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Regelverfahren für elektrische Antriebe

Lageregelung

Der Lageregelkreis

Der Lageregelkreis besteht aus dem Lageregler und der Regelstrecke. Die Regelstrecke enthält den drehzahlgeregelten Motor mit der angekoppelten Mechanik der Arbeitsmaschine.
Die Ausgangsgröße des Lagereglers und damit Eingangsgröße der Regelstrecke ist der Drehzahlsollwert. Der unterlagerte Drehzahlregelkreis sorgt für eine dynamische Verstellung der Drehzahl. Er kann für die grundlegende Betrachtung der Lageregelung vereinfacht und durch ein PT1-Glied mit einer kleinen Verzögerungszeitkonstante nachgebildet werden.
Die vom Drehzahlregelkreis bereitgestellte Drehzahl führt zu Lageänderungen an der Motorwelle und an den mechanischen Komponenten der angeschlossenen Arbeitsmaschine. Der Zusammenhang zwischen Drehzahl bzw. Winkelgeschwindigkeit und mechanischer Lage wird durch ein I-Glied beschrieben. Als Integrationszeitkonstante zwischen Drehzahl und gemessenem Lageistwert wird die Getriebeübersetzung wirksam.

Der Lageregler wird typischer Weise als P-Regler, bestehend aus einem P-Glied, ausgelegt. Er gibt den Drehzahlsollwert aus, der anschließend entsprechend den Gegebenheiten des Antriebes und der angeschlossenen Arbeitsmaschine auf einen Maximalwert begrenzt wird.
Der P-Regler dient zur unverzögerten Reaktion auf Sollwertänderungen bzw. das Einwirken von Störgrößen. Treten aufgrund dieser Vorgänge Regelabweichungen auf, bewirkt das P-Glied eine sofortige Änderung der Solldrehzahl und damit eine unverzögerte Reaktion des Lagereglers. Die Dynamik des Lageregelkreises hängt von der Proportionalverstärkung des Lagereglers, dem kv-Faktor ab. Es wird angestrebt, diesen so groß wie möglich einzustellen.

Der kv-Faktor beeinflusst unmittelbar die Größe des Schleppabstandes, der bei Verfahrvorgängen auftritt. Je größer der kv-Faktor ist, umso kleiner ist der sich einstellende Schleppabstand. Es besteht folgender Zusammenhang:

Schleppabstand = Verfahrgeschwindigkeit/kv-Faktor

Die Sollwertaufbereitung

Lageregler sind im allgemeinen Bestandteil einer Bewegungssteuerung. In Abhängigkeit von der zu lösenden Bewegungsaufgabe weist der Lagesollwert unterschiedliche zeitliche Verläufe auf.

• Bei Positionieranwendungen ändert sich der Lagesollwert immer dann, wenn eine neue Position angefahren werden soll. Der Lagesollwert kann deshalb sehr große Sprünge aufweisen. Gibt man diese ungefiltert an den Lageregler weiter, würden die unterlagerten Drehzahl- und Stromregler sehr schnell in die Drehzahl- und Strombegrenzungen eintreten. Die Mechanik der angeschlossenen Arbeitsmaschine würde mit starken Drehmomentstößen belastet und schnell verschleißen. Aus diesem Grund wird der Lagesollwert über einen speziellen Rampengenerator geführt und dort stark geglättet. Je nach Optimierungskriterium sind verschiedene Verrundungsfunktionen im Rampengenerator möglich.
  

• Bei Synchronisieranwendungen (elektronisches Getriebe, elektronische Kurvenscheibe) ändert sich der Lagesollwert fortlaufend. Er steigt je nach Drehrichtung kontinuierlich an oder fällt kontinuierlich. Aufgrund dieses kontinuierlichen Verlaufes ist bei Synchronisieranwendungen eine weitere Glättung durch einen Rampengenerator unnötig. Sie würde im Gegenteil sogar die Synchronisiergenauigkeit verschlechtern.

Vorsteuerung der Drehzahl und des Drehmomentes

Das Führungsverhalten von lagegeregelten Antrieben kann durch die Vorsteuerung von Drehzahl und Drehmoment stark verbessert werden. Dazu wird der mathematische Zusammenhang zwischen Lage, Drehzahl und Drehmoment ausgenutzt. Ist der zeitliche Verlauf des Lagesollwertes bekannt, kann durch Differentiation des Lagesollwertes berechnet werden, welche Verläufe von Drehzahl und Drehmoment erforderlich sind. Diese werden als Vorsteuerwerte zusätzlich in den Drehzahl- bzw. Stromregelkreis eingespeist. Sie stehen damit viel schneller zur Verfügung, als wenn sie erst durch die Reaktion der zugehörigen Regler erzeugt werden müssten. Strom- und Drehzahlregler werden entlastet und der Antrieb wird dynamischer.

In der praktischen Realisierung werden die Vorsteuerwerte für den Drehzahl- und den Stromregler innerhalb der Bewegungssteuerung gebildet. Bei dieser Vorgehensweise ist es möglich, auch die Maximalwerte für die Drehzahl und das Drehmoment zu berücksichtigen und den zeitlichen Verlauf des Lagesollwertes so vorzugeben, dass die Begrenzungen in den Regelkreisen nicht wirksam werden.