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Servoregler Adaptiver nicht-linearer Algorithmus optimiert Servoregelung

| Autor / Redakteur: Dr. Yves Villaret / Ute Drescher

Ein nicht-linearer Regelalgorithmus optimiert die Leistung von Servoreglern in hochpräzisen Bewegungsanwendungen. Der Vorteil: Lageabweichung und die Einschwingzeit sinken deutlich.

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Für Servoregler wird häufig eine traditionelle kaskadierte Konfiguration genutzt, bei der ein Drehzahlregelkreis in einen Lageregelkreis eingebettet ist.
Für Servoregler wird häufig eine traditionelle kaskadierte Konfiguration genutzt, bei der ein Drehzahlregelkreis in einen Lageregelkreis eingebettet ist.
(Bild: Servotronix )

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, und 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.

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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 Bezeichnung 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 erhöht die Präzision der Spurführung

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 ergibt sich bei der Bewegung eine sehr genaue Spurführung 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. 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 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).

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