Linearachsen-Servosystem

Heutige AC-Servosysteme unterscheiden sich deutlich von denen vor 10 Jahren. Schnellere Prozessoren und Encoder mit höherer Auflösung ermöglichen Herstellern erstaunliche Fortschritte in der Tuning-Technologie. Modellprädiktive Regelung und Schwingungsunterdrückung sind zwei dieser Fortschritte, die selbst in komplexen Servosystemen erfolgreich eingesetzt werden können.

Servotuning bei AC-Servosystemen ist die Anpassung der Reaktion eines elektrischen Steuerungssystems an ein angeschlossenes mechanisches System. Ein elektrisches Steuerungssystem besteht aus einer SPS oder einem Motion Controller, der Signale an den Servoverstärker sendet, wodurch der Servomotor das mechanische System in Bewegung versetzt.

Der Servomotor – ein elektromechanisches Gerät – dient als kritische Komponente, die die beiden Systeme verbindet. Innerhalb des elektrischen Steuerungssystems lassen sich viele Möglichkeiten zur Vorhersage des Verhaltens des mechanischen Systems finden.

In diesem Artikel untersuchen wir zwei Techniken der modernen Servo-Tuning-Technologie – modellprädiktive Regelung (MPC) und Schwingungsunterdrückung – und ihre Überlegungen auf Anwendungsebene.

CPU-Geschwindigkeit – schneller als je zuvor

Schnellere CPU-Geschwindigkeiten sind allgegenwärtig, und Servoverstärker bilden da keine Ausnahme. CPUs, die einst unerschwinglich waren, haben Einzug in die Servoverstärker-Entwicklung gehalten und ermöglichen komplexere und effektivere Tuning-Algorithmen. Vor zehn Jahren war eine Bandbreite von 100 oder 200 Hz im Geschwindigkeitsregelkreis üblich, während die heutigen Geschwindigkeiten deutlich über 1.000 Hz liegen können.

Über die Lösung von Regelkreisen hinaus ermöglichen schnellere Prozessoren Servoverstärkern die Echtzeitanalyse von Drehmoment, Drehzahl und Position. So lassen sich Maschineneigenschaften erkennen, die bisher nicht erfasst werden konnten. Komplexe mathematische Modelle lassen sich nun kostengünstig in Servoverstärker implementieren, um die Vorteile fortschrittlicher Regelalgorithmen zu nutzen, die weit über die Standard-PID-Optimierung hinausgehen.

Darüber hinaus kann ein schnellerer Prozessor auch die Daten eines Encoders mit höherer Auflösung verarbeiten, obwohl die höhere Auflösung dem System keine bessere Positionierungsleistung verleiht. Der limitierende Positionierungsfaktor ist in der Regel das mechanische System, nicht der Encoder. Ein Encoder mit höherer Auflösung ermöglicht es dem Steuerungssystem jedoch, Mikrobewegungen im mechanischen System zu erkennen, die mit einem Encoder mit niedrigerer Auflösung nicht erkennbar sind. Diese kleinen Bewegungen sind oft das Ergebnis von Vibrationen oder Resonanz und können, wenn sie erkannt werden, wichtige Daten zum Verständnis, zur Vorhersage und zur Kompensation des Verhaltens des mechanischen Systems liefern.

Die Grundlagen der modellprädiktiven Regelung

Kurz gesagt: Die modellprädiktive Regelung nutzt das zuvor vorgegebene Profil, um zukünftiges Drehmoment und Drehzahl vorherzusagen. Sind Drehzahl und Drehmoment für eine bestimmte Bewegung ungefähr bekannt, ist es nicht nötig, das Bewegungsprofil blind durch die PID-Regelkreise zu zwingen, die nur auf Fehler reagieren. Stattdessen besteht die Idee darin, die vorhergesagte Drehzahl und das Drehmoment als Vorsteuerung an die Servoregelkreise weiterzugeben und diese auf den verbleibenden minimalen Fehler reagieren zu lassen.

Damit dies korrekt funktioniert, benötigt der Verstärker ein gültiges mathematisches Modell der Maschine, das auf Eigenschaften wie Trägheit, Reibung und Steifigkeit basiert. Anschließend kann das Drehmoment- und Drehzahlprofil des Modells in die Servoschleifen eingespeist werden, um die Leistung zu steigern. Diese Modelle verwenden komplexe mathematische Funktionen, doch dank schnellerer Prozessoren im Servoverstärker werden sie zunehmend in der Motion-Control-Branche eingesetzt.

Trotz ihrer vielen Vorteile hat die modellprädiktive Regelung einen Nachteil: Sie eignet sich hervorragend für die Punkt-zu-Punkt-Positionierung, geht jedoch mit einer Zeitverzögerung während der Bewegung einher. Der Zeitfaktor ist der modellprädiktiven Regelung inhärent, da die jüngste Bewegung zur Vorhersage der zukünftigen Reaktion verwendet wird. Aufgrund dieser Verzögerung kann das exakte Befehlsprofil des Controllers möglicherweise nicht befolgt werden. Stattdessen wird ein ähnliches Profil generiert, das am Ende der Bewegung eine schnelle Positionierungszeit ermöglicht.

