© 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
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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
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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!
Einleitung:Linearmotoren
Lage- und Geschw.-Bestimmung
Regelungvon Linearmotoren
Anwendungen
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Synchron-Linearmotoren
Standardmotor:Eisenbehafteter Synchronmotor
„Eisenloser“ Synchronmotor
Quelle: Gißler, SPS/DRIVES 2001
Einleitung:Linearmotoren
Lage- und Geschw.-Bestimmung
Regelungvon Linearmotoren
Anwendungen
Vergleich derMotortypen
Kosten Lager-kräfte
Kraft-welligkeit
Kraft /Volumen
Kraft/Motormasse
Kühlung
„eisenbehaftet“ + -- - ++ O +
„eisenlos“ -- ++ ++ - ++ --
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Eisenloser Linearmotor für höchste Dynamik undPräzision
Einleitung:Linearmotoren
Lage- und Geschw.-Bestimmung
Regelungvon Linearmotoren
Anwendungen
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Standard-Linearmotor mit 4 Messsystemen
Maßband für OptischesSystem (20µm)
Maßband für MRSystem (1 mm)
Abtastung der Magnetbahn(Hall- bzw. MR-Sensorik)
(32 mm)
Einleitung:Linearmotoren
Lage- und Geschw.-Bestimmung
Regelungvon Linearmotoren
Anwendungen
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Abtastung der Magnetbahn
Einleitung:Linearmotoren
Lage- und Geschw.-Bestimmung
Regelungvon Linearmotoren
Anwendungen
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Das Messsystem bestimmt maßgeblich� die Systemkosten und� die erreichbare Dynamik.
Herausforderung: Beste Dynamik mit möglichst kostengünstigem Messsystem
Einleitung:Linearmotoren
Lage- und Geschw.-Bestimmung
Regelungvon Linearmotoren
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
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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)
Einleitung:Linearmotoren
Lage- und Geschw.-Bestimmung
Regelungvon Linearmotoren
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
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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
⋅=
⋅=
⋅+=
�∞
−∞=
Einleitung:Linearmotoren
Lage- und Geschw.-Bestimmung
Regelungvon Linearmotoren
Anwendungen
• Lagegeber liefern zwei Spursignale (Sinus- u. Cosinus-Spur)• Auswertung durch Zähler und Feininterpolation (atan, 14bit )
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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 ⋅⋅= �
Einleitung:Linearmotoren
Lage- und Geschw.-Bestimmung
Regelungvon Linearmotoren
Anwendungen
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Performance-Verbesserung durch Spursignalkorrektur
GPOC-Regelungsstruktur (Patent)für Amplitudenkorrektur und Phasenkorrektur ( )Einleitung:
Linearmotoren
Lage- und Geschw.-Bestimmung
Regelungvon Linearmotoren
Anwendungen
2sin)(20
2 εεεπϕ dsn
k ⋅⋅= �
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GPOC Experimentelle Ergebnisse
Performance-Verbesserung durch Spursignalkorrektur
Einleitung:Linearmotoren
Lage- und Geschw.-Bestimmung
Regelungvon Linearmotoren
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
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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
Einleitung:Linearmotoren
Lage- und Geschw.-Bestimmung
Regelungvon Linearmotoren
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.
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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 ...
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Lage- und Geschw.-Bestimmung
Regelungvon Linearmotoren
Anwendungen
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Beschleunigungsvorsteuerung
� Vorsteuerung bis zur Beschleunigung ( = Kraft = Strom)� Vorsteuerung für Reibkräfte� Filter für Phasenverschiebung der Vorsteuergrößen� Dynamik des Führungsverhaltens entspricht der des Stromregelkreises
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Regelungvon Linearmotoren
Anwendungen
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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
Einleitung:Linearmotoren
Lage- und Geschw.-Bestimmung
Regelungvon Linearmotoren
Anwendungen
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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)
Einleitung:Linearmotoren
Lage- und Geschw.-Bestimmung
Regelungvon Linearmotoren
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
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Anwendungsbeispiele von Linearmotoren bei Lust
Lösungen mit „Standard“-Antriebstechnik
� schnelle Handlingapplikationen
� Laserschneiden, Wasserstrahlschneiden
� Verpackungsmaschinen
� Belichtung von Fotoplatten
� Bonding, Bestückautomaten (eisenlose Motoren)
� Materialtransport, Parksystem
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Regelungvon Linearmotoren
Anwendungen
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Anwendungsbeispiele von Linearmotoren bei LustSpezielle Lösungen (Software, Hardware, Engineering)
� Folienstreckmaschine
� Transportsystem im Vakuum
� Neue Bahn Paderborn (Linearmotor als Bahnantrieb)
Einleitung:Linearmotoren
Lage- und Geschw.-Bestimmung
Regelungvon Linearmotoren
Anwendungen
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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
Einleitung:Linearmotoren
Lage- und Geschw.-Bestimmung
Regelungvon Linearmotoren
Anwendungen Die beste Systemlösung entscheidet!Gute Maschinendesigns sind in der Entwicklung!
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