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antriebstechnik 4/2015

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STEUERN UND

STEUERN UND AUTOMATISIEREN Optimierte Servoregelung Adaptiver nicht-linearer Algorithmus ermöglicht eine Reduktion der Lageabweichung und Einschwingzeit Dr. Yves Villaret Bei Servoreglern macht der verwendete Regelalgorithmus einen großen Unterschied. Meist werden kaskadierte Konfigurationen genutzt. Diese haben jedoch einige Nachteile, z. B. einen immanenten Schleppfehler. Servotronix hat einen Regelalgorithmus entwickelt, der diesen Fehler reduziert und darüber hinaus viele weitere Verbesserungen mit sich bringt. 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. 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. 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 Bezeich­ Dr. Yves Villaret, Technologie-Experte, Servotronix Motion Control, Israel nung 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 deutlich stärker r eduziert, sind als bei anderen Reglern. Die Hauptkomponenten des Algorithmus sind ein variables Verstärkungsmodul, das zu mal 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 „CDHD Servoantriebe von Servotronix garantieren eine präzise Pfadnachführung und eine geringe Einschwingzeit.“ einem sehr niedrigen Schleppfehler beiträgt, und ein adaptives Vorsteuermodul, das eine sehr kurze Einschwingzeit ermöglicht (Bild 01). 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 genaue Pfadnachführung sowie ein geräuscharmer Betrieb bei geringer Geschwindigkeit und im Stillstand. Darüber hinaus ist die Steifigkeit des Systems während der Bewegung mehr als drei­ 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) (Bild 02). Adaptive Vorsteuerung Das adaptive Vorsteuermodul sorgt für eine kurze Einschwingzeit. Aufgrund der Effektivität der Zweige Kiv und Ki, besteht die Rückführungsantwort (Stromsollwert) im Wesentlichen aus dem Integralanteil. 124 antriebstechnik 4/2015

STEUERN UND AUTOMATISIEREN 01 Vereinfachte Darstellung des HD Control-Algorithmus 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. Autotuning HDC ist Baustein der von Servotronix entwickelten und gefertigten Servoantriebsserie CDHD. Die Einstellung erfolgt automatisch über die von HDC-Schnittstellensoftware ServoStudio. In den meisten Fällen ist die automatische Einstellung ausreichend. In 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 einfache Einstellung von HDC 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. Präzise Pfadnachführung So erreicht der CDHD-Antrieb eine deutlich höhere Genauigkeit und geringere Welligkeit. Dadurch erweist sich HD Control 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) oder auch Schweißen, Lackieren, Beschichten und Kleben. www.servotronix.com 02 Durch den Algorithmus wird der Schleppfehler stark reduziert, zudem ergibt sich eine Einschwingzeit von nahe Null antriebstechnik 4/2015 125

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