In einer Reihe von Anwendungsfällen ist eine geschwindigkeits- oder gar winkelsynchrone Kopplung mehrerer Maschinen gefordert. Ein Beispiel stellt die Produktübergabe einer Maschine an eine andere dar.
Damit steht eine flexible winkelsynchrone Kopplung zur Verfügung. Weitere Maßnahmen zum einmaligen Positionsabgleich zwischen den beiden Maschinen, sowie ein kontinuierlicher Austausch von Status- und Fehlerinformationen sind erforderlich.
Ein alternativer Lösungsansatz ist das Gebernetzwerk. Er basiert auf der Ethernetverbindung der PacDrive Controller und ermöglicht die gesicherte Verteilung von „Geberdaten“ zur Maschinensynchronisation bei verteilten Steuerungen über Ethernet.
Dieser Abschnitt beinhaltet folgende Unterthemen
oAufbau eines Inkrementalgebers
oErzeugung der Ausgangsimpulse
oProzentuale Frequenzabweichung
oVergleich Geber mit Gebernachbildung
Aufbau eines Inkrementalgebers
Ein Inkrementalgeber besteht im wesentlichen aus einer runden Scheibe mit einer gleich großen Aussparung und einem gleich großen Steg. Diese werden mithilfe von Photoelementen evaluiert.
Aufbau eines Inkrementalgebers mit Signalspuren
Je nach Drehrichtung ergeben sich folgende Signalverläufe
oCW: clockwise, im Uhrzeigersinn
oCCW: counter clockwise, gegen den Uhrzeigersinn
Wird die Geberwelle mit konstanter Drehzahl angetrieben, so ergibt sich eine konstante Ausgangsfrequenz einer Signalspur.
Hier nicht abgebildet ist ein einmaliger Nullimpuls/Umdrehung. Er erscheint einmal im Bezug auf eine Umdrehung der Geberwelle, also nach immer der gleichen Anzahl von Impulsen von Spur A bzw. Spur B.
Angenommen wird eine Anwendung, bei der der Geber über ein Laufrad die Bewegung eines Bandes erfaßt. Das Laufrad hat einen bestimmten Umfang.
Relevante Größen für die Applikation
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Wert |
Bedeutung |
|---|---|
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Auflösung Res |
Die Auflösung der Geber-Inkremente pro Umdrehung der Geberwelle, z. B. 1024 Inkremente / Umdrehung |
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Skalierungsfaktor SF |
Mechanische Einheiten pro Umdrehung der Geberwelle Zum Beispiel der Umfang des Laufrades in mm |
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Geschwindigkeit v |
Zum Messen der mechanischen Geschwindigkeit in mechanischen Einheiten pro Sekunde Zum Beispiel die Bandgeschwindigkeit in mm/s |
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Ausgangsfrequenz f |
Ausgangsfrequenz einer Signalspur des Inkrementalgebers in Hz, z. B. Spur A |
Für die Auswerteeinheiten von Gebersignalen ist die maximale Frequenz der Signalspuren relevant.
Deshalb muss die Auflösung des Gebers in Kombination mit dem Skalierungsfaktor so gewählt werden, dass bei maximal zu erfassender Geschwindigkeit v die Ausgangsfrequenz f einer Signalspur nicht überschritten wird.
Bezogen auf die Frequenz des Ausgangssignals (z. B. Spur A) gelten folgende Formeln:
Ausgangsfrequenz: f = (v * Res) / SF
Weg bei 1 Inkrement (=maximale Positionsauflösung): s = SF / Res
Mechanische Geschwindigkeit bei 1 Hz Signalfrequenz: v = 1 Hz * SF / Res
Die Encoder-Simulation am Inkremental-Encoder-Ausgang basiert auf dem Ausgang einer Impulsfrequenz pro Sercos-Zyklus. Aus diesem Grund kann die Ausgangsfrequenz des Inkrementalgeberausgangs nur im Sercos-Zyklusmuster geändert werden.
Aufgrund der hardwaretechnischen Realisierung über eine Grundschwingung und ganzzahlige Teilungsverhältnisse können nicht beliebige Ausgangsfrequenzen für die Signalspuren erzeugt werden.
Dies führt zu einer prinzipbedingten Ungenauigkeit innerhalb eines Sercos-Zyklus. Ein fest eingestellter Regler sorgt dafür, dass kein Positionsdrift auftritt.
Blockschaltbild Inkrementalgebernachbildung
1.Berechnung der Ausgangsfrequenz für den folgenden Sercos-Zyklus:
ov = (Positionaktueller Zyklus - Positionvorheriger Zyklus) / Sercos-Zyklus
of = (v * Res) / SF
2.Es wird dann aus der geforderten Ausgangsfrequenz f die aufgrund der ganzzahligen Teilung einer Grundfrequenz mögliche Frequenz ermittelt und ausgegeben.
3.Gleichzeitig wird eine interne Berechnung bezüglich der Anzahl der auszugebenden Impulse im folgenden Sercos-Zyklus aufgrund der Sollwert-Frequenz (Soll_Impulse) durchgeführt.
4.Die tatsächlich ausgegebenen Impulse werden gezählt (Ist_Impulse).
