Feldorientierte Regelung

In den Extended Operation Modes wird der Schrittmotor wie ein Servomotor nach dem Prinzip der Feldorientierten Regelung betrieben.

Funktion

Das Betriebsverhalten des Motors entspricht dabei dem Verhalten eines traditionellen Gleichstrommotors, bei dem die Kommutierung über einen mechanischen Kommutator erfolgt. Das Drehmoment der Gleichstrommaschine ist bei konstantem Erregerfeld direkt proportional zum Statorstrom und kann über diesen direkt beeinflusst werden. Das Erregerfeld wird je nach Maschinentyp durch Permanentmagnete oder z. B. bei einer fremderregten Gleichstrommaschine über eine separate Erregerwicklung erzeugt.

Feldorientierte Regelung 1:
Koordinatentransformation der Feldorientierten Regelung

Bei Servomotoren und auch beim Hybridschrittmotor besteht zunächst kein direkter Zusammenhang zwischen den Phasenströmen und dem Drehmoment. Die Entkopplung von Feld und Drehmoment wird über die so genannte Park-Transformation mathematisch vorgenommen. Dabei werden aus den Phasenströmen zwei Stromkomponenten, „d“, für „direkt“ in Feldrichtung und „q“ für „quadratur“ in drehmomentbildender Richtung, berechnet. Über die drehmomentbildende Stromkomponente iq kann das Drehmoment der Maschine nun wie bei der Gleichstrommaschine direkt geregelt werden.

Voraussetzung ist, dass die Position des Rotors in ausreichend hoher Genauigkeit zur Verfügung steht. Beim Schrittmotor sollte die Encoder-Auflösung, um eine ausreichende Positioniergenauigkeit zu erreichen, mindestens 4000 Inkremente pro einer mechanischen Umdrehung betragen. Weiterhin ist die Mindestauflösung des Encoders von der Anzahl der Vollschritte abhängig und kann näherungsweise wie folgt berechnet werden.

Feldorientierte Regelung 2:
Berechnung der Auflösung

Kommutierungsfindung für Extended Operation Modes

Da die Istposition bei Inkremental-Encodern nicht absolut vorliegt, besteht beim Systemstart kein direkter Bezug zur Position des Rotors, der für den feldorientierten Betrieb erforderlich ist. Der Bezug der Istposition zur Rotorposition muss daher beim Systemstart über eine Kommutierungsfindung hergestellt werden. Während dieses Vorgangs wird der Rotor mehrfach um bis zu zwei Vollschritte vor und zurück bewegt.

Feldorientierte Regelung 3:

Kommutierungsfindung

    • Der Maximalstrom „Maximal Current“ sollte nicht wesentlich unterhalb des Motornennstromes eingestellt sein.
    • Während der Kommutierungsfindung darf die Rotorwelle nicht von außen durch ein Drehmoment belastet werden. Ist diese Bedingung nicht erfüllt, so können die Extended Operation Modes nicht verwendet werden.

    Regelstruktur

    Die Antriebsregelstruktur ist eine Kaskadenregelstruktur mit einem Positionsregelkreis mit unterlagertem Drehzahl- und Stromregelkreis. Bei Vorgabe eines Drehzahlsollwertes kann der äußere Positionsregelkreis entfallen.

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    Kaskadenregelstruktur mit Feldorientierter Regelung (Extended Operating modes)

    Motorabhängigkeit

    Wegen der starken Abhängigkeit der Regelung von den Motorparametern, den Reglerparametern und dem Motorverhalten selbst, ist die Verwendung der Feldorientierten Regelung auf Beckhoff Motoren beschränkt. Die Betriebsart wird für Motoren anderer Hersteller nicht unterstützt.

    Hauptvorteile gegenüber dem Standard Betrieb

    Voraussetzung