Schnell und Effizient
Steuerung von bürstenlosen
Spindeln im Feldschwächebereich und Bremsenergierückgewinnung
Als Teil des europäischen Projekts EROD hat Bonfiglioli eine Steuerung für bürstenlose Spindeln entwickelt und beim Kunden HSD implementiert. Das sensorlose System ermöglicht die Ansteuerung sowohl von Synchron- als auch Asynchronmotoren und erfüllt dadurch die typischen Anforderungen von Holzbearbeitungsmaschinen, die Hochleistungsspindel und Asynchronspindel parallel einsetzen.
Die Highlights der Anwendung sind vielfältig: Sie reichen von hohen Drehgeschwindigkeiten sowie schnellen und häufigen Beschleunigungs- und Bremszyklen zur Steigerung der Maschinenproduktivität über eine robuste Steuerung, einen Spindelstopp innerhalb von 10s bei Not-Aus oder Stromausfall bis hin zur Möglichkeit zur Ansteuerung verschiedener Spindeln mit dem gleichen Antrieb. Diese Eigenschaften spiegeln sich in einem Steueralgorithmus, der viele Anforderungen abdecken muss. Dazu gehört neben einer hohen Drehgeschwindigkeit auch die stabile Steuerung unter Bedingungen im Feldschwächebereich, bei dem sich die Maschinenparameter je nach Frequenz erheblich ändern. Die Ausgangsspannung muss maximiert werden, um die Motorleistung im Feldschwächebereich voll auszunutzen. Eine sehr hohe Ausgangsfrequenz über 1kHz erfordert daher ein schnelles Ansprechen der Stromsteuerung.
Sensorlos bei hohen Drehzahlen
In der Lösung ist es möglich, mit einer Änderung des Datensatzes zwischen verschiedenen Spindeln hin und her zuschalten. In der konkreten Auslegung können die Spindeln sowohl synchron als auch asynchron sein, also kann der Steuerungsalgorithmus beide antreiben. Für viele Jahre hat sich die Forschung an sensorfreien Steuerungen darauf konzentriert, die Leistung der Motorsteuerung – besonders bei niedrigen Drehzahlen oder beim Anlauf – zu verbessern, um ein Verhalten zu erreichen, das immer mehr dem Betrieb mit geschlossenen Regelkreis ähnelt. Der Entwicklungsstand des Hauptalgorithmus gilt nun als fest und zuverlässig. Der Stand der Technik bei sensorlosen Regelungen für schnelldrehende Motoren ist eine ganz andere Sache, besonders im Feldschwächebereich. Die Spindelbeschleunigungen sind ein Extrembeispiel hierfür, denn sie erfordern einen Feldschwächebereich von zwei- bis dreifachen der Nenndrehzahl bei Drehzahlen von mehr als 24.000U/min und resultierenden Ausgangsfrequenzen von über 1200Hz. Damit die Spindel im Feldschwächebereich laufen kann, ist ein anisotroper Rotor mit eingebettetem Magnet entscheidend: So lässt sich das Trägheitsmoment ausnutzen, das die Drehmomentverringerung aufgrund des schwächer werdenden Magnetfeldes beim Feldschwäche-Betriebsbereich ausgleicht. Zusätzlich ermöglichen eingebettete Magnete die Bewältigung der hohen Zentrifugalkräfte aufgrund der sehr hohen Drehzahlen, was mit Magneten, die an der Oberfläche montiert sind, nicht möglich ist.
Lösung mit Umrichter
Die Hauptprobleme, die es zu bewältigen galt, sind die Bewertung der Startstellung des Magnetfeldes im Rotor, damit die Vektorsteuerung des Antriebs ein möglichst hohes Drehmoment erzeugen kann, sowie der richtige Betrieb im Feldschwächebereich zur Maximierung des Drehmoments. Unter den Maschinenparametern wird Statorinduktion, die direkt vom Magnetfluss im Stator abhängt, stark vom Betrieb im Feldschwächebereich beeinträchtigt und variiert mit einer Dynamik, die proportional zu den während des Defluxbetriebs beibehaltenen Beschleunigungen. Die Variationen der Statorinduktivität äußern sich in einer mit Rauschen überlagerten Drehzahlbewertung und damit in einen Dynamikverlust. Die Regelungsstrategien, die in den Frequenzumrichtern der Serie Active Cube von Bonfiglioli entwickelt wurden, konnten die oben genannten Probleme lösen. Damit können sie in Maschinen angewendet werden, die das Management beider Motortypen mit einem einzigen Antrieb erfordern. Das entwickelte sensorlose System ermöglicht die Ansteuerung sowohl von Synchron- als auch Asynchronmotoren. Somit erfüllt ein einziger Antrieb die typischen Anforderungen von Maschinen zur Holzbearbeitung, die eine Hochleistungsspindel zum Fräsen, Schruppen und Schneiden usw. einsetzen, und eine niederfrequente Asynchronspindel zum Bohren. n
