Basierend auf der Analyse der Eigenschaften und Funktionen des Servopositionierungsmoduls FM354 in SIMATIC S7-300 und dem Funktionsprinzip des Rechteckwellen-Permanentmagnet-Synchronmotors werden in diesem Beitrag entsprechende Methoden zur Einstellung und Optimierung der mechanischen Systemparameter vorgestellt. Dies geschieht durch die Analyse des Funktionsprinzips und die konkrete Anwendung des AC-Servopositionierungs-Steuerungssystems auf Basis von SIMATIC S7-300. Die Ergebnisse der Fehlersuche zeigen, dass das aus FM354 und Rechteckwellen-Permanentmagnet-Synchronmotor bestehende Servopositionierungssystem gute dynamische und statische Eigenschaften aufweist. 1 Einleitung Die SIMATIC S7-300 SPS ist ein von Siemens in Deutschland entwickeltes SPS-System. Das System ist modular aufgebaut und lässt sich durch die Kombination und Erweiterung verschiedener Module flexibel gestalten. Es besteht im Wesentlichen aus folgenden Komponenten: (1) Zentraleinheit (CPU); (2) Signalmodul (SM); (3) Kommunikationsprozessor (CP); (4) Funktionsmodul (FM). Zusätzlich kann je nach Kundenwunsch weiteres Zubehör bereitgestellt werden. Aufgrund ihrer Vorteile wie hoher Energieumwandlungseffizienz, geringer Größe, hoher Zuverlässigkeit, großem Drehzahlbereich und guten dynamischen und statischen Eigenschaften werden Permanentmagnet-Synchronmotoren weltweit erforscht. Seit den 1980er Jahren hat die rasante Entwicklung von Permanentmagnetmaterialien, insbesondere von Seltenerd-Permanentmagneten, die Effizienz deutlich verbessert, die Größe reduziert und die Kosten von Permanentmagnetmotoren gesenkt. Laut unvollständigen Statistiken machen Permanentmagnetmotoren 92 % der Gleichstrom-Mikromotoren unter 500 W aus, was die rasante Entwicklung dieser Motoren verdeutlicht. Gleichzeitig hat die Entwicklung der automatischen Steuerungstechnik, insbesondere die Einführung der Vektorregelung für Wechselstrommotoren, die Entwicklung der Frequenzumrichtertechnologie für Wechselstrommotoren maßgeblich vorangetrieben. Die rasanten Fortschritte in der Leistungselektronik haben ebenfalls zu Durchbrüchen bei diesen drei Schlüsseltechnologien geführt, die die Drehzahlregelung von Wechselstrommotoren bisher behindert haben. Dadurch ist die Forschung und Entwicklung von Frequenzumrichtern für Permanentmagnet-Synchronmotoren unumgänglich geworden. Aktuell haben Elektrounternehmen in verschiedenen Ländern, wie beispielsweise Siemens in Deutschland und General Electric in den USA, sukzessive eigene Permanentmagnet-Synchron-Servomotoren und Servoantriebssysteme auf den Markt gebracht und setzen kontinuierlich neue Technologien zur Verbesserung und Weiterentwicklung ein. Dadurch werden Permanentmagnet-Synchron-Servosysteme leistungsfähiger und kostengünstiger. Permanentmagnet-Synchron-Servosysteme haben DC-Servosysteme als Standard abgelöst. Das FM354 ist ein dediziertes Servopositionierungs-Steuermodul und ein Submodul der SPS-Steuerung S7-300. Die S7-300 kommuniziert über den PROFIBUS-Feldbus mit dem FM354. Das FM354 ist speziell für Servopositionierungssysteme mit Rechteckwellen-Permanentmagnet-Synchronmotoren der IFT5-Serie konzipiert und ermöglicht sowohl einfache Punkt-zu-Punkt-Positionierung als auch komplexe Bewegungssteuerung mit extrem hohen Anforderungen an Ansprechverhalten, Genauigkeit und Geschwindigkeit. Abbildung 1 zeigt ein schematisches Diagramm des auf dem FM354 basierenden Servopositionierungssystems. Abbildung 1: Schematische Darstellung der Positioniersystemstruktur. 2. Merkmale des FM354 und Funktionsprinzip des Rechteckwellen-Permanentmagnet-Synchronmotors. 2.1 Das Servopositioniermodul FM354 verfügt über folgende Funktionen: ① FM354 ist ein mikroprozessorgesteuertes Positioniermodul mit analoger Einstellschnittstelle; ② FM354 ist ein leistungsstarkes Servopositioniermodul; ③ Das ​​FM354-Modul wird über das Anwenderprogramm des SIMATIC S7-300-Systems gesteuert; ④ Das FM354-Modul kann Winkel- und Linienpositionierung mittels Servo- oder Open-Loop-Regelung durchführen; ⑤ FM354 verfügt über mehrere Betriebsmodi; ⑥ FM354 verfügt über einen Speicherbereich für Initialisierungsdaten, der nicht leicht verloren geht; ⑦ FM354 hat einen sehr geringen Stromverbrauch im Ruhezustand; ⑧ Das Modul kann durch Initialisierung an die Anforderungen des Anwenders angepasst werden. 