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Antriebstechnik

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Servoregler präziser regeln

Text: Yves Villaret, Servotronix Motion Control
Servoregler auf die traditionelle Weise zu regeln ist zwar einfach, doch müssen Anwender sich auch auf einen immanenten Schleppfehler einstellen. Für Applikationen mit präziser Pfadnachführung und geringer Einschwingzeit bietet ein israelisches Unternehmen eine neue Möglichkeit mit einem adaptiven, nicht-linearen Algorithmus.

Servoregler nutzen häufig eine traditionelle kaskadierte Konfiguration, bei der ein Drehzahlregelkreis in einen Lageregelkreis eingebettet ist. Diese Konfigurationslösung 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. Ein Nachteil dieser Konfiguration ist ein immanenter Schleppfehler bei Bewegungen, die proportional zur Drehzahl sind. Durch Vorsteuerungsmethoden lässt sich diese Abweichung meist beheben, es bleibt 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 erhöhen. Der geschützte Algorithmus 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.

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 Systemvariabeln 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 dreimal so hoch, was zu einem sehr geringen Schleppfehler führt.

Die vier variablen Verstärkungen werden von einem geschützten Algorithmus abgestimmt, der die Systemstabilität gewährleistet. Das adaptive Vorsteuermodul sorgt für eine kurze Einschwingzeit. Aufgrund der außergewöhnlichen Effektivität der Zweige Kiv und Ki, besteht die Rückführungsantwort, sprich der 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 Pfadbeschleunigung, wodurch sich eine Einschwingzeit von nahezu Null ergibt.

Autotuning

Die Einstellung erfolgt automatisch über die CDHD-Schnittstellen-Software ServoStudio. In den meisten Fällen ist die automatische Einstellung ausreichend, bei einigen Anwendungen kann jedoch eine manuelle Feineinstellung zur Verbesserung der Regelparameter erforderlich sein. Automatische und manuelle Einstellungen erfolgen auf Basis des gleichen Prinzips. Bei der automatischen 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 Prozent auf einen sicheren Wert abgesenkt.

Anwendungsfall

Ein Kunde von Servotronix benötigte
für eine Portalroboteranwendung eine dauerhafte Genauigkeit von 2 bis 3 µm bei Höchstgeschwindigkeit. Im Ver­gleichstest mit einem Wettbewerbsservoantrieb bei einer Geschwindigkeit von 160 mm/s schnitt der CDHD-Antrieb in Genauigkeit und Welligkeit besser ab.

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