Adaptive PWM

Adaptive Pulsweitenmodulation zur Effizienzsteigerung elektrischer Servoantriebe in Werkzeugmaschinen

Projektförderung

Hintergrund

An Vorschubantriebe heutiger Werkzeugmaschinen werden hohe Anforderungen bezüglich ihrer Dynamik gestellt. Um die geforderte Produktqualität und geringe Bahnabweichungen auch unter Einfluss von Störkräften einzuhalten, müssen die Antriebe ein gutes dynamisches Verhalten aufweisen. Hierzu tragen hohe PWM-Frequenzen im Antriebsumrichter bei, welche die Totzeiten im System geringhalten und somit die Bandbreite maximieren. Basierend auf den Eigenschaften der Maschinen und den Anforderungen der Prozesse werden die Regelparameter und PWM-Frequenzen üblicherweise fix eingestellt.

Problemstellung

Hohe PWM-Frequenzen, welche für eine hohe Dynamik des Antriebs notwendig sind, verursachen jedoch signifikante Schaltverluste in den Leistungshalbleitern. Dies vermindert die Energieeffizienz, führt zu Mehraufwand für die entsprechende Wärmeabfuhr und reduziert die Lebensdauer. Untersuchungen zeigen, dass die maximale Dynamik für viele Fertigungsschritte nicht notwendig ist, da keine hohen Genauigkeiten gefordert sind. Hierzu zählen z. B. Schruppbearbeitungen aber auch Fahrten zum Werkzeugwechsler oder ein Stillstand der Achse.

Zielsetzung/Ergebnisse

Um die Energieeffizienz in Werkzeugmaschinen weiter zu steigern soll in den Prozessschritten, in denen geringere Anforderungen an Genauigkeit und Dynamik gestellt werden, die PWM-Frequenz zur Laufzeit reduziert werden. Daraus resultieren eine Reduzierung der Schaltfrequenz der Leistungshalbleiter und folglich geringere Schaltverluste.

Systemaufbau eines Vorschubantriebs mit Regelkaskade und Leistungselektronik mit übergeordneter Schaltfrequenzregelung.

Für das Verfahren der adaptiven PWM wird die Regelkaskade, bestehend aus Strom-, Geschwindigkeits- und Positionsregler wird mit einer Schaltfrequenzregelung erweitert. Die Schaltfrequenzregelung implementiert verschiedene Algorithmen um die PWM-Frequenz zur Laufzeit zu ändern. So kann beispielsweise die PWM-Frequenz in Abhängigkeit interner Antriebsdaten oder durch externe Vorgaben geschalten werden. Weiterhin werden die Parameter der Regelkaskade durch die Schaltfrequenzregelung an die jeweilige PWM-Frequenz angepasst. Die Integration des Verfahrens erfordert Modifikationen der Schaltsignalgenerierung, sowie in allen Kaskaden der Regelung. Die am ISW entwickelte FPGA-basierte Open Automation Platform erfüllt die grundlegenden Anforderungen. Im Rahmen des Projekts wird das Verfahren der adaptiven PWM in eine industrielle Werkzeugmaschine integriert. Dabei wird das Verfahren hinsichtlich aller relevanten Aspekte wie Dynamik, Genauigkeit, Fertigungsprozess und Energieverbrauch analysiert und bewertet.

Strukturbild der Versuchsanlage

Ihr Ansprechpartner

Dieses Bild zeigt Manuel Weiss

Manuel Weiss

M.Sc.

Wissenschaftlicher Mitarbeiter "Echtzeitkommunikation und Steuerungshardware"

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