Frequenzumrichter für Biegewechselprüfstand

Um bei Biegewechselprüfständen eine Echtzeitregelung zu erreichen, müssen die eingesetzten Frequenzumrichter bestimmte Voraussetzungen mitbringen. Beispielsweise der Frequenzumrichter Unidrive SP kann die Linearmotoren zweier Prüfachsen regeln. Das Gerät deckt in drei Baureihen mit einer Leistungsbandbreite von 0,75 bis 675kW den Eingangsspannungsbereich von 3ph. 200V..690V AC (48-65Hz) ab. Damit ist der Frequenzumrichter SP für Maschinenhersteller mit weltweiter Präsenz geeignet. Eventuelle Anpasstransformatoren können entfallen. Als universeller Frequenzumrichter zur Regelung von Asynchron-, Synchron- und Linearmotoren oder als sinusförmige Ein-/Rückspeisung vereinheitlicht der Unidrive SP die Gerätestruktur und verringert damit den Aufwand für Schulung, Projektierung bis hin zur Lagerhaltung. Die entsprechende Betriebsart für den jeweiligen Einsatz wird über Parameter zwischen Open Loop (ASM ohne Geber), Closed Loop (ASM mit Geber) und Servo (PSM mit Geber) sowie Regen (Netzversorgung) umgestellt. Mit dieser Universalität und den integrierten Funktionen trägt der Unidrive SP zur Reduzierung der Systemkosten bei. Änderung von Normen Die sinusförmige Netzversorgung gewinnt auch durch Änderungen europäischer Normen hinsichtlich einzuhaltender Netzrückwirkungen zunehmend an Bedeutung. Sie sorgt durch Rückspeisung generatorischer Leistung in das Netz in Verbindung mit der IGBT-Technologie nicht nur für eine Energieeinsparung, sondern auch für geringere Wärmeentwicklung innerhalb des Schaltschrankes und dadurch für einen kleineren Bauraum und Kühlgeräte. An den unterschiedlichen Motortypen wie Asynchron- oder Synchronmotoren können die jeweils üblichen Gebervarianten eingesetzt werden. Aufgrund der immer stärker werdenden Forderungen nach absoluten Wegerfassungen direkt auf dem Frequenzumrichter wurde eine universelle Geberschnittstelle für fast alle gängigen Absolutgeber (SSI, EnDat, Hiperface) in das Grundgerät integriert. Regelung von Linearmotoren Dem anhaltenden Trend zum Einsatz von Linearmotoren in allen Bereichen der Handhabungs-, Prüf- und Fertigungstechnik, sowie den damit erforderlichen dynamischen Eigenschaften der Regelung, kann ohne besondere Aufwendungen vom Unidrive SP entsprochen werden. So können beispielsweise die beim Linearmotor verwendeten Angaben zur Länge der Polteilung direkt in Parameter eingetragen und durch die Verwendung von absoluten Lineargebern die Kommutierung sofort nach dem Netzeinschalten zur Verfügung stehen. Spezielle Algorithmen zur Bestimmung des Kommutierungswinkels mit minimaler Bewegung des Primärteils gehören dabei ebenso zur Standardausführung wie die Optimierung des Strom- und Drehzahlregelkreises. Die bei Linearmotoren mit üblicherweise hohen Verfahrgeschwindigkeiten von bis zu 10m/s können durch die kontinuierlich einstellbare Geberstrichzahl auch ohne Zusatzmodule direkt am Grundgerät eingetragen und durch eine maximale Eingangsfrequenz von 500kHz erreicht werden. Biegewechselprüfstand Für den Anwendungsfall an einem Biegewechselprüfstand ist es wichtig, dass für die geforderten Sollwertvorgaben für Kraft- und Wegregelung bis zu einer Frequenz von 40Hz ohne Abweichung in Frequenz und Phasengang realisiert werden. Das setzt eine hohe Bandbreite im Strom-, Drehzahl- und Lageregler voraus. Zusätzlich ist es hier aus Gründen der Genauigkeiten erforderlich, eine dynamische Korrektur durch