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antriebstechnikk 3/2016

antriebstechnik 3/2016

Schnell ans Ziel

Schnell ans Ziel Leistungssteigerung von Servoantrieben mithilfe von Model-Based Design Wie lassen sich eigentlich die Positionsgenauigkeit und die Drehzahl von Servoantrieben mithilfe von virtuellen Sensoren steigern? Eine interessante Methode ist die Verwendung von Model-Based Design. Das Ergebnis: Die Entwicklungszeit wurde um 70 % verkürzt. Die Servoantriebe von B&R Industrie- Elektronik aus Eggelsberg/Österreich werden in einer Vielzahl von industriellen Automatisierungsprozessen eingesetzt, darunter Verpackungstechnik, Druckmaschinen, Flaschen abfüllung und Extrusionsmaschinen. Zur Steigerung der Leistung von Servoantrieben hat B&R die Modellreihe der Acopos-Servoantriebe mit virtueller Sensortechnologie ausgestattet. Diese Technologie nutzt fortgeschrittene Algorithmen, um die Position von Lasten zu bestimmen, die beim Beschleunigen und Bremsen des Motors Biegekräften oder Torsionsmomenten ausgesetzt sind. Die Entwickler haben Model-Based Design mit Matlab und Simulink von Mathworks eingesetzt, um die virtuellen Sensoren zu implementieren und ein Simulink Blockset zu erstellen, mit dem die Kunden des österreichischen Spezialisten Automatisierungsprozesse modellieren und simulieren können, in denen die neue Servoantriebstechnologie genutzt wird. „Durch die frühe Modellierung und Simulation mit Matlab und Simulink konnten wir rasch die Realisierbarkeit der virtuellen Sensoren prüfen“, sagte Teamleiter der Firmwareabteilung, Dr. Engelbert Grünbacher. „Durch die Verfeinerung und Optimierung des Reglerentwurfs in Simulink konnten wir die Genauigkeit und Drehzahl des Antriebs maximieren und gleichzeitig den Energieverbrauch senken.“ Die Herausforderung Kunden von B&R müssen häufig das Ende einer flexiblen Verbindung, die mit einem Servomotor verbunden ist, exakt positionieren. Da das Hinzufügen von Sensoren zum Erkennen der Position die Kosten steigert, wurde ein Team von drei eigenen Entwicklern damit beauftragt, eine kostengünstige Alternative zu finden. Zunächst mussten sie ermitteln, ob mathematische Modelle verwendet werden können, um anhand der aktuellen Motorposition und des gegenwärtigen Drehmoments die Endposition der Verbindung zu berechnen. Falls sich diese Lösung als durchführbar herausstellen sollte, hätte das Team weniger als sechs Monate Zeit, um einen Controller zu entwickeln und einen voll funktionsfähigen Prototypen zu implementieren. Der Automatisierungsspezialist wollte sich von den Wettbewerbern unterscheiden und dazu seine Kunden mit Ressourcen ausstatten, die sie zum Modellieren und Simulieren eines Au tomatisierungssystems verwenden können, das auf Servoantrieben mit virtuellen Sensoren beruht. Die Lösung Bei B&R entschied man sich für Model- Based Design mit Matlab und Simulink, 01 Die Modellreihe der Acopos-Servoantriebe wurde mit virtueller Sensortechnologie ausgestattet 01 02 02 Durch Simulation konnte nicht nur die Entwicklungszeit bei B&R reduziert werden – auch der Kunde kann seine Produktionszyklen verkürzen 24 antriebstechnik 3/2016

KOMPONENTEN UND SOFTWARE virtuelle Sensoren zu großen Leistungssteigerungen führen können, einschließlich einer erheblichen Senkung der Einschwingzeit. Das Team integrierte C-Code anhand ihrer Simulink-Modelle auf dem Servo an triebs controller. Sie verifizierten diese C-Implementierung durch Einbettung und Ausführung als C MEX S-Funktion im Simulink-Systemmodell und anschließendem Vergleich der Simulationsergebnisse mit den Ergebnissen, die vom originalen Simulink-Reglermodell stammen. Die Entwickler erstellten ein Simulink- Blockset, der parametrierbare Blöcke für den Acopos-Servoantrieb sowie einen Synchronservomotor von B&R enthält. Dieser Blocksatz wurde durch eine extensive Simulation auf System ebene verifiziert und als C MEX S-Function bereitgestellt. B&R-Kunden verwenden dieses Blockset, um Automatisierungssysteme zu modellieren und zu simulieren, die diese Produkte verwenden. um die Entwicklung der virtuellen Sensortechnologie auf Acopos-Servoantrieben zu beschleunigen. Unter Verwendung von Matlab und der Sys tem Identification Toolbox konnte anhand gemessener Eingangs- und Ausgangszeitreihen eine mathematische Näherung der Motorlast erstellt werden. So entstand ein Zustandsreglermodell, das einen Kalman-Filter für die Zustandsbeobachtung beinhaltete. In Simulink wurden die Simulationen des Reglers und der Regelstrecke ausgeführt, wobei die Streckenparameter variiert wurden, um zu analysieren, wie verschiedene Lasten das Systemverhalten beeinflussen. Zudem wurden die Reglerparameter geändert, um die Leistung zu steigern. Bei der Nachbearbeitung der Simulationsergebnisse in Matlab stellte sich heraus, dass Die Ergebnisse „Die Entwicklung und das Debugging der virtuellen Sensoralgorithmen in C oder einer vergleichbaren Sprache hätte viel Zeit und Aufwand verschlungen“, sagt Dr. Grünbacher. „Durch die Verwendung von Matlab und Simulink haben wir die Entwicklungszeit um mind. 70 % gesenkt.“ Auch wurden wichtige Leistungsmetriken um 30 % oder mehr gesteigert. „Mit dem von uns in Simulink entworfenen und zur Serienreife entwickelten Controller wurde die Einschwingzeit um 30 % gesenkt und die Positionierungsgenauigkeit um mind. 50 % gesteigert“, so Dr. Grün bacher. „Durch diese Optimierungen können unsere Kunden ihre Produktionszyklen verkürzen und die Qualität verbessern.“ Ebenfalls wurden die Designprozesse des Anwenders mit speziellem Blocksatz unterstützt. „Es wäre für unser kleines Team nicht realistisch gewesen, ohne die Verwendung von Model-Based Design eine sechsmonatige Frist einzuhalten. Wenn wir alles in C hätten entwickeln müssen, hätten wir das Projekt noch nicht einmal gestartet. Die schnelle Analyse, Visualisierung sowie die Reglerauslegung in Matlab und Simulink haben das Projekt aber ermöglicht“, resümiert Dr. Grünbacher. www.mathworks.de www.br-automation.com Profile für die Ewigkeit. Hochpräzisionskugellager Spindeltechnik Freiläufe Dichtungen Berührungslose Dichtungen von GMN sichern aufgrund ihrer reibungsfreien Bauform eine unbegrenzte Lebensdauer und sorgen so für höchste Effektivität bezüglich zuverlässiger Maschinenlaufzeiten. GMN Paul Müller Industrie GmbH & Co. KG Äußere Bayreuther Str. 230 · D-90411 Nürnberg Phone: +49 911-5691-415 Fax: +49 911-5691-569 www.gmn.de

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