Vibrationsunterdrückung

Einer der nützlichsten Aspekte von MPC ist die Fähigkeit, niederfrequente Vibrationen in der Maschine zu modellieren, vorherzusagen und zu unterdrücken. Vibrationen in einer Maschine können Frequenzen vom einstelligen Hz-Bereich bis in den Tausendstelbereich aufweisen. Niederfrequente Vibrationen im Ein- und Zehntel-Hz-Bereich – oft zu Beginn und am Ende einer Bewegung spürbar – sind besonders problematisch, da sie innerhalb der Betriebsfrequenz der Maschine liegen.

Bestimmte Gerätekonfigurationen (z. B. eine Maschine mit einem langen, schlanken Greifarm) neigen dazu, diese niedrige Resonanzfrequenz stärker zu zeigen als andere. Solche vibrationsanfälligen Konstruktionen können aufgrund ihrer Länge erforderlich sein, beispielsweise um ein Teil durch eine Öffnung einzuführen. Ebenfalls vibrationsanfällig sind große Maschinen, deren Bauteile meist groß sind und mit niedrigeren Frequenzen schwingen. Bei solchen Anwendungen treten Schwingungen in der Endposition des Motors auf. Die Schwingungsdämpfungstechnologie im Servoverstärker reduziert diese Maschinenschwingungen deutlich.

MPC in einem Dual-Motor-Servosystem

Die Anwendung von MPC auf einen einachsigen Aktuator ist unkompliziert, und Abweichungen vom exakt vorgegebenen Profil sind bei Punkt-zu-Punkt-Bewegungen unerheblich. Ist jedoch eine Servoachse mechanisch mit einer anderen verbunden, beeinflussen sich ihre Bewegungsprofile gegenseitig. Ein Kugelumlaufspindel-Aktuator mit zwei Motoren ist eine solche Konfiguration.

Diese Doppelmotorkonfiguration kann bei größeren Anwendungen vorteilhaft sein, bei denen das zur Beschleunigung des Motorrotors erforderliche Drehmoment erheblich ist und ein einzelner, größerer Motor das erforderliche Drehmoment und die erforderliche Beschleunigung nicht erbringen könnte. Aus Abstimmungssicht ist der kritische Faktor, dass zwei relativ große Servomotoren eine schwere Last positionieren und mit nahezu vollem Nenndrehmoment und -drehzahl arbeiten. Werden die Motoren nicht synchronisiert, vergeuden sie ihre Drehmomente im Kampf um die Position. Sind jedoch die Verstärkungen beider Servomotoren gleich, sind auch die Verzögerungen der modellprädiktiven Regelung gleich, und die Motoren bleiben synchron.

Der erste Schritt beim Optimieren einer solchen Anwendung besteht darin, einen der Motoren physisch zu entfernen und das System wie üblich mit nur einem Motor zu optimieren. Ein Servomotor reicht für eine stabile Achsensteuerung, bietet jedoch nicht genügend Drehmoment, um das erforderliche Profil auszuführen. In diesem Fall wird die Autotuning-Sequenz des Herstellers verwendet, die einen Trägheitsparameter festlegt und die Funktion „Modellprädiktive Regelung“ aktiviert. Hinweis: Die mit einem Motor ermittelte Systemverstärkung muss letztendlich gleichmäßig auf beide Motoren verteilt werden. Der Trägheitsparameter vereinfacht diesen Schritt, da er als Skalierungsfaktor für die Servoschleifenverstärkungen fungiert und daher in jedem Verstärker auf die Hälfte des ursprünglichen Optimierungsergebnisses festgelegt wird. Der Rest des Optimierungsergebnisses kann dann von Achse eins auf Achse zwei kopiert werden. Die letzte Anpassung besteht darin, die Integrationskomponente von Achse zwei zu entfernen – dem zweiten Motor wird die Rolle der „Beschleunigungsunterstützung“ zugewiesen und die kleinen Integrationskorrekturen werden allein Motor eins überlassen.

Das Tuning-Konzept für eine solche Anwendung umfasst zwei Phasen. In der ersten Phase wird jede Achse einzeln abgestimmt, wobei die vom Hersteller bereitgestellte Autotuning-Funktion als Ausgangspunkt dient und die modellprädiktive Regelung aktiviert wird. Zusätzlich wird eine Schwingungsunterdrückung angewendet. Am Ende dieser Phase reagiert jede Achse sauber und gleichmäßig mit minimaler Schwingung.

In der zweiten Phase werden die Achsen gemeinsam betrieben, wobei der Fehler während eines Probelaufs aus Sicht der Steuerung überwacht wird. Ausgehend von gleich eingestellten MPC-Verstärkungen werden durch Ausprobieren die besten Einstellungen für eine MPC-Verstärkung ermittelt, die einen geringen Positionsfehler, einen gleichmäßigen Positionsfehler und eine gleichmäßige Bewegung ausbalanciert. Das Konzept besteht darin, dass bei gleichem Positionsfehler beide Achsen um die gleiche Zeit verzögert werden und das Teil trotz des hohen Positionsfehlers während der Bewegung auf die korrekten Abmessungen zugeschnitten wird.