Lagereglung und Schleppabstandsreduzierung

Interface

Zugang zu den Parametern des Lagereglers hat man über den System Manager.

Gewichtung der Vorsteuerung

In der Regel werden Achsen unter TwinCAT mit einer „Vorsteuer-Gewichtung“ von 1.0 betrieben. In seltenen Fällen kann es nötig sein, von dieser Einstellung abzuweichen. Dies ist dann der Fall, wenn die Achse einen stark nichtlinearen Zusammenhang zwischen Ansteuerung und Geschwindigkeit zeigt. Ein Beispiel sind Hydraulik-Ventile mit geknickten Kennlinien. In diesem Fall ist die Gewichtung so lange zu verringern, bis die Achse kein voreilendes Verhalten mehr zeigt. Es ist hier in der Regel nötig, komplexere Regler-Typen mit I-Anteil einzusetzen, um ein akzeptables Positionier-Verhalten zu erreichen.

Die Lageregelung

Die Lageregelung dient dazu, kleine Restfehler der Positionierung auszugleichen. Als Ursache dieser Restfehler kommen Laständerungen, reibungsbedingte und andere Nichtlinearitäten, kleine Ungenauigkeiten bei einer Reihe von Achsparametern, Offsets, Temperaturabhängigkeiten usw. in Frage.

Positions-P-Regler

Bei diesem Regler ist ein Kompromiss zu finden zwischen dem Wunsch nach einer möglichst vollständigen Ausregelung (also großer Kv) und einer geringen Schwingneigung des Systems (also kleiner Kv). In der Praxis hat es sich gezeigt, dass durch schrittweises Erhöhen des Kv-Wertes dieser Kompromiss schnell gefunden werden kann.

Die Vorgehensweise ist denkbar einfach: Es werden Probefahrten in beide Richtungen unternommen. Dabei ist in der Konstant-Fahrt auf ein ruhiges Fahren der Achse ohne erkennbare Lageregel-Schwingung zu achten. Dabei ist ein kleiner Rausch-Anteil in der Regler-Ausgabe nicht von Bedeutung. In der Zielanfahrt ist darauf zu achten, dass die Achse auf keinen Fall eine Schwingneigung (Zurückfedern) zeigt. Der Kv-Faktor kann so lange in kleinen Stufen (Faktor 1.2 bis 1.5) erhöht werden, bis die Achse die ersten Zeichen von Schwingneigung aufweist. Dann sollte der Kv-Faktor um etwa 20% reduziert werden, um einen Sicherheitsabstand von der Stabilitätsgrenze zu erhalten.

Wie bereits erwähnt bieten einige Regler die Möglichkeit eines automatischen Offset-Abgleichs an. Diese Funktion kann auf dem PID-Reiter des Reglers aktiviert werden. Dann sind als Parameter die „Filterzeit“ und das „Vorsteuer-Limit“ anzugeben. Für die Filterzeit ist in der Regel ein Wert im Bereich von Sekunden zu empfehlen. Auf jeden Fall ist zu bedenken, dass die Filterzeit sehr groß im Vergleich zum Ansprechverhalten der Achse sein. Ist sie zu klein, entsteht ein sogenannter Phasenschieber-Oszillator: Die Achse schwingt dann auf einer sehr niedrigen Frequenz. Mit dem Vorsteuer-Limit kann erreicht werden, dass der automatische Abgleich beim aktiven Positionieren nicht durch dynamisches Verhalten der Achse beeinflusst wird. Eine Sollgeschwindigkeit oberhalb dieses Wertes bewirkt ein „einfrieren“ des Offsets.

Positions-2P-Regler

Dieser Regler unterscheidet sich vom vorgenannten Regler nur dadurch, dass es möglich ist beim aktiven Fahren einen anderen Kv-Wert anzuwenden als bei der Lageregelung um Stillstand.

Als zusätzliche Parameter sind hier ein zweiter Kv-Wert und ein Geschwindigkeitsschwellwert einstellbar. Die Wirkung ist ein gleitender Übergang zwischen den Kv-Werten im Geschwindigkeitsbereich zwischen 0.0 (Stillstand) und dem Schwellwert.

Schleppabstandsreduzierung

Zur Schleppabstandsminimierung sollten Sie unbedingt das TwinCAT Scope benutzen.

1. Schleppabstand in Lagereglung minimieren. Mittleren Schleppabstand d [mm] im Stillstand bei Lagereglung (mit Vorzeichen) feststellen (Online-Menü). Den DAC-Offset auf Offset = d · Kv [mm/s] Einstellen (Ist der Schleppabstand positiv, dann hinkt der Istwert dem Sollwert hinterher und braucht etwas mehr Spannung um aufzuholen). Diese Formel gilt nur dann, wenn Motorpolarität und Geberpolarität übereinstimmen, andernfalls muss man den vorzeicheninvertierten Wert nehmen. Damit sollte sich der Schleppabstand auf ein Inkrement genau symmetrisch um 0.0 einstellen lassen.
2. Schleppabstand bei konstanter Sollgeschwindigkeit minimieren. Gegeben seien die Sollgeschwindigkeit V_S, Referenzgeschwindigkeit V_ref, Proportionalitätskonstante Kv und festgestellter Schleppabstand d [mm]. Dann wird als spannungsproportionale Ausgabegeschwindigkeit V = (V_S + Kv × d) / V_ref ausgegeben. Um den Schleppabstand zu vermeiden sollte dieselbe Geschwindigkeit mit der neuen Referenzgeschwindigkeit V_r ausgegeben werden, dass also V = V_S / V_r gilt. Damit erhält man für die neue Referenzgeschwindigkeit V_r=Vref/(1.0+1.0/(Kv×d)).

Positions-PP-Regler

Ist ein Positions-P-Regler richtig eingestellt, dann ist der Schleppabstand theoretisch proportional zur Beschleunigung. Um die Schleppabstände in der Beschleunigungs- und Verzögerungsphase zu minimieren kann man die Sollbeschleunigung mit einem zweiten Proportionalitätsfaktor Ka aufschalten, mit dem der Schleppabstand bei idealen Verhältnissen nur noch aus Rauschen besteht. Der Faktor Ka ist ungefähr gleich der Systemübertragungszeit, liegt also im Bereich kleiner 10 × T_saf s (T_saf Satzausführungstask-Zykluszeit).