Die Forschung an leistungsstarken, intelligenten, volldigitalen AC-Servoeinheiten und Spindelservoeinheiten, insbesondere an Hochgeschwindigkeitsspindeln und deren Steuerung, ist eine Schlüsseltechnologie für den Aufbau einer umfassenden CNC-Lieferkapazität in China und die Realisierung von Hochgeschwindigkeits- und hochpräzisen CNC-Systemen. Dieser Artikel stellt hauptsächlich ein einheitliches Hardware-Plattformkonzept für Servo und Spindel auf Basis von DSP+FPGA vor und konzentriert sich auf die Energiesteuerungsstrategie basierend auf Leistungsprognosen für Hochgeschwindigkeits- und Hochleistungs-Spindelservoantriebssysteme. 1 Einleitung: Servoantriebe und Spindelantriebe sind die Aktuatoren und Leistungsmechanismen von CNC-Systemen. Eine Hochleistungs-CNC-Werkzeugmaschine muss mit einer Hochleistungsspindel und einem Hochleistungsservo ausgestattet sein, um die Anforderungen an hohe Bearbeitungsgeschwindigkeit und -präzision zu erfüllen. Derzeit verwenden Servoantriebe üblicherweise die PWM-Technologie. Servoantriebssysteme mit PWM-Technologie leiden unter Problemen der unidirektionalen Energieübertragung, was folgende direkte Folgen hat: Beim Bremsen entsteht eine hohe Spannung, die die Betriebssicherheit verringert; die fehlende Möglichkeit zur regenerativen Bremsung schränkt die Anwendungsszenarien und weitere Leistungssteigerungen ein; und die Verwendung von Diodengleichrichtung erzeugt Oberschwingungen im Stromnetz. Die Verbesserung der Stromqualität und -effizienz sowie die Realisierung einer Energierückgewinnungssteuerung sind effektive Maßnahmen zur Reduzierung des Energieverbrauchs und zur Energieeinsparung. Bei Spindelservos mit hoher Kapazität und hoher Drehzahl ist für die Systemintegration zudem die Reduzierung der Kapazität der Energiespeicherkondensatoren und der Gerätegröße erforderlich. Der Ersatz der Diodengleichrichtung durch PWM-Gleichrichtung zur Bildung eines sogenannten CIS (Converter-Inverter-System) ist eine ideale Lösung. Zusätzlich zum bidirektionalen Energiefluss können so Eingangsoberwellen reduziert und ein Leistungsfaktor von 1 oder einstellbar erreicht werden. 2. Offene Servo-Bewegungssteuerungsplattform basierend auf DSP und FPGA: Mit der Einführung offener, vernetzter und systeminterner Programmierkonzepte (ISP) geht der Trend bei der digitalen Implementierung von Servosystemen hin zu Hardware-Vereinheitlichung und -Standardisierung. Dies hat schrittweise zu einem Design geführt, das auf DSP, Mikrocontroller (MCU) und FPGA basiert und das Servo-Vorschubsystem und den Spindelantrieb integriert. Software wird für die Positions-, Drehzahl- und Drehmomentregelung, die V/f-Regelung, die Vektorregelung und ein modulares Design für die sensorlose Vektorregelung eingesetzt. Auf einer einheitlichen Hardwareplattform sind Spindel- und Servofunktionen im System implementiert. Die Netzwerkkommunikation dient der zentralen Systemverwaltung und ermöglicht so eine optimale mechanische Koordination und mehrachsige Synchronsteuerung. Darauf aufbauend wird die in Abbildung 1 dargestellte Hardwareplattform vorgeschlagen. [align=center] (a) Hauptschaltung (b) Strukturdiagramm der Steuerungsplattform Abbildung 1: Hardwarezusammensetzung der Plattform[/align] Die Steuerungsplattform ist in zwei Teile gegliedert: Der DSP bildet das Kernstück der Bewegungssteuerung und implementiert den Steuerungsalgorithmus. CPLD/FPGA dient als Erweiterungskomponente der Plattform und realisiert die verschiedenen Erweiterungsschnittstellen sowie die parallele Verarbeitung aller Logiksignale und Busschnittstellenerweiterungen. Gleichzeitig bietet CPLD/FPGA eine hervorragende Online-Programmierbarkeit, die sich an die Schnittstellenanforderungen verschiedener Anwendungssysteme anpassen und die Anwendbarkeit des Systems verbessern kann. Im