Bewegungssteuerprofile: Gut, besser und am besten

Bewegungssteuerung ist die Kunst, die Leistungsparameter eines Motors und seiner Last zu steuern, um ein gewünschtes Ziel optimal zu erreichen. Hinter diesem einfachen Satz verbergen sich viele Variablen: Welches oder welche der Parameterattribute wollen Sie steuern: Position, Geschwindigkeit, Beschleunigung oder Anzug (die Änderung der Beschleunigung)? Ist das primäre Ziel, eine genaue Position oder eine Geschwindigkeit zu erreichen? Bedeutet optimale Lösung, dass ein Ziel so schnell wie möglich und mit der erforderlichen Genauigkeit erreicht wird? Was ist mit Überschwingen? Wie sieht es mit Laständerungen aus? Wie ist mit der Energieeffizienz und dem Umgang mit unvermeidlichen Fehlern wie dem Abwürgen des Motors?

Die Umsetzung all dieser Ziele, die oft in gewissem Maße miteinander in Konflikt stehen, ist nicht einfach. Das hängt weitgehend vom Bewegungscontroller des Motors ab. Dieser Controller fungiert als „Gehirn“ des Steuersystems und implementiert Algorithmen, die auf die Ziele der Anwendung entwickelt und abgestimmt wurden. Diese Algorithmen müssen auch den Motortyp berücksichtigen, der u. a. ein Schrittmotor, ein Motor mit Bürsten, ein bürstenloser Gleichstrommotor (BLDC) oder ein Wechselstrommotor sein kann. Zudem müssen die Algorithmen die Art der Last/Ladung (fest, flüssig, pulverförmig, Zahnräder, Schienen) sowie etwaige Gestänge und das Spiel einbeziehen.

Der Controller arbeitet mit einem Motortreiber zusammen, der die Leistungsbauelemente wie MOSFETs enthält. Diese modulieren den Strom zum Motor entsprechend den Anweisungen vom Controller. Beachten Sie, dass es einige funktionale Überschneidungen zwischen den beiden Rollen gibt, da einige Treiber grundlegende Controller-Funktionen besitzen oder Niederleistungs-MOSFETs enthalten können.

Ein gutes Profil als Ausgangspunkt

Die naheliegendste Methode, den Motor wie gewünscht zu bewegen, besteht darin, einfach die Leistung zu erhöhen, den Motor auf die höchstmögliche Geschwindigkeit zu beschleunigen, diese Geschwindigkeit zu halten und dann anzuhalten, wenn der Motor die gewünschte Endposition oder Geschwindigkeit erreicht (Abbildung 1).

Abbildung 1: Die einfachste Taktik zur Steuerung der Motorbewegung besteht darin, den Motor mit der maximal möglichen Geschwindigkeit zu beschleunigen, bis der gewünschte Endpunkt erreicht ist, und dann abrupt anzuhalten. (Bildquelle: Trinamic Motion Control GmbH)

Dieser als Trapezprofil bezeichnete Ansatz funktioniert und kommt häufig zum Einsatz, ist aber für viele Anwendungen inakzeptabel. So kann beispielsweise der starke Anzug, der entsteht, wenn die Beschleunigung beim Start- und Stoppvorgang von Null auf Maximum geht, zu Störungen und zum Schwappen von Flüssigkeiten führen; außerdem kommt es häufig zu inakzeptablem Überschwingen, da reale Motoren und ihre Lasten nicht sofort anhalten.

Verbesserung eines Profils

Eine Standardverbesserung besteht darin, sanfte Übergänge zwischen den Start- und Laufphasen sowie den Lauf- und Stoppphasen einzufügen. Das wird als S-Kurven-Profil bezeichnet (Abbildung 2).

