09. November 2011

Motor-Feedback erstmals rein digital

Beitrag aus openautomation 6/2011


Die Motor-Regler-Kommunikation in der elektrischen Antriebstechnik steht vor einer digitalen Evolution. Die neue Schnittstelle Hiperface DSL spart Kosten und Platz und bietet gleichzeitig ein hohes Maß an Investitions- sowie Maschinensicherheit. Damit eröffnet das Motor-Feedback über die Motor­leitung neue Möglichkeiten bei der Architektur von Servoantriebs-Systemen.


1985 entwickelte die Max Stegmann GmbH als Kommunikationsschnittstelle das patentierte synchron serielle Interface SSI. Mit der Universal-Schnittstelle Hiperface setzte das Unternehmen aus Donaueschingen einen erneuten Standard. Das Besondere: Für alle Anwendungen wird nur eine Schnittstelle am Drehzahlregler benötigt; zwischen Drehzahlregler und Feedback-System genügt eine Art von Signalleitung. Die asynchrone Halbduplex-Schnittstelle hat sich seit ihrer Markteinführung im Jahr 1996 als Standard am Markt etabliert und wird heute von vielen Antriebsherstellern weltweit eingesetzt.

Seit 2002 gehört die Max Stegmann GmbH zur Sick AG und firmiert unter dem Namen Sick Stegmann GmbH. Dieser Unternehmensbereich hat nun eine neue Schnittstelle entwickelt: das Hiperface DSL (Digital Servo Link). Diese ist nicht mehr hybrid, das heißt analog-digital, aufgebaut, sondern erstmals rein digital. Sie kommt mit einem Minimum an Verbindungsleitungen zwischen Frequenzumrichter und Motor-Feedback-System aus. Unter anderem aufgrund ihrer hohen Kosteneinsparpotenziale bringt sie die Voraussetzungen mit, sich bei Motor-, Regler- und Systemherstellern sowie bei Maschinenbauern und deren Endkunden als Schnittstellen-Standard der Zukunft zu etablieren.


Die Hintergründe

Bislang waren Servoantriebs-Systeme mit zwei separaten Anschlusssteckern für die Energieversorgung und die Datenübertragung ausgeführt

Servoantriebs-Systeme in der elektrischen Antriebstechnik bestehen unter anderem aus den beiden Komponenten Regler und Motor. Bislang sind diese über zwei separate Anschlussleitungen für Energieversorgung und Datenübertragung miteinander verbunden. Beide Leitungen zu integrieren, und so auf einen von den jeweils zwei Anschlusssteckern verzichten zu können, war ein häufig geäußerter Wunsch vieler Motor- und Reglerhersteller. Dieser wird nun mit Hiperface DSL erfüllt. Die Schnittstelle entspricht dem Standard RS-485 und ermöglicht eine robuste, störsichere Datenübertragung zwischen Regler und Motor über zwei Adern, die direkt in die bis zu 100 m lange Motorleitung inte­griert werden. Die Datenkommunikation wird auf die Versorgungsspannung des Feedback-Systems aufmoduliert. Sie erfolgt synchron zum Reglertakt, der bis zu 11,95 µs kurz sein kann. Zusätzlich sind auch die Werte anderer Sensoren, zum Beispiel eines Wicklungstemperatur-Sensors, über das digitale Motor-Feedback-Protokoll übertragbar. Spe­zielle Verfahren und die Verwendung von Pulstransformatoren sorgen dafür, dass das Gebersignal von den Störungen auf der Motorleistungs-Leitung entkoppelt wird. Hiperface DSL erfordert aber keinen Ad-hoc-Umstieg: Ist das System Regler-Motor noch nicht auf die neue Architektur ausgerichtet, kann die Motor-Feedback-Kommunikation in der Phase des Technologieübergangs auch weiterhin über eine separate Encoder-Leitung ausgeführt werden.


Erfolgreicher Marktangang

Nur noch ein Anschlussstecker statt bisher zwei – das fällt optisch als allererstes an einem Motor auf, in dem ein Motor-Feedback-System mit Hiperface DSL integriert ist

