Motion-Seminar: feldorientierte Servo-Regelung für Stepper & BLDC

| Redakteur: Gerd Kucera

Motion-Seminar zum Controller TMC4671: Der Baustein hat alle notwendigen Regelschleifen in erprobten und verlässlichen State-Machines integriert.
Motion-Seminar zum Controller TMC4671: Der Baustein hat alle notwendigen Regelschleifen in erprobten und verlässlichen State-Machines integriert. (Bild: TRINAMIC)

„Implementieren und Parametrieren einer feldorientierten Regelung für Schritt- und BLDC-Motoren“ lautet das Thema des Motion-Seminars am 18. September 2019 im Vogel Convention Center Würzburg.

Seit mehr als zwei Jahrzehnten verschreibt sich TRINAMIC der Aufgabe, Anwendungsentwicklern den letzten Stand der Technik für die Stromregelung kleiner elektrischer Motoren einfach zugänglich zu machen. In diesem Tagesseminar im VCC Würzburg lernen Anwendungsentwickler, wie sie mithilfe integrierter Servoregler-Bausteine schnell zu einem feldorientiert geregelten Antrieb kommen.

Der Trend zur zunehmenden Automatisierung unserer Umwelt erhöht den Bedarf an energieeffizienten Motoransteuerungen. Der Fokus hat sich dabei von den großen Antrieben, bei denen ein offensichtliches Einsparpotenzial vorliegt, auch zu den kleineren, eingebetteten Antrieben verschoben, für die große Inverter keine Option sind. TRINAMIC hat mit dem Motion Controller TMC4671 eine intelligente Lösung entwickelt, indem dieser alle notwendigen Regelschleifen in erprobten und verlässlichen State-Machines realisieren soll.

Damit wird der Mikrocontroller und dessen Software von allen zeitkritischen Aufgaben entlastet. Alle Regelaufgaben übernimmt der Baustein unabhängig. Der Prozessor liefert lediglich die Initialisierung und danach Zielpositionen und Zieldrehzahlen. Der Chip hat integrierte Analog-Digital-Umsetzer, Lagegeber-Schnittstellen, einen Positionsinterpolator für den Betrieb mit niedrig auflösenden Gebern und eignet sich für Anwendungen wie kollaborative Roboter, Laborautomatisierung und Medizintechnik.

Komponenten wie der TMC4671 machen die feldorientierte Servoregelung für neue Applikationen verfügbar und sorgen für mehr Dynamik und besseren Wirkungsgrad dort, wo es bisher aus Kosten- oder Platzgründen keine Alternative zu Lösungen ohne geschlossenen Regelkreis gab. Das Seminar wendet sich auch an Antriebsentwickler, die von Open-Loop-Lösungen umsteigen oder bisher wenig Erfahrungen mit Antriebslösungen haben, wie solche, die ihre Produkte auf ein neues Effizienzniveau heben müssen.

Den Regler parametrieren statt programmieren

Eines der wichtigen Ziele von TRINAMIC ist es, Entwicklungszeiten für Motoransteuerungen zu minimieren, weshalb alle Algorithmen der feldorientierten Regelung in den Bausteinen bereits implementiert sind. Die Bausteine integrieren die Strommessung sowie die Auswertung verschiedener Motorlage-Gebersysteme. Der Anwender muss lediglich die geeigneten Regler-Parameter für sein System identifizieren. Mit der kostenlos verfügbaren TMCL-IDE wird dem Entwickler dazu ein leistungsfähiges Werkzeug zur schnellen Inbetriebnahme und zur Parametrierung zur Seite gestellt; die Strategien zur systematischen Parametersuche und Optimierung vermittelt das Seminar.

Die Auswahl des geeigneten Gebersystems

Neben optischen Quadratur-Encodern stehen heute eine Vielzahl verschiedener Gebersysteme zur Auswahl: von Hall-basierten Encodern, die das Magnetfeld eines einzelnen Knopfmagneten detektieren, über solche mit komplizierten, hochpräzisen magnetischen Code-Scheiben. Zusätzlich planen nach dem Auslaufen von Schutzrechten mehrere Hersteller mit induktiven Gebersystemen auf den Markt zu kommen.

