PI-Regler-Grenzzyklen in einer Kaskadenregelung für High-Performance-Servo-Drives

Abstract:
Bei der Inbetriebnahme eines Kaskaden-Regelkreises für einen hochdynamischen Servo-Antrieb kann festgestellt werden, dass bei schnell eingestellten Reglern und kleinem Massenträgheitsmoment unkontrollierte Grenzschwingungen auftreten können (z.B. bei Getriebelose). Die Ursache derartigen Verhaltens ist der Geschwindigkeitsregler für den Fall der Spannungsbegrenzung des Stromreglers. Da in diesem Betriebsfall der durch den Geschwindigkeitsregler angeforderte Strom nicht erreicht werden kann, steigt dessen Integral-Anteil kontinuierlich an. Der so ermittelte Kompensationsstrom eines nicht vorhandenen Lastmoments hat besonders bei kleinen Massenträgheitsmomenten eine beachtliche Amplitude. Sobald der Drehzahlregelkreis sich dem Sollwert nähert, löst sich der Stromregler aus der Begrenzung. Anschließend gibt der Integrator des Drehzahlreglers den zuvor ermittelten Kompensationsstrom auf das System und lenkt es somit in die andere Richtung aus. Dies führt im Falle eines dynamischen Servo-Antriebs zu einem Eintreten in die gegenüberliegende Spannungsgrenze. Es entsteht eine niederfrequente Schwingung sehr hoher Amplitude. Die beschriebene Problematik hängt hochgradig von den Maschinenparametern und der Begrenzungsstrategie der Regler ab. Weiterhin kann festgestellt werden, dass bei Unterschreiten einer bestimmten Strombegrenzung das System nicht mehr in der Lage ist eine stabile Grenzschwingung aufzubauen. In dem Aufsatz wird der genannte Effekt ausführlich untersucht und dargestellt. Weiterhin wird ein Lösungsansatz vorgestellt, der in der Simulation wie auch in der Praxis das Entstehen der Grenzschwingung vollständig unterdrückt.