Thema:
- Welche Geberauflösung sollte für eine gute Reglungsqualität mindestens gewählt werden?
Lösung:
Die minimal erforderliche Geber-Auflösung hängt von der Regelung und den Anforderungen der Anwendung ab.
1.) Reine Strom-/Drehzahlregelung mit FOC
Falls ein bürstenlosen Motor eingesetzt wird und die Steuerung (wie die EPOS4) die sogenannte Sinus-Kommutierung (FOC = Field oriented control) unterstützt wird ausser Hallsensoren ein Encoder benötigt, der steif mit der Motorwelle verbunden ist. Am besten wird diese Bedingung durch eine Motorkombination mit bereits werkseitig montiertem Encoder erfüllt.
Daumenregel:
Es sollte ein motorseitiger Inkremental-Encoder mit mindestens 500 cpt. (= Strichen pro Umdrehung) oder eine Absolutgeber (z.B. SSI) mit mindestens 11 Bit Single-Turn Auflösung gewählt werden.
2.) Drehzahlregelung
Falls eine Drehzahlregelung verwendet wird, beeinflusst die motorseitige Geber-Auflösung sowohl die Regelungsqualität und auch die Genauigkeit bei der Drehzahlmessung. Insbesondere bei tiefen Drehzahlen und niedriger Geberauflösung sind deutliche Schwankungen (= "Rauschen") bei der Drehzahlmessung sichtbar, die nicht der tatsächlich stabilen Motordrehzahl entsprechen. Ergänzende Informationen zu dem Thema der Drehzahlmessung finden sich hier:
Daumenregel:
Ein motorseitiger Encoder mit 500 cpt. ist im allgemeinen bereits ausreichend für die Regelung von Drehzahlen ab 5 Umdr./Min.
Falls bei einer Anwendung deutlich tiefere Drehzahlen oder exakte Drehzahlmessung erforderlich sind, sollte ein höher auflösender Encoder gewählt. Die unterschiedlichen maxon Encoder-Produktlinien bieten hierfür Auflösungen bis 1024 cpt. (beim ENX EASY), 6400 cpt. (beim MILE), or sogar bis 65536 cpt. (beim RIO).
3.) Positionsregelung
Im Falle einer Positionsregelung ist die von der Anwendung geforderte Positioniergenauigkeit eine entscheidender Faktor, der bei der Wahl des Gebersystems berücksichtigt werden muss.
Daumenregel:
Die Encoder-Auflösung sollte mindestens 2- bis 4-mal höher gewählt werden als die angestrebte Positioniergenauigkeit.
Beispiel:
Falls eine Anwendung eine Positioniergenauigkeit der Motorwelle von 0.1° erfordert, sollte typischerweise ein Inkremental-Encoder mit 2048 cpt. (= 8192 incr./Umdr. => 0.044 °/Umdr.) oder ein Absolutgeber mit 13 oder 14 Bit Single turn Auflösung gewählt werden.
Mögliche Stolperfalle: Getriebespiel & Elastizitäten
Bitte beachten Sie, dass die lastseitige Positioniergenauigkeit aufgrund von Getriebespiel oder Elastizitäten im Antriebsstrang (z.B. durch Riemen, Kupplungen) deutlich schlechter sein kann als der erwartete Wert basierend auf der korrekt gewählten motorseitigen Encoder-Auflösung. Das Spiel von Getrieben bewegt sich häufig im Bereich von 0.3° bis 2°. Abhängig von der Bewegungsrichtung kann die Position der über ein solches Getriebe angetriebenen Last um 0.3° bis 2° variieren, obwohl der motorseitige Encoder immer einen perfekt exakten, stabilen und immer identisch reproduzierbaren Positionswert zurückliefert. Ein Lösungsansatz ist hier die Verwendung von spielarmen oder spielfreien Getrieben. Ein anderer Lösungsansatz ist der Einsatz einer sogenannten "Dual Loop" Regelung. Mit der "Dual Loop" Regelung ist eine präzise lastseitige Positionierung möglich auch wenn der Antriebsstrang etwas Spiel und / oder Elastizität aufweist. Bei der "Dual Loop" Regelung kommen zwei Gebersysteme zum Einsatz, wobei ein Encoder direkt auf der Motorwelle montiert ist und ein zweiter Encoder (oder anderes Gebersystem) sich lastseitig befindet. Weitere Informationen zu der "Dual Loop" Regelung finden sich in dem folgenden verlinkten Dokument:
Ergänzende Hinweise:
- Effektive Auflösung beim Einsatz von Digital-Inkrementalgebern
Der Digital-Inkrementalencoder liefert um 90° verschobene Signalpulse auf den Kanälen A und B (plus invertierte Signalkanäle für eine erhöhte Störfestigkeit). Die Motorsteuerung wertet die Pulsflanken auf den um 90° verschobenen Signalkanälen aus und bestimmt hiermit die Drehrichtung und Position. Aufgrund der Flankenauswertung durch die Steuerung ergibt sich eine 4-fach höhere Positionsauflösung als der spezifizierte "cpt." (= Striche/Umdr.) im Encoder-Datenblatt. Es wird hierbei von Increments oder Quadcounts gesprochen.
Beispiel:
Bei einem 500 cpt. Encoder werden von der Steuerung auf den beiden phasenverschobenen Kanälen insgesamt 2000 Flanken (= 4 x 500) sogenannte Increments oder Quadcounts pro Encoderwellen-Umdrehung gezählt. Diese 2000 Incr./Umdr. entsprechen wiederum einer Auflösung von 0.18° bezogen auf die Encoderwelle. - Auflösung von Absolutgebern
Die Auflösung von Absolutgebern wird typischerweise als Bit-Wert spezifiziert. Die Auflösung entspricht 2^n Increments pro Umdrehung der Encoderwelle bzw. einer Auflösung von 360°/2^n (wobei n jeweils für die spezifizierte Bit-Anzahl steht).
Beispiel:
Ein Absolutgeber mit 12 Bit Single turn Auflösung entspricht 4096 (= 2^12) Incr./Umdr. und ein Increment entspricht wiederum einer Bewegung der Encoderwelle von 0.088° (= 360°/4096).
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