Dubbele regelkring: geen tandwielspeling meer

Is het mogelijk om lasten dynamisch te positioneren, met hoge precisie en zonder oscillatie, ondanks mechanische speling en elastische componenten? Ja dat kan. Met behulp van een intelligent systeem.

Bij elektrische aandrijvingen worden lasten meestal verplaats met een encoder op de motoras die positie- en snelheidsinformatie doorgeeft aan de besturing. Een hoge encoderresolutie en een nauwkeurige detectie van de reactie van de motoras zijn essentieel voor een dynamische positieregeling. Maar vanuit het oogpunt van de toepassing is het uiteindelijk de nauwkeurigheid van de beweging van de last aan de uitgangszijde die cruciaal is voor de kwaliteit en maatnauwkeurigheid van de geproduceerde goederen. Tandwielen, spindels en aandrijfriemen kunnen hierop een negatief effect hebben. Afhankelijk van de bewegingsrichting kan tandwielspeling een andere lastpositie aan de uitgangszijde tot gevolg hebben. Elasticiteit kan vertragingen en oscillaties bij het starten of stoppen van de beweging veroorzaken. De eerste oplossing waaraan men dan denkt, is de encoder op de uitgaande as te monteren in plaats van op de motoras. Maar dit leidt tot nog slechtere systeemprestaties.

Bij een mechanisme met speling of elasticiteit is een besturing op basis van twee encodersystemen vereist voor een dynamische en nauwkeurige positionering van de last:

• Eén roterende encoder, de hulpencoder, is vast verbonden met de motoras. Deze moet al deel uitmaken van de motorcombinatie.
• Een andere encoder, de hoofdencoder, is verbonden met de bewogen last aan de uitgangszijde.
  
  
  

  Afbeelding 1 De architectuur van de dubbele regelkring bestaat uit drie geïntegreerde terugkoppelingen.

Om de signalen van deze twee encodersystemen te verwerken, is een dubbele regelkring nodig. De EPOS4-positioneerregelaars van maxon breiden deze dubbele regelkring uit met een tweede-ordefilter en een gain scheduler (variabele versterking) om mechanische resonantie en speling van het tandwiel tegen te gaan. De inbedrijfstellingssoftware EPOS Studio bevat een insteltool voor de regeling die automatisch de parameters voor de complexe regelaarstructuur bepaalt. Deze tool registreert ook de overdrachtsfunctie van de aandrijving.

Architectuur van de regeling

De EPOS4 gebruikt een cascaderegeling voor de dubbele regelkring (zie Afbeelding 1):

• De binnenste regelkring zorgt voor een veldgeoriënteerde regeling (field-oriented control ofwel FOC) van de motorstroom op basis van de gemeten motorstroom als feedbacksignaal.
• De middelste regelkring (hulpregeling) regelt het motortoerental op basis van de encoder op de motoras.
• De buitenste regelkring (hoofdregeling) regelt de positie van de last op basis van het encodersysteem op de last.

Een gedetailleerd overzicht van de dubbele regelkring EPOS4 is te zien in Afbeelding 2.

Hoofdregelkring

De hoofdregelkring bestaat uit een proportionele (P) regelaar, een gain scheduler en een tweede-ordefilter (het filter van de hoofdkring). Een ‘path planner’ berekent de gewenste positie van de last en de gewenste snelheid en versnelling als inputvariabelen voor de hoofdregelkring. Een andere ingangsvariabele is de huidige positie van de last, zoals gemeten door de encoder die op de last is bevestigd.

• Gain scheduler (variabele versterking)

De dubbele regelkring EPOS4 gebruikt de gain scheduler om negatieve effecten van de tandwielspeling te elimineren. De gain scheduler doet dit door automatisch door de proportionele versterking van de hoofdregelkring aan te passen. Als de volgfout – de afwijking van de werkelijke lastpositie ten opzichte van de gewenste positie – te groot is, wordt een hoge P-versterking toegepast die de afwijking snel wegneemt. Naarmate de volgfout kleiner wordt, neemt ook de P-versterking af, zodat er geen oscillatie in de aandrijving optreedt, ondanks de tandwielspeling.

• Hoofdkringfilter

Als er een bepaalde elasticiteit tussen de motor en de last bestaat vanwege koppelingen, riemen of lange spindels, kunnen resonantiefrequenties versterkende trillingen veroorzaken. Deze kunnen zodanig toenemen dat de regeling instabiel wordt. Om dit te voorkomen gebruikt de dubbele regelkring-controller EPOS4 een bandsperfilter als tweede-ordefilter. Dit filter onderdrukt het resonantiefrequentiebereik in het uitgangssignaal van de hoofdregelkring, waardoor harmonische oscillaties in de aandrijving vermeden kunnen worden.
 

Hulpregelkring

De hulpregelkring bestaat uit een proportioneel-integrerende (PI) regelaar met feed forward (FF) en een observer die het motortoerental op basis van de positiegegevens van de motorencoder en de motorstroommetingen schat.

Automatische afstelprocedure

Om de inbedrijfstelling te vereenvoudigen, beschikt de EPOS Studio software van maxon over een geïntegreerde auto-tuning-assistent om de parameters van de dubbele regelkring-controller te bepalen en te valideren. De automatische afstelprocedure bestaat uit twee controles die automatisch worden uitgevoerd.

• Controle 1 veroorzaakt oscillaties van de motoras. Deze oscillaties worden gebruikt om de massatraagheid, de koppelconstante en de wrijving in de motor te bepalen. De parameters voor de hulpkringregelaar en de observer worden daarna op basis van de vastgestelde gegevens berekend.
• Controle 2 wordt gebruikt om de parameters voor de hoofdregelkring en het bandsperfilter te berekenen. Een PRBS-signaal (= Pseudo-Random Binary Sequence) wordt gebruikt om de installatie te activeren. Op basis van de resulterende in- en uitgangsgegevens wordt de overdrachtsfunctie geïdentificeerd en gepresenteerd als een Bode-plot (zie Afbeelding 3).

De Bode-plot kan worden geëxporteerd. Het helpt regeltechnici bij de systeemanalyse om het mechanisch ontwerp te verbeteren, en bij de handmatige aanpassing van de regeling voor specifieke toepassingen.

Vergelijking tussen enkele en dubbele regelkring

De volgende grafieken tonen de verschillen in referentierespons en volgfout voor een systeem met speling in de tandwieloverbrenging (Afbeelding 4) en een systeem met een elastische koppeling (Afbeelding 5). In de grafieken wordt een enkele regelkring met een encoder op de last vergeleken met een automatisch geregelde dubbele regelkring met een encoder op zowel de motoras als de last.

Een dubbele regelkring is een manier om aandrijfsystemen nauwkeuriger en efficiënter te maken. maxon biedt niet alleen alle benodigde componenten, maar ook een enorme ervaring en advies – van het eerste idee en het systeemontwerp tot en met de commerciële productie op ware grootte.