Zusammenfassung: Der Servoverstärker der Serie JSQ-200, der mit einem Mikrocontroller als Steuerkern entwickelt wurde, bietet zahlreiche praktische Funktionen (wie Signalausfallschutz, Übersignalschutz, Blockierschutz und elektrische Bremsung). Dadurch werden die Zuverlässigkeit und Sicherheit der Anlage deutlich verbessert und die Regelgüte des gesamten Steuerungssystems optimiert. Schlüsselwörter: Servoverstärker; Mikrocontroller; Schutz; Regelung; Blockierung; elektrische Bremsung . 0. Übersicht: Der Servoverstärker der Serie JSQ-200 (im Folgenden: Servoverstärker) ist die Antriebseinheit für elektrische Aktuatoren. Er empfängt Steuersignale vom Regler oder der Fernbedienung sowie Positionsrückmeldesignale vom elektrischen Aktuator und steuert den Motor so, dass die Differenz zwischen den beiden Signalen minimiert wird. Der Servoverstärker ist die zentrale Einheit, die Steuersignale in die Aktionsabläufe des elektrischen Aktuators umwandelt. Zusätzlich zu den Standardfunktionen herkömmlicher Servoverstärker verfügt der Servoverstärker der Serie JSQ-200 über spezielle Funktionen, die auf die jeweiligen Produktionsanforderungen zugeschnitten sind. Dies optimiert die Regelgüte des Steuerungssystems und erhöht gleichzeitig die Anlagensicherheit. 1. Neue Sonderfunktionen 1.1 Signal-Selbstdiagnosefunktion Der Servoverstärker der Serie JSQ-200 ist mit einem Signalausfall- und Übersignalschutz ausgestattet. In Produktionsumgebungen werden Steuer- oder Rückmeldesignale häufig unterbrochen oder überschreiten die normalen Bereiche (z. B. liegt ein Standardsignal von 4–20 mA unter 2 mA oder über 22 mA). Dies kann durch lose oder unterbrochene Verkabelung mit unzureichender Signalstärke oder durch einen Ausfall eines Leistungstransistors in Geräten (Regler, Computer-I/O-Kanal, Positionsrückmeldegerät usw.) mit zu hoher Signalstärke verursacht werden. Bei Aktivierung der Schutzfunktion des Servoverstärkers wird sichergestellt, dass der Aktor in seiner Ausgangsposition bleibt. Dadurch wird ein vollständiges Öffnen oder Schließen des gesteuerten Aktors aufgrund eines Signalausfalls verhindert und somit der Produktionsprozess nicht unterbrochen. Gleichzeitig wird ein Fehleralarm ausgegeben, um die Bediener zu warnen. 1.2 Blockierschutzfunktion Blockieren (diese Funktion kann online über einen DIP-Schalter ausgewählt werden) ist ein häufiges Phänomen in Produktionsumgebungen. Wenn das Drehmoment der angetriebenen Last das Zugmoment des elektrischen Stellantriebs überschreitet (häufig bei fehlerhafter Stellantriebseinstellung, Nullpunktdrift (Schließen unter 0 % oder Öffnen über 100 %) oder Blockieren durch Geräteblockierung), wird der Motor zwar bestromt, kann die Last aber nicht bewegen. Ein längerer Betrieb des elektrischen Stellantriebs unter diesen Bedingungen kann den Motor oder die elektronischen Schalter beschädigen. Die Blockierschutzfunktion erkennt automatisch, ob das Steuerungssystem blockiert ist. Wird eine Blockierung erkannt, aktiviert sich die Schutzfunktion und gibt gleichzeitig ein Fehlersignal aus, um den Bediener zu warnen. Durch den Einsatz des Servoverstärkers der Serie JSQ-200 entfällt die Notwendigkeit, obere und untere Endschalter am Stellantrieb zu installieren. 1.3 Elektrische Bremsfunktion Die elektrische Bremsfunktion (online über einen DIP-Schalter wählbar) bewirkt, dass der Servoverstärker ein Kommando ausgibt, um das Nachlaufen des Motors nach dem Ausfall der Steuerstromversorgung des elektrischen Stellantriebs schnell zu unterbinden. Die Reduzierung der Nachlaufzeit des Stellantriebs verbessert die Regelempfindlichkeit des Servoverstärkers und damit die Einstellgenauigkeit des gesamten Steuerungssystems. Es reduziert außerdem den mechanischen Verschleiß des elektrischen Stellantriebs und senkt somit die Kosten für dessen Austausch. 1.4 Benutzerfreie Kalibrierung Da die Schaltung Komponenten mit sehr niedrigen Temperaturkoeffizienten verwendet, sind ihre Stabilität und Symmetrie hervorragend. Schaltungsparameter und einige technische Spezifikationen werden per Software festgelegt. Daher müssen Anwender lediglich die Funktionen für die elektrische Bremsung und den Blockierschutz vor Ort per DIP-Schalter auswählen und die „Totzone“ in Verbindung mit dem Stellantrieb einstellen; eine weitere Kalibrierung ist nicht erforderlich. 