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Design and test of a highly scalable servo drive system based on PM linear synchronous motors

Silaghiu, Sorin Mihail :
Design and test of a highly scalable servo drive system based on PM linear synchronous motors.
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2012)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Design and test of a highly scalable servo drive system based on PM linear synchronous motors
Language: English
Abstract:

In many industrial plants materials have to be transported between several processing stations, where they have to be processed with a high level of accuracy and precision. In the last years, linear electrical drives, especially the long-stator linear motors are used for these types of applications for both processing and transportation tasks. They have higher dynamics and processing precision and lower maintenance costs compared to conventional systems, which require additional mechanical gears. The linear drive system must be modular and highly scalable in order to cover a wide range of applications. For this reason, the track of the plant is made of several stator segments. The excitation part of the motor is represented by permanent magnets (passive vehicles). Each stator segment has a dedicated inverter (Power Processing Unit) and processor (Information Processing Unit). Cheap IPMs (Intelligent Power Modules) are nowadays a good solution for implementing the inverter. A DSP was used as processor. The DSP and the IPM are the main components of the designed servo-controller, which together with a stator segment represents a module of the system. The DSP controls the inverter and is also used for the communication with the DSPs of the adjacent modules. By connecting the ground potential of all servo-controllers to the negative DC-link rail (ca. -280V), a significant reduction in the implementation costs of the servo-controller was achieved. When a vehicle crosses from one stator segment to the adjacent one, the control tasks migrate physically in that respective adjacent DSP. Data exchange is therefore required within each cycle of the current control loop (100 µs) between the adjacent modules. For an arbitrary scalable modular system, there will be also an arbitrary high communication demand. This demand can only be solved by a direct (Point-to-Point) connection between the adjacent DSPs. This connection was realised by means of the cost-effective RS485 data transmission protocol. A central control unit is responsible then for the cyclical (1-10 ms) generation of new position reference values for the vehicles, according to a predefined schedule. The monitoring (assessment of internal variables of the distributed servo-controllers) of the entire system is realised also in real-time. Off-line download and upload actions of firmware or general data is also possible. For these tasks, the communication between the central unit (PC) and the distributed servocontrollers was realised by means of the Ethernet-based fieldbus EtherCAT. Inside the processing stations of the system, the positioning accuracy and precision as well as the dynamic have to be very good. For this reason, inside those stations, position sensors must be used. Outside those stations, for material transportation only, an EMF-based sensorless control was implemented. This will further reduce the overall system costs. A small section of such modular and highly scalable system was realised as an experimental set-up in the context of this work, in order to test the functionality and the reliability of the proposed system.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
In vielen Industrieanlagen werden Materialien in Bearbeitungsstationen mit hoher Präzision bearbeitet und zwischen diesen Stationen transportiert. Dafür kommen in den letzten Jahren immer häufiger Linearantriebe, speziell der Langstator Linearmotor, sowohl für die Bearbeitung als auch für das Transportieren zum Einsatz. Der Grund hierfür liegt in der hohen Dynamik, bei gleichzeitig hoher Positioniergenauigkeit und in der Reduzierung der Wartungskosten, weil keine zusätzlichen Getriebe notwendig sind, wie bei den rotierenden Antrieben. Das Linear-Antriebsystem muss modular und beliebig skalierbar sein, um eine große Vielfalt von Anwendungen abzudecken. Dafür wird der Fahrweg in viele Statorabschnitte unterteilt. Die Sekundärteile (passive Fahrzeuge) sind Permanentmagneten. Jedem Statorsegment werden sowohl ein Umrichter (Leistungsteil) als auch ein eigener Prozessor (Informationsteil) zugeordnet. Preisgünstige IPMs (Intelligent Power Modules) bieten heutzutage eine gute Lösung für die Implementierung des Umrichters. Ein DSP wird als Prozessor eingesetzt. Der DSP und der IPM sind die Hauptkomponenten des ausgelegten Servocontrollers, der zusammen mit einem Statorsegment ein Modul des Systems darstellt. Der DSP dient sowohl zur Steuerung des Umrichters als auch zur Kommunikation mit den benachbarten Modulen. Eine deutliche Reduzierung der Implementierungskosten des Servocontrollers wurde gewährleistet, indem die informationsverarbeitende Elektronik auf das Potential des Zwischenkreises (ca. -280V) gelegt wurde. Wenn sich ein Fahrzeug von einem Statorsegment zum nächsten bewegt, wandert dann die gesamte Regelungsaufgabe physikalisch in die nächste Informationsverarbeitungseinheit (DSP). Ein Datenaustauschbedarf mit der Zykluszeit der Stromregelung (100 µs) entsteht dann zwischen den benachbarten Modulen. In einem beliebig skalierbaren System entsteht daher auch ein beliebig großer Kommunikationsbedarf. Dieser Bedarf wird nur mit Hilfe einer direkten (Punktzu- Punkt) Verbindung zwischen den benachbarten Modulen erfüllt. Diese Verbindung wurde hier mit dem kostengünstigen RS485 Protokoll realisiert. Ein Leitrechner sorgt dann für die Erzeugung von Positions-Sollwerten für die Fahrzeuge, unter Berücksichtigung eines Fahrplanes. Die Zykluszeit für die Positions-Sollwerte liegt im Bereich von 1-10 ms. Das Monitoring (Beobachtung von internen Variabeln der zahlreichen Servocontrollern) wird auch in Echtzeit gewährleistet. Offline sind Download- und Upload-Aktionen von Firmware und allgemeine Dateien auch möglich. Dafür wurde für die Kommunikation zwischen dem Leitrechner und den verteilten Servocontrollern der Ethernetbasierte Feldbus EtherCAT verwendet.Innerhalb der Bearbeitungsstationen des Systems spielen die Positionierungsgenauigkeit und die Dynamik eine wichtige Rolle. Deswegen werden innerhalb dieser Stationen Positionssensoren verwendet. Für den Transport der Materialien außerhalb dieser Bereiche, wurde eine EMKbasierte sensorlose Regelung implementiert. Dadurch lassen sich weitere Systemkosten sparen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein kleiner Ausschnitt eines solchen modularen und beliebig skalierbaren Systems als Versuchsaufbau realisiert und dessen Funktionsfähigkeit nachgewiesen.German
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 600 Technik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik
Date Deposited: 08 May 2012 09:28
Last Modified: 07 Dec 2012 12:04
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-29499
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Mutschler, Prof. Dr.- Peter and Piepenbreier, Prof. Dr.- Bernhard
Refereed: 15 March 2012
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/2949
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