2.2 Das FM354-Modul kann die Daten in den folgenden Speicherbereichen initialisieren: ① Maschinendaten (MD); ② Inkrementelle Größendatenblöcke (SM); ③ Werkzeugfehlerdaten (TO). ④ Benutzerdatenblöcke. Diese Daten werden im Nummernbereich von 1001 bis 1239 innerhalb des Datenblocks gespeichert (Benutzerdaten ausgenommen). Die Datenblöcke MD, SM und TO werden an das FM-354-Modul übertragen und im Speicherbereich des FM-354 abgelegt. Die Parameter SM und TO sind optional, sofern die entsprechende Funktion nicht verwendet wird. Benutzerdatenblöcke müssen in der CPU gespeichert werden und können nur online gespeichert werden. Initialisierungsdaten (ohne Benutzerdaten) können auch offline in der CPU generiert, bearbeitet und gespeichert werden. 2.3 Funktionsprinzip eines Rechteckwellen-Permanentmagnet- Synchronmotors Abbildung 2 zeigt ein typisches Antriebssteuerungssystem für einen Permanentmagnet-Synchronmotor, bestehend aus einem Permanentmagnet-Synchronmotor, einem Wechselrichter, einem Positionssensor und einem Steuerungssystem. Ein typisches Steuerungssystem umfasst einen Positionsregler, einen Drehzahlregler und einen Stromregler. Der für die Rechteckwellen-Stromregelung verwendete Positionssensor liefert typischerweise sechs Positionssignale entlang der beiden Polteilungen der Motorrotoroberfläche, versetzt um elektrische Winkel. Jedes Positionssignal triggert einen Leistungstransistor im Wechselrichter und bewirkt dessen Leitfähigkeit innerhalb des in Abbildung 3 dargestellten elektrischen Winkels. Abbildung 3 zeigt das schematische Diagramm der Rechteckwellen-Stromregelung. In Abbildung 3a steuern die Positionssignale die Leitfähigkeit der Leistungstransistoren und , wodurch positive bzw. negative Spannungen (Ströme) an die U-Phasenwicklung angelegt werden. Die Signale schalten und ein und legen so positive bzw. negative Spannungen (Ströme) an die V-Phasenwicklung an. Die Signale steuern die Leitfähigkeit von und und legen so Spannungen (Ströme) an die W-Phase an. Zu jedem Zeitpunkt leiten nur zwei Transistoren (zwei Phasen). Beispielsweise leiten zwischen und , und ihr räumlicher Vektor ist in Abbildung 3b dargestellt. Wenn , wird der Trigger-Leistungstransistor ein- und ausgeschaltet; zwischen und leiten, und ihr räumlicher Vektor ist in der Abbildung dargestellt. Dadurch bildet die Statorwicklung des Motors einen idealen magnetomotorischen Kraftvektor, der im Luftspalt unter elektrischen Winkeln springt, wie in Abbildung 3b dargestellt. Dies ähnelt der Drehstrom-Magnetomotorkraft in einem Drehstrommotor, der mit einer symmetrischen dreiphasigen Sinusspannung versorgt wird. Diese Drehstrom-Magnetomotorkraft treibt den Motorrotor an und bewirkt, dass er sich mit der gleichen Drehzahl wie die Stator-Magnetomotorkraft dreht. Abbildung 3a zeigt außerdem, dass die durch die Zweiphasen-Serienschaltung erzeugte Stator-Magnetomotorkraft während des elektrischen Drehwinkels des Rotors stationär ist und der Magnetomotorkraft (Strom) der vorwärtsleitenden Phase nacheilt. Wird das Positionssignal des Trigger-Leistungstransistors nach der U-Phasen-Achse erzeugt, variiert der Leistungswinkel zwischen und mit einem Mittelwert von . 3 Implementierung des Servopositionierungssystems 3.1 Hardwareaufbau der Steuerschaltung Wie in Abbildung 1 dargestellt, besteht die Hardware der Schaltung aus folgenden Komponenten: ① FM354: verfügt über ein analoges Ausgangssignal zur Ansteuerung des Servopositionierungs-Steuermoduls des Treibers; ② Stromversorgung: liefert das analoge Ansteuersignal und überträgt die erforderliche elektrische Leistung an den Motor; ③ Motor: Der Motor wird von der Stromversorgung mit elektrischer Energie versorgt und treibt die Welle an. ④ Mechanischer Getriebeteil: Er umfasst Welle, Getriebe und Kupplungssystem. ⑤ Encoder (am IFT5-Motor montiert): Der Encoder misst die Wellenbewegung und gibt die Messwerte an das Servopositionierungsmodul FM354 aus. Die Anzahl der vom Encoder gemessenen Impulse ist proportional zum Drehwinkel der Welle. ⑥ Peripherieschaltung: Alle Schaltungen außer den oben genannten werden als Peripherieschaltung bezeichnet. Sie umfasst im Wesentlichen: Endschalter (Sicherheitseinrichtungen) zur Begrenzung des Positionierbereichs, das Programmiergerät (PG) und die Initialisierungssoftware „FM354 initialisieren“. Das Blockdiagramm der Steuerschaltung des AC-Servopositionierungssystems auf Basis des FM354 ist in Abbildung 4 dargestellt. Abbildung 4: Schaltplan der elektrischen Steuerschaltung des Servopositionierungssystems. 