5.Der Unterschied (Impulse difference) in der Anzahl der Sollwert-Impulse und der ausgegebenen Impulse werden bestimmt und ebenfalls als Offset für die Ausgangsfrequenz im folgenden Sercos-Zyklus ausgegeben.
Dies gewährleistet, dass im eingeschwungenen Zustand keine Positionsdifferenzen entstehen.
Die maximale Ausgangsfrequenz für eine Signalspur beträgt 1 MHz.
Die geringste Anzahl an Impulsen ungleich Null in einem Sercos-Zyklus, die ausgegeben werden kann, beträgt 1. Folglich ist die minimale Ausgangsfrequenz vom Sercos-Zyklus abhängig:
Minimal mögliche Frequenzen abhängig vom Sercos-Zyklus
|
Sercos-Zyklus (CycleTime) |
Impulse |
Ausgangsfrequenz |
|---|---|---|
|
1 ms |
1000 / s |
1000 Hz |
|
2 ms |
500 / s |
500 Hz |
|
4 ms |
250 / s |
250 Hz |
Frequenzen, die unterhalb dieses Bereichs liegen, können nur simuliert werden, dass die niedrigste Frequenz für 1 Sercos-Zyklus ausgegeben wird und anschließend die Frequenz 0 für eine entsprechende Anzahl an Sercos-Zyklen
Aus diesem Grund wird die Schwingung der Ausgangsfrequenz reduziert, wenn der Sercos-Zyklus erhöht wird (Parameter CycleTime). Das ist darauf zurückzuführen, dass präzisere Frequenzstufen pro Sercos-Zyklus möglich sind.
Prozentuale Frequenzabweichung
Prozentuale Frequenzabweichung vom Mittelwert bei 1 ms Sercos-Takt
Prozentuale Frequenzabweichung vom Mittelwert bei 2 ms Sercos-Takt
Prozentuale Frequenzabweichung vom Mittelwert bei 4 ms Sercos-Takt
Vergleich Geber mit Gebernachbildung
Vergleicht man einen realen Inkrementalgeber mit der Inkrementalgebernachbildung, so ergeben sich folgende Unterschiede:
Unterschied Inkrementalgeber <-> Gebernachbildung
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Wert |
Encoder |
Encoder-Simulation |
|---|---|---|
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Impulserzeugung |
Photoelemente, Ausgangssignal je nach Stellung der Scheibe |
Kompilierung von Positionsunterschieden, Konvertierung zu einer Ausgangsfrequenz / Sercos-Zyklus |
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Ausgangsfrequenz bei konstanter Drehzahl |
Konstante |
In der Regel Schwankungen um einen Mittelwert; Abweichungen vom Mittelwert um so stärker, je kleiner die Frequenz ist |
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Mögliche Ausgangsfrequenzen |
Kontinuierlich |
Diskrete Frequenzen, maximal 1 MHz |
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Auflösung |
Festgelegt |
Variabel einstellbar |
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Skalierungsfaktor |
Je nach mechanischer Ankopplung (z. B. Durchmesser Laufrad) |
Variabel einstellbar |
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Positionsabweichung zwischen mechanischer Position und ausgegebenen Signalen |
Abgesehen von Laufzeiten in der Elektronik direkte Positionsweitergabe |
Durch Umrechnung von Positionsdifferenzen auf Geschwindigkeiten und Nachbildung von diskreten Ausgangsfrequenzen Geschwindigkeits- und damit Positions-Schwankungen; jedoch keine Positionsabweichung im Stillstand (Kein Aufsummieren von Fehlern) |
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Impulserzeugung |
Photoelemente, Ausgangssignal je nach Stellung der Scheibe |
Kompilierung von Positionsunterschieden, Konvertierung zu einer Ausgangsfrequenz / Sercos-Zyklus |
Bei der Verwendung des Inkremental-Encoder-Ausgang (Gebernachbildung) sollte im Sinne von geringer Schwankung der Ausgangsfrequenz und damit der dynamischen Schwankung der Positionsinformation folgendes beachtet werden:
oFeedConstant und Resolution möglichst so wählen, dass sich bei maximaler Maschinengeschwindigkeit eine Ausgangsfrequenz nahe 1 MHz ergibt.
Einstellhinweis: Bei maximaler Maschinengeschwindigkeit: 800 kHz Ausgangsfrequenz (20% Reserve)
oDie maximal mögliche Ausgangsfrequenz kann auch durch die nachfolgende Auswerteelektronik begrenzt sein (z. B. Auswertekarte eines Druckers).
Kopplung von PacDrive Controllern über Inkrementalgeberausgänge / -eingänge
Die Praxis zeigt, dass eine Kopplung von zwei Controllern über Inkrementalgeberausgang / -eingang unter Ausnutzung der 1 MHz-Grenze und konstanter maximaler Maschinenleistung hinreichend genau ist. Ein gravierender Positionsversatz durch schwankende Ausgangsfrequenzen wird hier nicht beobachtet.
Soll die Maschine mit einem kontinuierlichen Taktspektrum gefahren werden so ist hinsichtlich der bei niedrigen Ausgangsfrequenzen relativ hohen Schwankungen folgendes zu prüfen:
oEntspricht dies den Anforderungen an die Synchronkopplung?
oFührt dies zu einer mechanischen Schwingung?
