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Praktikum: Automatisierte Antriebe Versuch AA3 Online

Online - Versuch

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Praktikum: Automatisierte Antriebe Versuch AA3 Online

1 Anleitung und Versuchsziel Elektrische Antriebssysteme sind aus der Technik nicht wegzudenken. Ob beim Antrieb einer Festplatte bis hin zur Antriebsregelung einer Windkraftanlage, immer ist die exakte Positions- und Drehzahlregelung erforderlich. Es ist offensichtlich, dass eine Regelung immer nur so gut sein kann, wie die zu regelnde Größe erfasst wird. Deshalb spielt in Antriebssystemen die präzise Erfassung der Position und Drehzahl eine entscheidende Rolle. Deshalb soll Studierenden bei diesem Versuch die Möglichkeit gegeben werden, Messsysteme zur Drehzahl- und Winkelerfassung kennenzulernen. Dabei bietet der Versuchsstand die Möglichkeit, die Ausgangssignalverläufe der Sensoren darzustellen und die Messergebnisse auszuwerten. Durch die direkte mechanische Kopplung von einem inkrementalen Geber mit einem Resolver auf einer Motorwelle sind direkte Vergleiche der Charakteristik der Wegerfassungssysteme möglich. 2 Versuchsgrundlagen Sensoren für mechanische Größen von Antrieben lassen sich u.a. wie in Abb. 1 dargestellt einteilen.

Abb.1 [1]

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Praktikum: Automatisierte Antriebe Versuch AA3 Online Außerdem ist eine Unterteilung nach dem physikalischen Wirkprinzip möglich:

Abb.2 [1] Da bei diesem Praktikumsversuch ein optischer inkrementaler Geber und ein Resolver zu Einsatz kommen, sollen diese im Folgenden etwas näher dargestellt werden: Inkrementale Geber (IGR) Ein sehr häufig eingesetztes Messsystem an Antriebsachsen ist der inkrementale Lagegeber auf optischer Basis nach Abb. 3 [2].

Abb.3 Inkrementaler Winkelgeber [2]

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Praktikum: Automatisierte Antriebe Versuch AA3 Online Dabei wird das Licht einer Lichtquelle (Mini-Glühlampe oder LED) auf eine Strichcodescheibe geworfen. Optische Sensoren liefern hinter der Strichcodescheibe eine Ausgangsspannung in Abhängigkeit der Lage des jeweiligen Striches. Bei einer kontinuierlichen Drehbewegung der Codierscheibe entsteht so eine sinusförmige Ausgangsspannung am optischen Sensor. Durch die Auswertung von zwei versetzt angebrachten Sensoren lassen sich zwei um 90 Grad versetzte Signale erzeugen (siehe Abb. 3b Signal a) und c)). Eine Auswerteelektronik direkt im IGR generiert daraus rechteckförmige Impulse der Spuren A und B (siehe Abb. 3b Signal h) und i)), welche man als A/B- Phasen-Signal oder auch Quadratur-Signal bezeichnet. [2] Resolver Einer der bekanntesten rotatorischen Absolutwertgeber ist der Resolver. In dem induktiven Geber ist selbst keine Elektronik erforderlich, so dass er robust und kostengünstig ist. Er arbeitet nach dem Prinzip des Drehtransformators und besteht aus einer drehbaren Läuferwicklung und zwei um 90° versetzten Statorspulen. Die Versorgung der Läuferwicklung kann über Bürsten und Schleifringe oder induktiv erfolgen. [2] Man kann in zwei Ansteuer- und Auswerteverfahren des Resolvers unterscheiden: Amplitudenmodulation Die Rotorwicklung wird mit einer Wechselspannung konstanter Amplitude und Frequenz von 2 bis 20 kHz gespeist. In den beiden Statorwicklungen wird eine Spannung gleicher Frequenz induziert, deren Amplitude jedoch von der Lage des Rotors abhängig ist. [2] Phasenmodulation Alternativ können in die Statorwicklungen mit Wechselstrom gespeist werden, um in der Rotorwicklung eine Spannung mit konstanter Amplitude zu erhalten. Diese Spannung hat eine drehwinkelabhängige Phasenlage zur Spannung der ersten Statorwicklung. [2] Die beiden Resolverprinzipien sind in der Abb. 4 aus [2] dargestellt.