Für die Servo-Regelung unterstützt die TMC4671-Familie verschiedene Positionsgeber von A/B/N-Inkremental-Encoder über Sinus/Cosinus-Signalen bis zu digitalen und analogen Hall-Sensoren, die nach Bedarf den kaskadierten Reglern zugeordnet werden können. Alle Gebersysteme haben spezifische Stärken, aber je nach Einsatz auch Ihre Schwächen hinsichtlich Auflösung, Genauigkeit und Latenz. Die richtige Auswahl kann maßgebend zur Regelgüte beitragen. Darüber hinaus kann die Encoder-Auswahl die Systemkosten deutlich beeinflussen. Das Seminar vergleicht die unterschiedlichen Bauformen und Konzepte und gibt Hilfestellung zur Auswahl des passenden Gebers.

Motion-Seminar: Im Speziellen wird am 18. September 2019 auch auf die frühe Verwendung der Entwicklungs-Boards eingegangen.
Motion-Seminar: Im Speziellen wird am 18. September 2019 auch auf die frühe Verwendung der Entwicklungs-Boards eingegangen. (Bild: TRINAMIC)

Das Auslegen der Endstufe für Embedded Servo Controller

Die Anforderungen an eine gute Endstufe können vielfältig sein und sich zum Teil diametral zueinander verhalten. Wird bei großen Motorleistungen ein Optimum aus maximal zulässiger Verlustleistung und Die-Fläche der Leistungsschalter angestrebt, so ist vor allem in Embedded-Anwendungen der maximal zulässige Bauraum und der thermische Aspekt der Verlustleistung relevant. Im Sondermaschinenbau dagegen ist der flexible Einsatz derselben Endstufe mit verschiedenen Motorleistungen und sogar verschiedenen Motortypen gefordert. Eine einfache, allgemeingültige Vorschrift zur Wahl der Leistungsschalter und des Strommesssystems gibt es nicht.

Deshalb wird der Entwickler im Seminar lernen, wie er seine Leistungsendstufe für seinen Motor geeignet auslegt und bekommt dazu Richtlinien vorgestellt, wie er auf Anhieb ein thermisch sowie von der elektrischen Signalführung optimales Layout realisiert.

Dreh- und Angelpunkt der Fachveranstaltung ist auch der Baustein TMC6200 (Gate-Treiber).
Dreh- und Angelpunkt der Fachveranstaltung ist auch der Baustein TMC6200 (Gate-Treiber). (Bild: TRINAMIC)

Schnelle Firmware-Entwicklung mit der API und Firmware-Beispiele sowie Entwicklungs-Boards sind weitere Seminarinhalte. Denn regelmäßig trägt in den Projekten die Entwicklung der Firmware entscheidend zur Dauer des Gesamtentwurfs bei. Nicht nur, weil in vielen Unternehmen die Firmware-Ressourcen stark ausgelastet sind, sondern auch, weil sie in der Regel erst nach der Verfügbarkeit erster Prototypen der Elektronik möglich ist. Um diesen Prozess so kurz wie möglich zu halten, gibt TRINAMIC eine Einführung in die Verwendung der API und nennt Firmware-Beispiele. Im Speziellen wird dabei auch auf die frühe Verwendung der Entwicklungs-Boards als Software- Plattform und auf den Transfer des entwickelten Codes auf die Serien-Elektronik eingegangen.

Von der Spezifikation bis zur finalen Ansteuerung

Um einen Einblick in diese neuen Technologien zu geben, veranstalten die Firmen TRINAMIC und MEV in Kooperation mit der ELEKTRONIKPRAXIS das Motion-Fachseminar im Vogel Convention Center Würzburg (18. September 2019). Die Registrierung ist ab 8 Uhr möglich, das Seminar beginnt um 9 Uhr. Produktspezialisten geben eine Einführung zum Thema Embedded-Servoregler-Bausteine und gehen dann auf alle Entwicklungsschritte von der Spezifikation bis zur finalen Steuerung ein. Detailliert wird die Auslegung und Dimensionierung der Endstufe sowie die Strategie zur Parametrierung der Regler nebst schneller Software-Entwicklung mithilfe der Beispiele aus der API von TRINAMIC behandelt. Ein Einblick in aktuelle Produktentwicklungen rundet das Tagesseminar ab. Die Teilnahme am Tagesseminar „Feldorientierte Servo-Regelung für Schritt- und BLDC-Motoren“ ist kostenlos; Voraussetzung ist jedoch die rechtzeitige Anmeldung über die Internet-Seite www.mev-elektronik.com.

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