Abbildung 2: Das S-Kurven-Profil rundet die Drehzahlübergangspunkte zwischen Stopp- und Laufphasen sowie zur Rückwärtsbewegung ab. (Bildquelle: Trinamic Motion Control GmbH)

Wie scharf oder rund dieser „S“-Teil sein sollte und wie lange er im Gesamtprofil bestehen bleibt, hängt von der Anwendung, der Last und den Systemprioritäten im Rahmen der Abwägung zwischen den vielen Leistungszielen und -einschränkungen ab.

Darüber hinaus gibt es einen guten Grund, den Anzug zu minimieren: Hohe Anzugswerte neigen dazu, die Last zum Schwingen zu bringen, da sie mehr Frequenzen in das Spektrum des Bewegungsprofils einbringen, und es kann eine oder mehrere geben, die mit den Eigenresonanzen des Systems übereinstimmen. Die Auswirkungen solcher Schwingungen in der Praxis können von lästigen Geräuschen bis hin zu schädlichen und möglicherweise zerstörerischen Vibrationen reichen.

Folglich ist eine solche Schwingung, die sich von einem einfachen und ebenfalls unerwünschten Überschwingen unterscheidet, im Allgemeinen nicht akzeptabel.

Auswahl des „besten“ Profils

Die grundlegende S-Kurve ist effektiv, bietet aber möglicherweise kein für die Anwendung optimales Bewegungsprofil. Der Grund dafür ist, dass die Dynamik von Motor, Verbindung zur Last und Last selbst das ursprüngliche, einfache Bewegungsmodell stark verkompliziert.

Erschwerend kommt die Art des gesteuerten Motors hinzu. Außerdem bietet das Hinzufügen eines Rückkopplungssensors zur Regelung die Möglichkeit einer höheren Präzision bei gleichzeitig schnellerem Ansprechen, erfordert jedoch den Einsatz fortschrittlicherer Regelungsstrategien, wie z. B. des PID-Algorithmus (Proportional-Integral-Differenzial).

Eine Option für die Bereitstellung von S-Kurven und weiterentwickelten Regelungen ist die Verwendung eines Mikroprozessors mit erweiterten numerischen Verarbeitungsfunktionen, um die erforderlichen Gleichungen in Echtzeit zu implementieren, mit Unterstützung durch andere integrierte Hardwarefunktionen und -merkmale, die auf die Bewegungssteuerung ausgerichtet sind. Diese anwendungsoptimierten Prozessoren können Bewegungssteuersoftware ausführen, die häufig vom Prozessorlieferanten bereitgestellt wird.

Die Familie C2000 von Texas Instruments ist beispielsweise auf diese Anwendung ausgerichtet und umfasst den F28M35H52C1RFPS, einen Mikrocontroller der Serie C28x/ARM Cortex-M3 mit einem 32-Bit-Dual-Core-Prozessor, der mit 100 Megahertz (MHz) läuft und durch 512 Kilobyte Flash-Speicher, 2 KByte RAM und einer Reihe von Kommunikationsanschlüssen ergänzt wird.

Der Prozessor ist nur ein Teil der Lösung zur Anpassung des Algorithmus auf die Anwendung, denn Texas Instruments bietet zwei verschiedene Wege für die C2000-basierte Motorsteuerung. Die DMC-Bibliothek (Digital Motor Control - digitale Motorsteuerung) ist ein umfangreicher Satz von Motorsteuersoftware-Bausteinen, der über Jahre hinweg entwickelt wurde und davon ausgeht, dass Benutzer die optimale Abstimmung des Regelkreises selbst entwickeln. Die Bibliothek enthält grundlegende Systembeispiele, die auf Hardware-Evaluierungsmodulen verfügbar sind und als Ausgangspunkt für erfahrene Motorsteuerungsentwickler dienen können.

Im Gegensatz dazu bietet die InstaSPIN-Motorsteuerlösung von TI Entwicklern mit begrenzter Erfahrung in der Bewegungssteuerung Zugang zu Hochleistungsalgorithmen und vereinfacht gleichzeitig viele der praktischen Herausforderungen bei der Entwicklung fortschrittlicher Lösungen. Sie beinhaltet eine automatische Selbstoptimierung, die vielleicht nicht ganz so gut wie die benutzeroptimierte, aber für die Anwendung mehr als ausreichend ist.