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Abb.4: Resolverprinzipien [2] AAV3 - 5

Praktikum: Automatisierte Antriebe Versuch AA3 Online 3 Versuchsstand In Abb. 5 ist der Übersichtplan des Versuchstandes ersichtlich. Das BNC – Messbuchsenfeld ermöglicht eine Anzeige aller wichtigen Sensorsignale. Mit Hilfe einer Mikrocontrollerplatine werden die Ausgangssignale der inkrementalen Geber und der Auswerteelektronik des Resolvers verarbeitet und über ein LC-Display zur Anzeige gebracht. Über ein Tastenfeld lassen sich die Anzeigemenüs umschalten und Zählerstände nullen.

Abb.5 Übersichtsplan Versuchsstand AAV3 - 6

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Abb.6: Versuchstand

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Praktikum: Automatisierte Antriebe Versuch AA3 Online Inkrementaler Geber des Versuchstandes:

Abb.7: Zum Einsatz kommt der IGR vom Typ RI58TD/2048AE der Fa. Hengstler, welcher eine RS 422 Schnittstelle und eine Strichzahl von 2048 aufweist.

Resolver des Versuchstandes:

Abb.8: Als Resolver wird der RE-21-1-B75 der Fa. LTN Servotechnik GmbH eingesetzt.

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Praktikum: Automatisierte Antriebe Versuch AA3 Online Resolverauswerteelektronik:

Abb.9 Platine zur Resolverauswertung Die Resolverauswerteelektronik basiert auf dem Schaltkreis AD2S90, welcher aus den sinusförmigen Signalen vom Resolver den Absolutwert mit einer Auflösung von 12 Bit interpoliert und über eine SPI-Schnittstelle zur Verfügung stellt. Außerdem gibt dieser IC A/B-Phasensignale, einen Nullimpuls und ein Richtungssignal aus.

Abb.10 Blockdiagramm des Resolverauswerteschaltkreises AD2S90 [3] AAV3 - 9

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Abb.11: Timing der SPI-Schnittstelle des AD2S90 [3]

Abb. 12: Schaltung der Resolverauswerteelektronik [3] AAV3 - 10

Praktikum: Automatisierte Antriebe Versuch AA3 Online Eingesetzter Mikrocontroller Zur Auswertung und Darstellung der Sensorsignale wird der Mikrocontroller SAB C161PI der Fa. Infineon eingesetzt. Es handelt sich dabei um einen 16Bit Controller aus der SAB C167-Reihe. Ein wesentlicher Vorteil besteht darin, dass dieser Mikrocontroller drei A/B – Phasensignale von inkrementalen Gebern verarbeiten kann. Die Impulse werden wie in Abb. 15 dargestellt in Zählern erfasst. Dabei ist eine Einfach-, Zweifach- und Vierfach-Auswertung der IGR-Signale möglich. Über die SPI-Schnittstelle werden die Absolutwerte vom Resolver ausgelesen. Die serielle Anbindung an einen PC kann bei der verwendeten Platine sowohl über eine COM als auch eine USBSchnittstelle erfolgen.

Abb.13 Mikrocontrollerplatine mit dem SAB C161PI

Abb.14: Anbindung eines IGR an den Mikrocontroller [4]

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Abb.15: Auswertung des A/B-Phasensignals mit dem C161PI [4] 4 Kontrollfragen/Versuchsvorbereitung 4.1 Wie kann man Wegmesssysteme einteilen? 4.2 Nennen Sie mindestens ein Messverfahren zur Drehzahlmessung und zwei Verfahren zur Winkelerfassung! 4.3 Ein inkrementaler Geber hat eine Strichzahl von 2048: a) Welchen Zählerstand gibt die Auswerteelektronik bei Vierfachauswertung aus, wenn der IGR nach Nullung um 120° bewegt wurde? b) Welche Auflösung (in Grad) der Winkelerfassung ist bei Vierfachauswertung erreichbar? c) Der IGR ist direkt an einem Antrieb im Einsatz, der eine max. Drehzahl von 4000 min-1 aufweist. Berechnen Sie die max. Ausgangsfrequenz des IGR, welche die Auswerteelektronik verarbeiten können muss!

d) Um auch kleine Drehzahlen zu erfassen, wird die Zeit zwischen den steigenden Flanken der A-Spur des IGR (blaue Linie im Oszillogramm) gemessen und anschließend ausgewertet. Mit welcher Drehzahl in min-1 dreht sich der IGR, wenn die Zeit zwischen zwei benachbarten steigenden Flanken 2,23 ms (siehe Abb. 16) beträgt?