Produkttechnisch bietet Sick mit dem Singleturn-Motor-Feedback-System EKS36 und der Multiturn-Version EKM36 die weltweit ersten Sensoren dieser Art mit Hiperface-DSL-Schnittstelle an. Von der Bauform her sind sie im bekannten Gehäusedurchmesser von 36 mm ausgeführt. Somit müssen am Servoantrieb keine mechanischen Modifikationen vorgenommen werden. Die Bauhöhe ohne Welle beträgt 37 mm. Sowohl der EKS36 als auch der EKM36 bieten Auflösungen von 18 bit mit 262.144 Messschritten pro Umdrehung bzw. 20 bit mit 1.048.576 Messschritten. Die besonderen Merkmale sind die platzsparende „Chip on Board“-Technik sowie die kleine Code-Scheibe, die in der Mitte der Drehachse angeordnet ist und Arbeitsdrehzahlen bis zu 12.000 min–1 zulässt. Insgesamt bieten sowohl die Sensortechnik und Elek­tronik der Motor-Feedback-Systeme EKS36 und EKM36 als auch ihre neue, digitale Schnittstellentechnologie ein hohes Maß an Genauigkeit, Verfügbarkeit, Zukunfts- und Investitionssicherheit.


Das bringt das digitale Motor-Feedback über das Motorkabel
Reglerseitig werden weder Analogbauteile noch ein separater Reglereingang für externe Sensordaten benötigt. Die Implementierung wird durch die Verwendung von FPGA (Field Programm­able Gate Arrays) oder Asic (Application Specific Integrated Circuits) erleichtert, da die gesamte Logik in einem Baustein abgelegt wird. Den jeweils passenden IP-Core gibt es ebenfalls für eine einfache Implementierung. Motorseitig ergeben sich unter anderem durch den Wegfall des Anschlusssteckers für das Motor-Feedback-System und den verringerten Verkabelungsaufwand Kostenvorteile. Motoren-, Regler- und Systemhersteller profitieren darüber hinaus von der Optimierung des Reglerkreises durch eine automatische Synchronisation zum Reglertakt sowie davon, dass sich mehr Freiheiten beim Motordesign ergeben – was gerade bei kleinen Servomotoren ein wichtiger Aspekt ist.

Das Singleturn-Motor-Feedback-System EKS36 und die Multiturn-Version EKM36 sind die weltweit ersten Motor-Feedback-Systeme

Aus Sicht der Maschinenbauer und Endanwender bedeutsam ist, dass jeder EKS36 und EKM36 über ein E²Prom als elektronisches Typenschild zur automatischen Reglerparametrierung verfügt. Motorkenndaten, Serien- und Artikelnummern sowie weitere Daten, die im Service- oder Austauschfall schnell helfen, werden hier hinterlegt und zur selbstständigen Einstellung des Reglers auf die Parameter des Motors genutzt. Anwender haben beispielsweise per Intra- oder Internet jederzeit Ferneinblick in die Maschine bis hinab zur Motorwelle. Dies sowie Lifetime-
Diagnosen per Histogramm ermöglichen umfangreiche Fernüberwachungen zur präventiven Wartung, erhöhen so die Verfügbarkeit der Antriebe wie auch der weltweit im Einsatz befindlichen Maschinen und vermeiden Kosten im Fall eines unnötigen Servicesupport vor Ort.


Zertifiziert bis SIL3
Die Datenübertragung per Hiperface DSL ist sicherheitstechnisch für Applikationen bis SIL3 nach DIN EN 61508 (VDE 0803) bzw. Performance Level e nach DIN EN ISO 13849-1 geeignet. In Bezug auf die Erfüllung von Sicherheitsfunktionen sowie der Vorgaben der Maschinen-richtlinie und die Definitionen in den relevanten Normen sind Motoren-, Regler- und Systemhersteller, Maschinenbauer und Endanwender auf der sicheren Seite. Bei den Motor-Feedback-Systemen EKS36 und EKM36 bietet Sick zertifizierte Geber bis SIL2 an. Damit ist sichergestellt, dass die digitale Motor-Geber-Schnittstelle grundsätzlich auch in Safety-Applikationen eingesetzt werden kann.

Mit Hiperface DSL und dem erstmals rein digitalen Protokoll kann die Geberkommunikation zukünftig über nur zwei Adern integriert in der Motorleitung realisiert werden. Die ersten Motor-Feedback-Systeme mit dem neuen Schnittstellenstandard haben Kunden überzeugt, dass der digitale Weg der richtige ist. Mit entscheidend dafür sind die Vorteile hinsichtlich Technologie, Wirtschaftlichkeit und Investitionssicherheit. Und da die Datenübertragung an sich wie auch die erste Produktfamilie sicherheitstechnisch zertifiziert sind, ist Hiperface DSL auf für sicherheitsgerichtete Applikationen die Motor-Regler-Schnittstelle der Zukunft ausgerichtet.

Bernd Appel
Bernd Appel ist Leiter Business Unit Motorfeedback-Systeme bei der Sick Stegmann GmbH in
Donaueschingen.

Weitere Informationen unter www.sick.com.

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