Andere Hersteller bieten eigenständige ICs und komplette Platinenmodule an, oft mit zugehörigen Motortreibern, die mit hochentwickelten Bewegungssteueralgorithmen vollständig vorprogrammiert sind, dem Benutzer aber dennoch die Möglichkeit geben, wichtige Parameter einzustellen und benutzerdefinierte Profile zu erstellen. Ein gutes Beispiel dafür ist das Evaluierungsboard TMC5041-EVAL der Trinamic Motion Control GmbH für ihren Doppelcontroller/Treiber TMC5041-LA-T für das Leistungsmanagement von Schrittmotoren (Abbildung 3).

Abbildung 3: Der Dual-Controller/Treiber TMC5041 für das Leistungsmanagement von Schrittmotoren, hier auf dem Evaluierungsboard TMC5041-EVAL zu sehen, umfasst hochentwickelte, eingebettete Bewegungssteueralgorithmen und -funktionen und unterstützt die Benutzerprogrammierung wichtiger Betriebsparameter. (Bildquelle: Trinamic Motion Control GmbH)

Der TMC5041 verfügt über Funktionen wie flexible Rampengeneratoren zur automatischen Zielpositionierung für fortschrittliche Schrittmotortreiber und gewährleistet einen geräuschlosen Betrieb in Kombination mit maximaler Effizienz und bestem Motordrehmoment. Zu den weiteren vorprogrammierten Funktionen gehört die Anpassung an Schwankungen der elektromotorischen Gegenkraft des Motors, die durch Beschleunigung und Abbremsung verursacht werden und eine schnellere Regelung erfordern können. Dadurch kann der Benutzer die zugehörige Einstellung (mit PWM_GRAD bezeichnet) für die schnellstmögliche Beschleunigungs- und Abbremsrampe anpassen und optimieren (Abbildung 4).

Abbildung 4: Wie ausgeklügelt der TMC5041 ist, zeigt sich daran, dass der Benutzer die Werte für den Treiberstrom so einstellen kann, dass die schnellste Beschleunigung und Verzögerung mit einer knackigen Leistung bei minimalem Überschwingen gewährleistet ist. (Bildquelle: Trinamic Motion Control GmbH)

Fazit

Eine effektive Bewegungssteuerung und Profilverwaltung erfordert eine sorgfältige Abwägung der Kompromisse zwischen Position, Geschwindigkeit und Beschleunigung bei gleichzeitiger Gewährleistung von Genauigkeit und hoher Leistung. Durch die Verwendung eines hochentwickelten Bewegungscontrollers zur Einstellung der Schlüsselparameter für den Strom und die Spannung, die den Motor antreiben, ist es möglich, eine hervorragende Genauigkeit und Präzision sowie eine schnelle Reaktion zu erreichen.

Bewegungscontroller können über Algorithmen implementiert werden, die in Hochleistungsmikroprozessoren ausgeführt werden, oder durch spezielle Bauelemente, die mit eingebetteter Firmware vorprogrammiert sind, so dass der Benutzer die Betriebspunkte für eine erweiterte Leistung anpassen und abstimmen kann.

Empfohlene Lektüre

1: Digital Motor Control Methodology for C2000™ Real-Time Control Microcontrollers

https://www.digikey.com/en/articles/digital-motor-control-methodology-for-c2000-real-time-control-microcontrollers

Verwendung sensorloser Vektorsteuerung mit BLDC- und Permanentmagnet-Synchronmotoren für eine präzise Bewegungssteuerung

https://www.digikey.at/de/articles/use-sensorless-vector-control-with-bldc-and-pms-motors

3: Use Specialized MCUs to Simplify Motion-Control Design

https://www.digikey.com/en/articles/use-specialized-mcus-to-simplify-motion-control-design

4: Control for Advanced Motion

https://www.digikey.com/en/articles/control-for-advanced-motion