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Sonntag, 13 August 2017

Optimierte Servoregelung durch adaptiven nicht-linearen Algorithmus

Optimierte Servoregelung durch adaptiven nicht-linearen Algorithmus

Für Servoregler wird häufig eine traditionelle kaskadierte Konfiguration genutzt, bei der ein Drehzahlregelkreis in einen Lageregelkreis eingebettet ist. Diese Konfiguration wurde zu einer Zeit entworfen, in der für die Strom- und Drehzahlregelung Hardware-Komponenten gewählt wurden, während die Lageregelung mittels Software erfolgte. Aufgrund ihrer Einfachheit ist sie weiterhin stark verbreitet. Der Drehzahlregler wird zuerst eingestellt, anschließend der Lageregler, und die Parameter für die Stromregelung werden in der Regel automatisch festgelegt. Der Lageregler bietet typischerweise einen einfachen Proportionalbeiwert, während der Drehzahlregler einen Proportionalbeiwert und einen Integralanteil besitzt (Abbildung 1).

DE_Fig_1_Cascaded_Control_LoopAbbildung 1: Traditionelle kaskadierte Regelkreise

Ein Nachteil dieser Konfiguration ist ein immanenter Schleppfehler bei Bewegungen, die proportional zur Drehzahl sind. Durch Vorsteuerungsmethoden lässt sich diese Abweichung meist beheben, der Nachteil ist allerdings eine Überschwingung oder eine längere Einschwingzeit.
Servotronix hat einen nicht-linearen Regelalgorithmus entwickelt, um diese Beschränkungen aufzuheben und die Leistung von Servoreglern in hochpräzisen Bewegungsanwendungen zu optimieren. Dieser geschützte Algorithmus mit der Bezeichnung HD Control (HDC) nutzt eine parallele Konfiguration, bei der sich alle Zweige auf einer Ebene befinden und in jeder Abtastperiode ausgeführt werden. Für jeden Zweig wird ein variabler Verstärkungsparameter bestimmt und automatisch für hohe Verstärkung und Stabilität angepasst. Somit werden die Lageabweichung und die Einschwingzeit auf minimale Werte beschränkt, die deutlich niedriger sind als bei anderen Reglern.
Die Hauptkomponenten des Algorithmus sind ein variables Verstärkungsmodul, das zu einem sehr niedrigen Schleppfehler beiträgt, und ein adaptives Vorsteuermodul, das eine sehr kurze Einschwingzeit ermöglicht (Abbildung 2).


Abbildung 2: HD Control (vereinfacht)

Variable Verstärkungsregelung

Die variablen Verstärkungen (VGd, VGp, VGiv, VGi) werden intern berechnet und während des Betriebs dynamisch durch den HDC-Algorithmus angepasst. Jede Verstärkung ist eine spezifische Funktion der Systemvariablen wie zum Beispiel Drehzahl und Lageabweichung. Während der Bewegung können die Werte der variablen Verstärkungen bis zu zehnmal so hoch sein wie im Stillstand. Dadurch ergeben sich bei der Bewegung eine hod genaue Pfadnachführung sowie ein geräuscharmer Betrieb bei geringer Geschwindigkeit und im Stillstand. Darüber hinaus ist die Steifigkeit des Systems während der Bewegung mehr als dreimal so hoch, was zu einem sehr geringen Schleppfehler führt.
Die vier variablen Verstärkungen werden von einem geschützten Algorithmus abgestimmt, der die Systemstabilität gewährleistet. Der Zweig des Parameters Kd ist mit dem Drehzahlrückführkreis zu vergleichen und senkt die Drehzahlabweichung. Der Zweig des Parameters Kp ist ein proportionaler Lagerückführkreis zur Senkung der Lageabweichung. Der Zweig des Parameters Ki ist ein Integral des Positionsrückführkreises und verringert die Stillstandsabweichung.
Der Zweig des Parameters Kiv ist eine Eigenheit der Regelung mit HD Control und vereint die Wirkung des Kp-Zweigs und des Ki-Zweigs. Die daraus resultierende Steifigkeit ist doppelt so hoch wie bei Kp, ohne dass Schwingungen entstehen. Somit wird der Schleppfehler sowohl bei der Beschleunigung als auch im Stillstand verringert. Zudem wird wie bei der integralen Rückführung (Ki) die Stillstandsabweichung eliminiert, doch die Reaktionszeit ist so kurz wie bei der proportionalen Rückführung (Kp) (Abbildung 3).