2. Funktionsprinzip Der Servoverstärker verwendet einen Mikrocontroller als Steuerkern. Er empfängt Steuersignale vom Controller und Positionsrückmeldesignale vom Stellantrieb. Beide Signale werden von Stromsignalen in digitale Signale umgewandelt, die der Mikrocontroller verarbeiten kann. Der Mikrocontroller prüft kontinuierlich beide Signale, um sicherzustellen, dass sie im Normbereich liegen. Sind die Signale im Normbereich, führt er eine Subtraktion durch und vergleicht die Differenz mit der Totzone (d. h. der Empfindlichkeit) (die Größe der Totzone kann online per DIP-Schalter eingestellt werden). Ist die Differenz kleiner als die Totzone, bleibt der Stellantrieb still. Ist die Differenz größer als der Totbereich, dreht sich der Motor in die Richtung, die die Differenz verringert, bis diese wieder unterhalb des Totbereichs liegt. Der Mikrocontroller überwacht während des Motorbetriebs automatisch einen möglichen Stillstand. Dreht sich der Motor über einen längeren Zeitraum in eine Richtung und das Rückmeldesignal bleibt unverändert, wird ein Stillstand angenommen. Die CPU unterbricht dann automatisch die Steuerstromversorgung in der betroffenen Richtung und gibt ein Alarmsignal aus. Der Mikrocontroller überwacht während des Motorbetriebs außerdem automatisch die elektrische Bremsung. Liegt die Signaldifferenz unterhalb des Totbereichs, wird ein Bremsimpuls ausgelöst, der in Verbindung mit der mechanischen Bremsung des elektrischen Aktuators die Auslaufzeit des Motors verkürzt. 3. Hardware-Schaltungsdesign: Der Steuerkern verwendet den Chip der Serie 89C51, einen leistungsstarken 8-Bit-CMOS-Mikrocontroller mit niedriger Spannung und programmierbarem und löschbarem Flash-Speicher (PEROM). Zu seinen Merkmalen gehören: Flash-Speicher, 128 Byte RAM, I/O-Leitungen, 16-Bit-Timer/Zähler, bipolare Interrupt-Quellenstruktur, Vollduplex-Seriell-Port, präziser Analogkomparator, On-Chip-Oszillator und Taktschaltung. Die gesamte Schaltung besteht aus einer CPU, einer Watchdog-Schaltung, einer Signalerfassungsschaltung, einer Ansteuerung und einer Stromversorgungsschaltung. Das Funktionsprinzip der Servoverstärkerschaltung der JSQ-200-Serie ist in Abbildung 1 dargestellt. 3.1 Watchdog-Schaltung Der Servoverstärker ist mit einer speziell entwickelten, software- und hardwareseitig kooperierenden Watchdog-Schaltung ausgestattet, die selbststartend und -rücksetzend funktioniert. Diese gewährleistet im Falle eines Programmabsturzes oder -fehlers eine schnelle und zeitnahe Wiederherstellung des Normalbetriebs (innerhalb von 0,3 Sekunden) und somit den sicheren Betrieb des Geräts. 3.2 Signalerfassungsschaltung Das Steuersignal und das Positionsrückmeldesignal, die in den Servoverstärker gelangen, werden vor der Übertragung an den I/O-Port des Mikrocontrollers mittels optischer Trennung einer Strom-Spannungs-Wandlung, Filterung und A/D-Wandlung unterzogen. Aufgrund zahlreicher Unsicherheiten im Feld und um gegenseitige Störungen zwischen dem Steuersignal und dem Positionsrückmeldesignal am Servoverstärker sowie ein Problem mit gemeinsamer Masse im gesamten Steuerungssystem zu vermeiden, ist die Schaltung vollständig von den beiden Signalerfassungskanälen getrennt. Dies umfasst separate Stromversorgungen für beide Kanäle und den Mikrocontroller. (Siehe Abbildung 2 für die Stromversorgungsschaltung.) 3.3 Leistungsausgangsschaltung Erfahrungsgemäß weist die Leistungsausgangsschaltung anderer Servoverstärkermodelle die höchste Ausfallrate auf. Dies liegt hauptsächlich daran, dass sie eine induktive Last ansteuert, die beim Abschalten des elektronischen Schalters eine induktive Gegenspannung erzeugt. Insbesondere mit steigender Aktorleistung nehmen auch die Motorleistung und die Induktivität zu, wodurch die Wahrscheinlichkeit einer Beschädigung der Leistungsausgangsschaltung des Servoverstärkers durch induktive Gegenspannungen steigt und somit die Lebensdauer des Servoverstärkers verkürzt wird. Die Leistungsausgangsschaltung des