Was ist Dual-Loop-Positionsregelung und wo wird sie benötigt?

Die meisten Motorsteuerungssysteme verwenden Kupplungen wie Zahnräder, Kugelumlaufspindeln, Riemen und andere Methoden, um die Kräfte vom Motor auf die Last zu übertragen. Sie werden aus verschiedenen Gründen eingesetzt, z. B. um das Drehmoment durch Getriebeübersetzungen zu erhöhen, eine Drehbewegung in eine lineare Bewegung umzuwandeln oder den Winkel des angelegten Drehmoments zu ändern. Neben ihren Vorteilen sind diese Übertragungssysteme auch mit Kosten verbunden. Sie können zum Beispiel die Reibung im System erhöhen und die Steifigkeit zwischen Motor und Last verringern. Die Steifigkeit kann durch die Biegung der Übertragungskomponenten sowie durch das von den Zahnrädern verursachte Spiel beeinträchtigt werden. So sind beispielsweise Kugelumlaufspindeln nicht vollkommen starr, sie können sich unter Last leicht verbiegen und dehnen. Auch Zahnräder sind nicht perfekt, sie können ein Spiel aufweisen, das ein geringes "Spiel" zwischen An- und Abtrieb verursacht.

Unser heutiges Thema wird sein, wie die Probleme, die durch Biegung und Spiel verursacht werden, unter Verwendung einer Positionssteuerung mit zwei Schleifen angegangen werden können.

Das Problem mit Single-Loop

Aus Kosten- und Komfortgründen sind Feedback-Geräte wie Encoder oft in den Motor integriert. Der Encoder der meisten Servomotoren ist normalerweise direkt an der Motorwelle montiert, normalerweise auf der Rückseite des Motors. In dieser Konfiguration ist der Encoder direkt mit der Motorwelle gekoppelt und daher ist sein Ausgang ein Hinweis auf die wahre Motorposition.

Wenn dann ein Zahnrad, eine Kugelumlaufspindel oder eine andere Übertragungsvorrichtung mit der Motorwelle verbunden wäre, würde die Position der Last dann unter Berücksichtigung der Übersetzungsverhältnisse der verwendeten Vorrichtungen berechnet werden. In vielen Fällen ist diese Konfiguration genau genug für die Anwendung. In einigen Fällen können jedoch die zusätzliche Flexibilität und das Spiel der Übertragung genügend Fehler verursachen, die zu einem Problem werden.

Nehmen wir zum Beispiel an, es gibt eine Fräsmaschine, die einen Rotationsmotor verwendet, der eine Kugelumlaufspindel dreht, um die Last zu bewegen. Mühlen können große Kräfte aufwenden, um Teile durch den Fräser zu schieben, und diese Kräfte können dazu führen, dass sich die Teile in der Fräsmaschine biegen. Das Ausmaß der Biegung wird von einer Reihe von Variablen beeinflusst, darunter wie weit die Kugelumlaufspindel ausgefahren wird und wie viel Kraft auf die Last ausgeübt wird. Wenn das einzige Feedback auf dem Motor wäre, könnten wir in Schwierigkeiten geraten. Dies liegt daran, dass sich zwischen dem Motor und der Last eine lange Kette von Teilen befindet, die sich verbiegen und biegen können. Glücklicherweise gibt es eine einfache Lösung, nämlich eine Waage (oder einen Encoder) auf die Last zu legen. Auf diese Weise können wir die Lastposition direkt messen, unabhängig davon, wie stark sich die Getriebeteile biegen.

Es ist jedoch nicht die ganze Lösung, den Encoder nur vom Motor zur Last zu bewegen. Das Platzieren der Rückkopplung am Motor führt zu einer stabilen und genauen Motorsteuerung, jedoch wird die Genauigkeit der Lastposition geopfert. Alternativ kann das Anbringen der Rückkopplung an der Last die endgültige Positionsgenauigkeit erhöhen, jedoch kann das System ohne Rückkopplung am Motor instabil werden, da das Spiel den Motor vorübergehend auf unvorhersehbare Weise unbelastet lassen kann.

Dual-Loop-Steuerung hinzufügen

Um sowohl Genauigkeit als auch Stabilität zu erreichen, besteht die Lösung darin, zwei Feedback-Geräte zu verwenden. Eine am Motor und eine an der Last. Diese Konfiguration wird Dual-Loop-Steuerung genannt und funktioniert wie folgt:

Beginnend mit dem Motor schließt das Steuersystem die Geschwindigkeitsschleife um den Motor herum. Das Schließen des Geschwindigkeitsregelkreises hier stabilisiert das System durch Steuern der Motorgeschwindigkeit unabhängig davon, wie das Spiel bewirkt, dass der Motor belastet oder entlastet wird. Diese Schleife wäre die innere Schleife in einem Doppelschleifen-Steuerschema.

Die zweite Schleife in diesem System ist die äußere Schleife. Hier schließt der Antrieb den Positionsregelkreis mithilfe einer Rückmeldung, die direkt die Lastposition misst. Das Platzieren der Rückkopplung auf der Last ermöglicht es der Steuerung, die Position genau zu messen und die Positionsschleife richtig zu schließen.

Zusammen arbeiten beide Schleifen in einem Dual-Loop-System zusammen, um eine stabile und genaue Bewegungssteuerung zu schaffen. Die direkte Messung der Position liefert dem Steuersystem genaue Informationen für die Positionsschleife. Kleine Positionsanpassungen und, was noch wichtiger ist, Richtungsänderungen werden durch Geschwindigkeitsbefehle in die Geschwindigkeitsschleife gehandhabt. Die Geschwindigkeitsbefehle kommen von der Positionsschleife, wo die Größe des Befehls proportional zum Betrag des Positionsfehlers ist. Da die Geschwindigkeitsschleife um den Motor herum geschlossen wird, entsteht kein "Slapping" -Effekt, bei dem der Motor plötzlich beschleunigt, wenn er aufgrund des Spiels entlastet wird. Die Geschwindigkeitsschleife verbessert die Motorsteuerung und ermöglicht es dem Motor, sich mit einer kontrollierten Geschwindigkeit zu drehen, unabhängig davon, wie er belastet ist.

Intelligentere Antriebe für bessere Kontrolle

Dual-Loop-Systeme auf intelligenten Antrieben können unterschiedliche Konfigurationen haben, z. B. Rotation-zu-Rotation oder Rotation-zu-Linear. Ein Beispiel für ein Drehsystem wäre ein Drehmotor, der mit einem Drehgetriebe verbunden ist. Die Rückmeldung sowohl für den Motor als auch für die Last würde Drehgeber verwenden. Ein Beispiel für ein Rotations-zu-Linear-System wäre ein Rotationsmotor, der mit einer Kugelumlaufspindel verbunden ist, wie im vorherigen Beispiel einer Fräsmaschine. Die Motorrückführung würde einen Drehgeber verwenden, während die Lastrückführung einen Lineargeber verwenden würde.

Viele intelligente Servoantriebe von ADVANCED Motion Controls verfügen über integrierte Dual-Loop-Funktionen. Positionierantriebe, die als Feature „Auxiliary Feedback“ aufführen, haben eine Dual-Loop-Steuerung. Sie finden sie auf unserer Website, indem Sie in unserer Produktsuche nach „Hilfsfeedback“ filtern.

von Rene Ymzon, Marketing Manager