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Abb.16: A/B-Phasensignal mit Flankenabstand (steig. Flanken) von 2,23 ms

5 Versuchsdurchführung 5.1 Vom Versuchsbetreuer wird Ihnen ein Oszillogramm der A und B-Spur eines IGR mit einer Strichzahl von 2048 zugesandt. Ermitteln Sie die Drehzahl mit Hilfe der Zeit zwischen zwei benachbarten steigenden Flanken der A-Spur des IGR. 5.2 Der Versuchsbetreuer stellt Ihnen ein Oszillogramm der A- und NullSpur eines IGR zur Verfügung. Ermitteln Sie die mittlere Drehzahl über eine Umdrehung mit Hilfe der Zeit zwischen zwei benachbarten Nullimpulsen des IGR. 5.3 Es wird Ihnen eine csv-Datei mit den folgenden Daten übergeben: Zum Beispiel: Zeit/ms

Inkrementedes IGR

Inkremente IGR-Simulation Resolver

Resolver-

Resolver-

Rohwert (0 bis 4095)

Winkelwert in ZehntelGrad

1430

5369

3122

3120

2742

…

…

…

…

… AAV3 - 13

Praktikum: Automatisierte Antriebe Versuch AA3 Online Erstellen Sie in einem Tabellenkalkulationsprogramm aus der csv-Datei folgende Diagramme, deren Prinzipbilder in Abb. 17 bis 19 dargestellt sind. Wählen Sie dabei eine sinnvolle Skalierung! 5.3 a) Inkremente IGR, Inkremente Simulation von Resolver, Resolverrohwert in Abhängigkeit der Zeit

INCRES INCIGR RESROH

t/ms

Abb. 17 Weg-Zeit-Diagramm

5.3 b) Winkelwert vom Resolver und berechneter Winkelwert aus den Inkrementen des IGR in Abhängigkeit der Zeit Winkel RES/Grad Winkel IGR/Grad

t/ms

Abb. 18 Winkel-Zeit-Diagramm

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Praktikum: Automatisierte Antriebe Versuch AA3 Online 5.3 c) Drehzahl aus IGR und Resolversignal in Abhängigkeit der Zeit nRES /min-1 nIGR /min-1

t/ms

Abb. 19 Drehzahl-Zeit-Diagramm

5.4 Die Spannung beider Statorwicklungen des Resolvers wurde bei einem festen Stand am Winkelmesser oszillografiert und deren Amplituden ermittelt. Der Versuchsbetreuer wird Ihnen diese Messdaten zur Verfügung stellen. Berechnen Sie anhand der Amplitudenwerte der Spannungen aus den Oszillogrammen den Winkel, welchen die Resolverelektronik ermitteln müsste. Senden Sie bitte die Lösungen zu 5.1 bis 5.4 in einem PDF-File und das Tabellenkalkulations-File zu 5.3 (z.B. *.xls) dem Versuchsbetreuer per E-Mail bis zum besprochenen Termin zu. Bezeichnen Sie die Dateien mit Ihrem Namen: z.B. V_AA3_Max_Mustermann.pdf und V_AA3_Max_Mustermann.xls 6 Quellen/Literaturempfehlung [1] forum servotechnik, Fa. w-tech Fürth, 2016 [Online]. Available: http://servotechnik.de/fachwissen/geber/f_beitr_00_400.htm [Zugriff am 21.10.2016] [2] Schönfeld R.;Hofmann W.: Elektrische Antriebe und Bewegungssteuerungen. Berlin/Offenbach: VDE Verlag, 2005 [3] Fa. Analog Devices: Datenblatt AD2S90, 1999. [Online]. Available: http://www.analog.com/media/en/technical-documentation/datasheets/AD2S90.pdf [Zugriff am 21.10.2016] [4] Fa. Infineon User Manual SAB C161PI, 1999. [Online]. Available: http://www.infineon.com/dgdl/UM_C161PI_V1.0_1999-08.pdf?fileId=db3a304412b407950112b41d5d893008 [Zugriff am 21.10.2016] AAV3 - 15...