Servoverstärkers der JSQ-200-Serie verwendet eine Thyristor-Nulldurchgangs-Triggerung. Das bedeutet, dass der elektronische Schalter die Stromversorgung der induktiven Last im Moment des Nulldurchgangs der Wechselspannung steuert. Dadurch wird die Spannung am Thyristor reduziert, die durch die kombinierte Wirkung der von der induktiven Last erzeugten Gegen-EMK und des Schaltspitzenstroms entsteht. Zusätzlich wird der elektronische Schalter durch einen RC-Absorptions- und Varistor-Entlademechanismus parallel geschützt, wodurch Schäden durch die von der Last beim Trennen des Schalters erzeugte Gegen-EMK minimiert werden. Die Schaltung verwendet einen bidirektionalen Thyristor mit hoher Rückspannungsfestigkeit. Dies verhindert eine Fehlansteuerung des Thyristors durch die von der Last beim Trennen des Schalters erzeugte Gegen-EMK und erhöht somit die Systemzuverlässigkeit. Außerdem wird ein Durchschlag der Gegen-EMK am Thyristor verhindert, was die Zuverlässigkeit des Geräts weiter steigert. Diese Maßnahmen sind äußerst praktisch und effektiv. Feldtests mit Dutzenden von Servoverstärkern der JSQ-200-Serie haben über Jahre hinweg keine Schäden am Ausgangsschaltkreis der Leistungsansteuerung gezeigt. 3.4 Einstellung der dynamischen Zeitkonstante Die dynamische Zeitkonstante des Servoverstärkers ist eine wichtige, aber oft vernachlässigte technische Kenngröße. Ihre praktische Bedeutung ist weder klar erklärt noch definiert und wird in den technischen Daten des Servoverstärkers nicht angegeben. Die dynamische Zeitkonstante des Servoverstärkers bestimmt direkt seine Ansprechzeit und beeinflusst somit die Leistung des Servoverstärkers und die Regelgüte des gesamten Regelsystems. In der Praxis führt eine größere dynamische Zeitkonstante des Servoverstärkers zu einer besseren Signalfilterung, verbesserter Systemstabilität und reduzierten Aktuatorschwingungen. Sie führt jedoch auch zu einer langsameren dynamischen Reaktion und einer größeren Totzone (d. h. einer signifikanten Differenz zwischen Steuersignal und Rückkopplungssignal, die mitunter 3 % übersteigt), was die Regelgüte beeinträchtigt. Umgekehrt weisen manche Servoverstärker übermäßig schnelle Ansprechzeiten auf. Im Moment der Aktuatorbewegung, sobald sich die Positionsrückmeldung zu ändern beginnt, stellt der Servoverstärker die Leistungsabgabe ein. Infolgedessen zerlegt der Aktor eine eigentlich kontinuierliche Bewegung (ca. 1 %) in mehrere oder sogar zehn Einzelbewegungen, wodurch er sich extrem häufig (V2) bei gleichzeitig sehr geringer Bewegung bewegt. Dies beeinträchtigt die Regelgüte des Systems und verkürzt die Lebensdauer der mechanischen Bremsen des Aktors. Die dynamische Ansprechzeit des Servoverstärkers kann nicht unabhängig ermittelt oder getestet werden; sie muss in Verbindung mit vor- und nachgelagerten Systemen geprüft und bestimmt werden. Die dynamische Zeitkonstante des Servoverstärkers JSQ-200 hängt hauptsächlich von der A/D-Wandlungszeit, der Verarbeitungsgeschwindigkeit des Mikrocontrollers und dem Filterkondensator des Signaleingangskanals ab. Sobald die A/D-Wandlungszeit und die Verarbeitungsgeschwindigkeit des Mikrocontrollers bekannt sind, ist die Anpassung des Filterkondensators die primäre Justierungsmethode. Durch umfangreiche Feldtests über mehrere Jahre wurde die dynamische Zeitkonstante des Servoverstärkers der JSQ-200-Serie schließlich bestimmt. 4. Software-Design: Die Software verwendet ein präzises Timing-Programm zur Koordination mit dem Zählvorgang der I/O-Kanäle des Mikrocontrollers. Es liest die Werte des Regelrückkopplungskanals mittels statistischer Zählung aus und führt anschließend Berechnungen und Vergleiche durch, um die Vorwärts- und Rückwärtsausgangsrichtung zu bestimmen. Der Programmablauf ist in Abbildung 3 dargestellt. 5. Fazit: Die mehrjährige Anwendung in der Produktion hat gezeigt, dass dieser Servoverstärker die Stabilitäts- und Geschwindigkeitsanforderungen des gesamten Regelsystems erfüllt. Die Abweichung zwischen Steuersignal und Positionssignal beträgt weniger als 1 %, und die Regelgüte ist im Vergleich zu anderen Servoverstärkermodellen der Branche generell verbessert.