3.2 Systemsoftware-Design: Die Initialisierung des Servopositionierungsmoduls FM354 erfolgt durch die Konfiguration des Datenspeichers DB im FM354-Modul. Die Einstellung des Datenblocks „Maschinendaten“ (DB-MD) ist dabei von größter Bedeutung, da dieser unabhängig von der Funktion des Servopositionierungsmoduls FM354 stets benötigt wird, während andere Datenblöcke nur bei Bedarf erforderlich sind. Das FM354-Modul initialisiert die Datenblöcke nur bei Bedarf. Die wichtigsten Initialisierungsparameter des FM354-Servopositionierungssystems sind: Maximalgeschwindigkeit, Beschleunigungs- und Verzögerungsparameter, Verstärkung des Positionsregelkreises und Glättungszeitkonstante. Tabelle 1 zeigt den Zusammenhang zwischen den Einstellungen der mechanischen Parameter und dem Ansprechverhalten. Für die Parametereinstellungen des FM354 sind verschiedene Überprüfungen erforderlich, um deren Eignung festzustellen; gegebenenfalls müssen Anpassungen vorgenommen werden. Abbildung 5 zeigt das Aktivierungs- und Erkennungsblockdiagramm des Treibers. Wie aus dem obigen Prozess ersichtlich, ist die Fehlersuche sehr aufwendig. Abbildung 6 vergleicht die Ansprechverhalten bei unterschiedlichen Parametereinstellungen. Die horizontale Achse in Abbildung 6 vergleicht die Servopositionsregelungsreaktionen bei verschiedenen Parametern. Die horizontale Achse stellt die Zeit in Millisekunden dar, die vertikale Achse eine relative Größe ohne Dimension. Während der Fehlersuche lassen sich zufriedenstellende Parameter nur durch mehrfache Anpassungen und Modifikationen erzielen. Diese Parameter gelten nur für das jeweilige System als optimal. Sobald sich das geregelte System ändert, müssen die Parameter neu eingestellt werden, was sehr aufwendig ist. Daher kann der FM354 neu programmiert werden. Abbildung 7 und 8 zeigen den Phasenstromverlauf des Motors bei 200 U/min (Hinweis: Der Stromverlauf in der Abbildung stellt die Spannung an einem in Reihe mit einem 10-Ohm-Widerstand geschalteten Widerstand dar). Abbildung 9 zeigt den Phasenstromverlauf des Motors bei 1700 U/min (Hinweis: Der Stromverlauf in der Abbildung stellt die Spannung an einem in Reihe mit einem 10-Ohm-Widerstand geschalteten Widerstand dar). 4. Experimentelle Ergebnisse des Motors : Im Versuchssystem wurden die Parameter wie folgt eingestellt: Positionsverstärkung im offenen Regelkreis 1000-fach; Beschleunigung und Verzögerung 2000-fach pro Meter. Die Glättungszeit betrug 300 ms. Die gemessene Mindestdrehzahl erreichte 0,1 U/min, die Höchstdrehzahl 2000 U/min. Der Betrieb im niedrigen Drehzahlbereich war stabil; die Anlaufzeit lag unter 4 Sekunden; es traten keine Drehzahlüberschwingungen auf, und die Positionsüberschwingungen betrugen weniger als 0,5 %; die Positioniergenauigkeit wurde erreicht. Die gemessenen Phasenstromverläufe des Motors sind in den Abbildungen 7 und 8 dargestellt. 5. Fazit: In diesem Beitrag werden Prinzip und Implementierung eines AC-Servo-Positionierregelungssystems auf Basis des intelligenten Moduls FM354 analysiert. Das System zeichnet sich durch folgende Merkmale aus: einen großen Drehzahlbereich, einen stabilen Betrieb im niedrigen Drehzahlbereich, eine hohe Anlaufbeschleunigung und schnelle Reaktionszeit, keine Drehzahlüberschwingungen und sehr geringe Positionsüberschwingungen, eine hohe Positioniergenauigkeit sowie eine flexible und einfache Implementierung. Je nach System können die mechanischen Parameter an die jeweiligen Anforderungen angepasst werden. Die Parameteroptimierung erfordert jedoch wiederholtes Debugging.