Drehmoment-Welligkeit von Servomotoren messen.
Optimale Auslegungen von Servomotoren für den High-End-Bereich erfordern eine Betrachtung des Torque-Ripple. Da stellt sich die Frage, wie lässt sich der Torque-Ripple messen.
Art des Regelkreises
Bevor man den Torque-Ripple eines Servoregelkreises näher spezifiziert, ist die Art des Regelkreises zu beachten: Stromregelkreis, was einer Drehmomentregelung entspricht, oder Geschwindigkeitsregelung stehen zur Auswahl. Bei einer Anwendung des Servomotors als Zug- oder Schubkraft (z.B. Bandtransport) wird der Servomotor in einem geschlossenen Stromregelkreis ohne Geschwindigkeitsrückführung betrieben. In diesem Anwendungsfall ist ein Torque-Ripple des Motors und zusätzlich ein Ripple, verursacht durch den
Stromregler, vorhanden. Bei einer Anwendung als Achsvorschub (z.B. Achse in einer Schleifmaschine) wird ein geschlossener Geschwindigkeitsregelkreis verwendet. In diesem Fall bestimmt die Bandbreite des Regelkreises wie gut die Torque-Ripple-Anteile kompensierbar sind.
Messung des Torque-Ripple
Eine typische Anlage zur Messung des Torque-Ripple eines Servomotors besteht aus einem Servomotor, einem Drehmomentmessgerät und einer Last. Alle drei Komponenten sind direkt miteinander verbunden bzw. gekoppelt. Als Last kann ein Gleichstromgenerator oder eine Wirbelstrombremse dienen. Das Drehmoment wird über den analogen Ausgang des Drehmomentmessgeräts gemessen. Auf einem Oszilloskop kann das Signal als Funktion über Zeit dargestellt werden. Aufschlussreicher wäre es jedoch die einzelnen Frequenzanteile des Drehmoments zu zeigen. Mittels Analyse des Frequenzspektrums können diese Anteile (z.B. Einfluss von Polzahl und Luftspalt) identifiziert und ggf. neutralisiert werden.
Die Geschwindigkeit des Servomotors während der Aufnahme des Torque-Ripple ist durch die Bandbreite des Servosystems und den Frequenzen der Hauptanteile des Torque-Ripple bestimmt. So sollte die Geschwindigkeit niedrig genug sein, da sonst das Trägheitsmoment die Drehmomentschwankungen überlagert. Die Geschwindigkeit sollte nicht zu hoch sein, da bestimmte Frequenzen in der Nähe der Bandbreite des Systems liegen. Mit den festgelegten Last- und Geschwindigkeitsmesspunkten (idealerweise der Arbeitsbereich), ist nun noch zu klären, wie die Messergebnisse des Torque-Ripple zu bewerten sind. Hier wird er als Prozentwert vom Verhältnis Spitze-Spitze-Wert zum durchschnittlichen Drehmomentausgang angegeben.Ändert sich der Arbeitsbereich, so ist eine erneute Messung zu den geänderten Bedingungen erforderlich.
Resümee
Torque-Ripple ist nicht nur schwierig zu messen, sondern er ist auch manchmal schwer eindeutig zu bestimmen. Idealerweise sind die Tests bei gleichen Bedingungen durchzuführen, wie sie bei der Anwendung vorkommen. Darunter sind die Geschwindigkeit und die Last die wichtigsten Parameter. Sind diese Parameter nicht verfügbar, so muss man eine möglichst realistische Abschätzung machen, um die Anwendung des Servomotors zu simulieren. Alternative Antriebe ohne Torque-Ripple sind z.B. eisenlose Motoren oder Voice-Coils.
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