Folgenden wird die integrierte Steuerung von Gleichrichter/Wechselrichter auf Basis dieser Plattform vorgestellt. Als Aktor dient ein rotormagnetfeldorientierter Vektorsteuerungs-Wechselstrommotor (VSIM). Der Motor verwendet einen Spindelmotor von Wuhan Dengqi mit einer maximalen Feldschwächungsdrehzahl von 8000 U/min. Da der Zwischenkreis der PWM-Steuerung üblicherweise mit einem großen Kondensator gefiltert wird, sind die Gleichrichtersteuerung und der Wechselrichterteil weitgehend entkoppelt und die Steuerung relativ unabhängig. Die Forschungsergebnisse zum PWM-Gleichrichter werden genutzt, was die schnelle Anwendung dieser Technologie ermöglicht. Im Hinblick auf Systemoptimierung und -vereinfachung haben Wissenschaftler im In- und Ausland in den letzten Jahren umfangreiche Forschungen zur integrierten koordinierten Steuerungsstrategie von CIS-Systemen durchgeführt. Jung et al. schlugen beispielsweise eine Master-Slave-Steuerungsstrategie vor, die die Symmetrie des CIS-Systems durch Feedback-Linearisierung berücksichtigt. Liao entwickelte eine integrierte Strategie basierend auf der Vorsteuerung der Wechselrichter-Eingangsleistung. Gu et al. erreichten die integrierte Steuerung des CIS-Systems durch direktes Ansteuern des Kondensatorstroms auf Null. Diese Arbeit befasst sich mit der Leistungsbilanzstrategie. 3. Integrierte Steuerungsstrategie basierend auf der Kompensationsmethode: Im CIS-System entspricht VSIM der Last von VSR. Die beiden Größen sind durch die folgende Gleichung (1) gekoppelt: P_e ist die Verlustleistung (P_loss) des Netzes, die vom VSR in den VSR eingespeist wird, P_ma ist die Summe aus VSR- und Wechselrichterverlusten und P_l ist die Wirkleistung des Motors, die als Lastleistung bezeichnet wird. Die obige Gleichung zeigt, dass, wenn P_l genau geschätzt und kompensiert werden kann, sodass P_e P_l eng folgt, sichergestellt werden kann, dass P_e mit einer sehr kleinen Kapazität im zulässigen Bereich bleibt. Die integrierte Regelung benötigt keine sehr hohe Bandbreite im Spannungsregelkreis und ist daher praktikabler. Das integrierte Regelungskonzept des CIS-Systems besteht darin, die VSR-Regelungsmethode auszuwählen und die geschätzte Lastleistung in P_l einzubetten, damit P_e P_l schneller folgen kann. 1) Schätzung der VSIM-Eingangsleistung. Das Strukturdiagramm des Vektorregelungssystems für Asynchronmotoren ist in Abbildung 2 dargestellt. [align=center] Abbildung 2 Struktur des Vektorregelungssystems für Asynchronmotoren[/align] Da die Phasenspannung des Vektorregelungssystems für Asynchronmotoren gepulst ist, werden die Wirkleistung des Motors P_ma und die Verluste des PWM-Wechselrichters P_invl üblicherweise als VSIM-Eingangsleistung P_inv bezeichnet. Wie aus Abbildung 2 ersichtlich, kann P_inv durch Messung geschätzt werden, jedoch ist hierfür ein Stromerfassungselement erforderlich. In dieser Arbeit wird die Eingangsleistung mithilfe der Theorie der momentanen Blindleistung nach Akagi Yasufumi geschätzt: (2) Gemäß dem VSIM-Modell des synchronen rotierenden Koordinatensystems und der momentanen Blindleistung beträgt die VSIM-Abtastperiode T. Die Steuerspannung des aktuellen Zyklus kann nur im nächsten Zyklus verwendet werden. Nach der Diskretisierung mittels der Vorwärtsdifferenzmethode lässt sich die Formel (3) zur Ableitungsberechnung herleiten. Die verbesserte Formel zur Schätzung von P_inv lautet (4). Diese iterative Form ist einfach zu implementieren und weist Tiefpassfiltereigenschaften auf. Der Schätzwert von P_inv ist relativ glatt. 