter- und Modellidentifizierung sowie Lastcharakteristikidentifizierung. Bei der Entwicklung von Hochleistungs-AC-Servosystemen ist die Leistungsverbesserung von Servomotoren, Wechselrichtern und zugehörigen Rückkopplungseinrichtungen (sogenannte „harte“ Regelungen) unter bestimmten Bedingungen durch viele objektive Faktoren eingeschränkt, während Regelungsstrategien (sogenannte „weiche“ Regelungen) eine größere Flexibilität bieten. In den letzten Jahren haben neue Entwicklungen in der Regelungstechnik, insbesondere der Aufstieg und die Weiterentwicklung intelligenter Regelungstechnik, in Verbindung mit der rasanten Entwicklung von Computer- und Mikroelektroniktechnologien die Integration fortschrittlicher intelligenter Regelungsstrategien und traditioneller, auf der Regelungstechnik basierender Strategien ermöglicht und damit die Grundlage für deren praktische Anwendung geschaffen. Servomotoren selbst sind Systeme mit gewissen Nichtlinearitäten, starker Kopplung und zeitlich veränderlichen Eigenschaften. Gleichzeitig weist auch das Servoobjekt selbst starke Unsicherheiten und Nichtlinearitäten auf. Darüber hinaus ist das System im Betrieb unterschiedlich starken Störungen ausgesetzt. Daher reichen konventionelle Regelungsstrategien nicht aus, um die Regelungsanforderungen von Hochleistungs-Servosystemen zu erfüllen. Die Kombination neuer Entwicklungen in der Regelungstechnik mit der Einführung fortschrittlicher „kompositer Regelungsstrategien“ zur Verbesserung der Reglerleistung stellt somit einen bedeutenden Durchbruch in der Entwicklung von Hochleistungs-AC-Servosystemen dar. 6.0 Fazit: Das 21. Jahrhundert ist ein neues Jahrhundert und wird zweifellos ein Jahrhundert rasanter Entwicklungen in verschiedenen Wissenschaften und Technologien sein. Es wird angenommen, dass die rasante Entwicklung der Material-, Leistungselektronik-, Regelungstechnik-, Computer- und Mikroelektroniktechnologie sowie die schrittweise Verbesserung der Motorenfertigungsprozesse, begleitet von der kontinuierlichen Modernisierung der Fertigungsindustrie und der rasanten Entwicklung flexibler Fertigungstechnologien und Servoantriebstechnologien – Kerntechnologien der flexiblen Verarbeitungs- und Fertigungstechnologie –, eine weitere große Entwicklungschance eröffnen wird. Zugehörigkeit des Autors: Changchun Chuanggao Trade Co., Ltd. Adresse: Raum 218, Silicon Valley Building, Silicon Valley Avenue, Changchun City, 130012, China. E-Mail: [email protected]