Automatische Reglereinstellung für schnelle Inbetriebnahme

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EPOS2 hat zwei Arten von Vorsteuerung implementiert

Bei vielen Antriebsanwendungen, beispielsweise beim konturtreuen Fräsen eines Werkstückes, muss die Regelgröße zu jeder Zeit genau einer vorgegebenen Trajektorie folgen. Dies wird aber durch den Regler allein nicht optimal gewährleistet – es entsteht ein Schleppfehler zwischen Ist- und Sollgröße. Um diesen Effekt zu minimieren bietet die EPOS2 eine modellgestützte Vorsteuerungsstruktur (feed forward). Ein Regler kann naturgemäß erst dann korrigierend eingreifen, wenn auch eine Regelabweichung vorhanden ist. Durch die Verzögerungen im Regelkreis entstehen dann die oben beschriebenen Abweichungen und Schleppfehler.

Da ein Bahngenerator die gewünschte Bahnkurve oder Solltrajektorie vorgibt, kann aus der Kenntnis der Trajektorie auch zu jedem Zeitpunkt, neben der gewünschten Position, auch die dazu notwendige Geschwindigkeit und Beschleunigung abgeleitet werden. Wenn nun noch Streckeneigenschaften, insbesondere die träge Masse und die Reibungskennwerte bekannt sind, sind daraus die Vorsteuerwerte für die gewünschte Dynamik des Systems berechenbar. Mit diesen Vorsteuerwerten kann der Motorstrom verzögerungsfrei so vorgegeben werden, dass die Solltrajektorie im Idealfall genau erreicht wird. Der Positionsregler muss dann nur noch minimale verbleibende Abweichungen ausregeln.

In der EPOS2 sind zwei Arten von Vorsteuerung (feed forward) implementiert. Die Beschleunigungsvorsteuerung liefert zusätzlichen Strom, der für Beschleunigungs- oder Bremsvorgänge der trägen Masse des Antriebs benötigt wird. Die Geschwindigkeitsvorsteuerung kann geschwindigkeitsproportionale Reibung (viscous friction) vorausschauend kompensieren.

Das autarke Einstellverfahren „Auto Tuning“

Inbetriebnahme und optimale Parametrierung der Regler- und Vorsteuerungsgrößen für ein bestimmtes System gestalten sich häufig schwierig, da in der Praxis ein A-priori-Wissen über die Parameter des Systems (Massen, Reibungen, etc.) meist nicht vorhanden ist. Eine rechnerische Bestimmung der Regler- und Vorsteuerungsparameter ist damit entweder nicht möglich oder sehr umständlich und zeitaufwändig. Um diese Problematik zu überwinden, bietet das System EPOS2 eine geführte Inbetriebnahme an, mit der die Regler- und Vorsteuerparameter automatisch bestimmt werden.

Das Auto Tuning von maxon ist ein modellbasiertes und selbsttätiges Einstellverfahren, das in zwei Hauptschritten erfolgt: Identifikation des Systems, Berechnung der Regler- und Vorsteuerungsparameter. Die Systemidentifikation erfolgt im Frequenzbereich. Der Frequenzgang der Strecke wird durch ein Dauerschwingungsverfahren ermittelt. Dazu wird in den Regelkreis ein Zweipunktglied eingefügt, das den nicht-linearen Regelkreis bei geeigneter Wahl der Parameter zu charakteristischen Eigenschwingungen anregt (Bild 5 siehe Gildergalerie). Die Grundschwingungen am Eingang X und am Ausgang Y der Strecke werden gemessen. Deren Verhältnis nach Betrag und Phase liefert einen Punkt des gesuchten Frequenzgangs.

Durch einen adaptiven Algorithmus wird die Verstärkung des Zweipunktgliedes automatisch so eingestellt, dass eine stationäre Dauerschwingung am Ausgang der Strecke Y eine bestimmte Amplitude erreicht. Durch passendes Einstellen der Zeitkonstante T des Tiefpasses wird auch die Phasenverzögerung des Systems vorgegeben. Mit Änderungen von Verstärkung und Zeitkonstanten lassen sich verschiedene charakteristische Frequenzen einstellen. So erhält man weitere Werte nach Betrag und Phase zur Rekonstruktion des Frequenzganges der Strecke.

Aus der so berechneten Übertragungsfunktion der Strecke sind die Reglerparameter, zum Beispiel nach der Methode der Polvorgabe, sowie die Vorsteuerungsparameter bestimmbar. Per Knopfdruck können so automatisch die passenden Regel- und Vorsteuerungsparameter gefunden werden. Die in der Praxis gewonnen Erfahrungen zeigen, dass dieses automatische Einstellverfahren auch bei sehr unterschiedlichen Streckeneigenschaften äußerst zuverlässig optimale Reglerparameter und Vorsteuerwerte liefert.

Je nach Anwendung oder Anforderung können dazu die Reglereinstellungen „soft“ oder „hard“ parametriert werden. Die Einstellung „soft“ führt zu einem langsamen aber gut gedämpften Regelverhalten. Im Gegensatz dazu führt die Einstellung „hard“ zu einem wenig gedämpften aber schnellen Einschwingvorgang auf den Sollwert.

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