Auswertung eines externen Kraftsensors zu realisieren. Dieser Kraftsensor wird ebenfalls zur Darstellung des Verlaufes der Sollprofile verwendet. Die Biegewechselprüfung erfolgt in zwei rechtwinklig angeordneten Prüfachsen, die jeweils durch einen Linearmotor mit Unidrive SP angetrieben werden. Die Prüfachsen erhalten die Sollwerte für Kraft bzw. Wegregelung vom übergeordneten Prüfrechner. Echtzeitkommunikation CANSync Um Drift und Offsets bei analoger Sollwertvorgabe zu vermeiden, kommt hier nur der Einsatz eines Bussystems in Frage. Da die Teilnehmerzahl auf maximal vier beschränkt ist und eine synchrone Datenübertragungsrate von 1kHz gewünscht wurde, fällt die Wahl auf den CAN-Bus. Damit kann für die Profilvorgaben zwischen 1 und 40Hz für die Weg- oder Kraftregelung immer noch eine genügend hohe Anzahl an Stützstellen für die verschiedenen Kurvenformen wie z.B. Rechteck, Dreieck oder Sinus realisiert werden. Das CANSync-Protokoll gewährleistet die synchronisierte Übernahme der Sollwerte für die x- und y-Achse. Damit lassen sich definierte Bahnkurven für die Biegewechselprüfung realisieren. Regelung mit Applikationsmodul Der Unidrive SP ist ein wirklich skalierbarer Antrieb. Das bedeutet, dass die Hardware des Gerätes über die Erweiterung mit Optionsmodulen entsprechend der Anforderung an die Regelung erweitert werden kann. Es stehen Optionsmodule für Zusatz-Gebersysteme, E/A-Erweiterungen, alle gängigen Feldbussys­teme und Zusatzrechner in Form von frei programmierbaren Coprozessoren zur Verfügung. Drei universelle Optionssteckplätze ermöglichen beliebig viele Hardwarekonfigurationen und flexible Anpassungen an viele Steuerungen, Gebersysteme und Regelungen. Der Datenaustausch zwischen dem Antriebsprozessor und den Optionen über einen Vier-Port-RAM und die Synchronisation aller Module sind Voraussetzung für eine wirkliche Echtzeit-Regelung. Durch die frei programmierbaren Coprozessoren können zusätzliche technologische Funktionen und Steuerungsabläufe sowie Echtzeit-Regelungen im Umrichter realisiert werden. Mit dem Programmentwicklungstool SyptPro lassen sich komplexe Regelungsstrukturen aufbauen. Die Software kann in Kontaktplan, Funktionsblockdarstellung oder Hochsprache erstellt werden. Während der Testphase in der Kraftregelung zeigte sich der Einfluss der Eigenresonanz der Probe auf die Kurvenform des Testsignals. Wenn die Testfrequenz die Eigenfrequenz der Probe ereicht, kann es sogar zur Instabilität der Regelung kommen. Die Kraftvorgabe konnte für diesen Anwendungsfall durch folgenden theoretischen Ansatz simuliert und analysiert werden: Bild5 Der Prüfstand bildet ein Feder-, Masse-System, das durch die Biegewechselprüfung mit verschiedenen Prüffrequenzen angeregt wird. Die kritische Komponente für die Erhaltung der Stabilität ist die geschwindigkeitsabhängige Reibung. Sie wurde als Dämpfungsglied erkannt und als parametrierbare Funktion in die Regelungsstruktur des Coprozessors aufgenommen. Dadurch konnte trotz Eigenfrequenz die gewünschte Kurvenformen an der Probe und die Stabilität des Systems realisiert werden. Die elektrische Lösung benötigt einen kleinen Bauraum für Schaltschrank und Prüfraum. Gegenüber hydraulischen Systemen gibt es keine Gefahren und Verschmutzungen. Durch höhere Biegewechselfrequenzen von bis zu 40Hz ergeben sich kurze Prüfzeiten. Und schließlich sind Weg- und Kraftregelung (±15mm und 800N bis 40Hz) wählbar. SPS/IPC/DRIVES: Halle 1, Stand 440