2) Schätzung der Umrichterverluste. Die Näherungsschätzung kann auf Basis der vom Leistungsmodulhersteller bereitgestellten Daten erfolgen. Die Gesamtverluste eines einzelnen Brückenzweigs in einem PWM-Zyklus sind (5). Die durchschnittlichen Leistungsverluste in einem PWM-Zyklus sind (6). Die Umrichterverluste des VSR in einem Zyklus T sind (7). Die Umrichterverluste des VSIM in einem Zyklus T sind (8). Beispielsweise verwendet die Gleichrichterbrücke ein einphasiges Halbbrücken-IGBT-Leistungsmodul von Siemens, Modell BSM50GB120DN2. Die durchschnittlichen Leistungsverluste in einem PWM-Zyklus können anhand der typischen Parameter bei 25 °C ermittelt werden. 3) Momentane Leistung des VSR. Die VSR-Regelungsstruktur ist in Abbildung 3 dargestellt. Abbildung 3: Blockdiagramm der VSR-Doppelregelung. Das Blockdiagramm der VSR-Doppelregelung ist in Abbildung 3 dargestellt. In der Abbildung gilt: (9) Unter dem synchron rotierenden Koordinatensystem, das auf den Netzspannungsvektor ausgerichtet ist, ergibt sich die momentane Wirkleistung P_e am Eingang des VSR zu: (10) Die vorgegebene Wirkleistung P_e ist: (11) Gemäß den Auslegungsergebnissen der Strom- und Spannungs-Doppelregelung kann die Übertragungsfunktion der momentanen Wirkleistung ermittelt werden: (12) Dabei ist die Zeitkonstante des VSR-Stromregelkreises, der dem Trägheitselement erster Ordnung entspricht. 4) Regelungsstrategie: Die Vorsteuerung der momentanen Wirkleistung sei hier gegeben. Durch Addition von und als gegebene Wirkleistung P_e erhalten wir die integrierte Regelungsstrategie basierend auf der Kompensationsmethode. (13) Wendet das dreiphasige CIS-System die integrierte Regelungsstrategie basierend auf der Kompensationsmethode an, so ergibt sich gemäß den Gleichungen (9), (12) und (13) das Blockdiagramm der Übertragungsfunktion der momentanen Wirkleistung (siehe Abbildung 4). Aus der Abbildung folgt Gleichung (14): Abbildung 4: Blockdiagramm der Übertragungsfunktion der momentanen Wirkleistung. Aufgrund unterschiedlicher Ausdrücke existieren verschiedene Regelungsverfahren. Hier wird nur kurz ein indirektes Kompensationsverfahren vorgestellt. Dieses Kompensationsverfahren kompensiert lediglich die momentane Wirkleistung P_ma am Motoreingang und nicht die Verluste P_loss. Da es jedoch die Leistungsdynamik berücksichtigt, wird es als indirektes Kompensationsverfahren bezeichnet. Der Ausdruck lautet: (15) Durch Einsetzen der obigen Formel in (14) erhält man (16). P_ma(s) tritt in diesem Ausdruck nicht auf. Es zeigt sich, dass diese Kompensationsmethode P_ma(s) vollständig kompensiert, P_e(s) jedoch nicht. Das Blockdiagramm der Implementierung ist in Abbildung 5 dargestellt: Abbildung 5: Eine Implementierung der Kompensationsmethode. Aus der obigen Abbildung lassen sich die Gleichungen (17) und (18) ableiten. Hierbei ist die aktuelle Übertragungsfunktion des geschlossenen Regelkreises: Durch Einsetzen in die obige Formel erhält man (19). Die indirekte Kompensationsmethode weist folgende Merkmale auf: (1) Die indirekte Kompensationsmethode kompensiert P_ma in einem Schritt, sodass P_e der Änderung von P_ma schnell folgen kann. Dies verkürzt die Ansprechzeit des Regelkreises und beschleunigt die dynamische Ansprechgeschwindigkeit von P_e. (2) Diese einstufige Kompensationsmethode wird durch direkte Änderung und Berücksichtigung der Ableitung von P_ma erreicht. Diese Methode ist mit der Störungskompensationsmethode bei der zusammengesetzten Korrektur konsistent. Abbildung 6: Simulationsergebnisse des integrierten Regelsystems basierend auf der indirekten Kompensationsmethode. Abbildung 7: Experimentelle Ergebnisse des integrierten Regelsystems basierend auf der indirekten Kompensationsmethode. 4. Schlussfolgerung: In diesem Beitrag wird eine einheitliche Hardwareplattform für Servo und Spindel auf Basis von DSP+FPGA vorgestellt. Auf dieser Plattform wurde die integrierte, koordinierte Regelungsmethode für Spindelgleichrichter und Wechselrichter mittels Leistungsprognose untersucht. Simulation und Experiment bestätigten die Machbarkeit des Verfahrens.