DE_Fig_3B_With_Kiv
Abbildung 3: Kiv, der spezielle Parameterzweig bei HD Control für geringeren Schleppfehler

Adaptive Vorsteuerung

Das adaptive Vorsteuermodul sorgt für eine kurze Einschwingzeit. Aufgrund der außergewöhnlichen Effektivität der Zweige Kiv und Ki, besteht die Rückführungsantwort (Stromsollwert) im Wesentlichen aus dem Integralanteil. Während der Bewegung wird das Verhältnis zwischen Beschleunigung und Motordrehmoment überwacht und während der Verlangsamung genutzt, um den Integralanteil zu verarbeiten.
Nach Abschluss der Bewegung modifiziert der adaptive Vorsteuerungsalgorithmus den Inhalt des Integralanteils entsprechend der voraussichtlichen (erwarteten) Pfadbeschleunigung, wodurch sich eine Einschwingzeit von nahezu Null ergibt (Abbildung 4).


Abbildung 4: Einschwingzeit nahe Null durch Verarbeitung des Integralanteils

Selbstoptimierung (Autotuning)

HDC ist Baustein der von Servotronix entwickelten und gefertigten Servoantriebsserie CDHD (Abbildung 5).
Abbildung 5: Antriebssystem CDHD

Die Einstellung erfolgt automatisch über die CDHD-Schnittstellensoftware ServoStudioTM. In den meisten Fällen ist die automatische Einstellung ausreichend, bei einigen Anwendungen kann jedoch eine manuelle Feineinstellung zur Optimierung der Regelparameter erforderlich sein.
Automatische und manuelle Einstellung erfolgen auf Basis des gleichen Prinzips. Bei der automatischen Einstellung wird die Qualität der Bewegung gemessen und vom Antrieb und der Software ausgewertet. Bei der manuellen Einstellung wird die Qualität der Bewegung vom Bediener beurteilt. Bei beiden Verfahren werden die Parameter der Servoregelung schrittweise angepasst, und der Wert, bei dem das Bewegungsverhalten am besten ist, wird ausgewählt.
Die Einstellung erfolgt bei HDC einfach und intuitiv und ähnelt der Vorgehensweise bei konventionellen PID-Regelungen. Die variablen Verstärkungen werden einzeln schrittweise erhöht, bis ein Schwingungsverhalten auftritt, und dann wieder um 10 bis 20 % auf einen sicheren Wert abgesenkt.

Anwendungen für HD Control

Ein Kunde von Servotronix benötigte für eine Portalroboteranwendung eine dauerhafte Genauigkeit von zwei bis drei Mikrometern bei Höchstgeschwindigkeit.
Bei einem Vergleichstest mit einem Servoantrieb eines Konkurrenten bei einer Geschwindigkeit von 160 mm/s zeigte der CDHD-Antrieb eine deutlich höhere Genauigkeit und geringere Welligkeit (Abbildung 6).
                                                                                Konkurrenzantrieb                         CDHD-8A 120/240 VAC-Antrieb von Servotronix

Abbildung 6: Antriebsgenauigkeit bei 160 mm/s (Maschinenausrichtungsmarkierung)

Fazit: HD Control erweist sich als besonders vorteilhaft für Anwendungen, die eine präzise Pfadnachführung und eine geringe Einschwingzeit erfordern, wie zum Beispiel CNC- und Schneidanwendungen, Förderernachführung, Entnahme- und Absetzvorgänge, Bohren und Montieren von Leiterplatten (PCBs), Schweißen, Lackieren, Beschichten und Kleben

 


Veröffentlicht in:
Antriebstechnik

Servotronix