Labor Regelungstechnik. Versuch 4 Inbetriebnahme eines digitalen Antriebs

Transkript

1 Fakultät Elektrotechnik Institut für Elektrische Anlagen und Automatisierungstechnik Labor Regelungstechnik Prof. r.-ing. agmar Meyer ipl.-ing. Kris Rohrmann Versuch 4

2 Inhalt ZIELE ES VERSUCHS 4 VORAUSGESETZTE KENNTNISSE 4 1 THEORIE Kaskadenregelung für Strom, rehzahl und Position 5 1. Reglereinstellung nach Ziegler und Nichols Voraussetzungen Ablauf des Verfahrens Bestimmung der Reglerparameter Experimentelle Bestimmung der Parameter einer Strecke. Ordnung Experimentelles Vorgehen Beweis Annäherung einer Übertragungsfunktion durch ein PT 1 -Glied Vereinfachte Bewegungsgleichung des Motors 11 HINWEISE ZUR VERSUCHSURCHFÜHRUNG 1.1 ASR Bedienpult und automatische Parameter-Voreinstellung 13. Einstellungen für die Betriebsart Momentenregelung 15 3 AUFGABEN ZUR VERSUCHSVORBEREITUNG Berechnung des Stromregelkreises Verhalten des geschlossenen Regelkreises Näherung des Stromregelkreises durch ein PT 1 -Glied Übertragungsfunktion des rehzahlregelkreises 16 LabRT_V4 1.docx / Seite von 19

3 4 AUFGABEN ZUR VERSUCHSURCHFÜHRUNG Inbetriebnahme des Antriebsreglers Sprungantwort der rehzahlregelung Einstellung des rehzahlreglers nach Handbuch Sprungantwort der Stromregelung Einstellung des rehzahlreglers nach Ziegler und Nichols Schwingungsversuch nach Ziegler und Nichols P-Regler PI-Regler Analyse der Sprungantwort des geschlossenen rehzahlregelkreises Parameter eines schwingungsfähigen PT -Gliedes Ermittlung von Systemparametern aus der SprungantwortFehler! Textmarke nicht definiert. LabRT_V4 1.docx / Seite 3 von 19

4 Ziele des Versuchs Im Fokus dieses Versuchs stehen die Themen Praktische Reglereinstellung nach Ziegler und Nichols sowie die Kaskadenregelung. Nach der Vorbereitung und urchführung des Versuchs sollten Sie über folgende Kenntnisse und Fertigkeiten verfügen: Sie sind in der Lage, die praktische Reglereinstellung mit dem Verfahren von Ziegler und Nichols an einem realen System durchzuführen. Sie können aus einer gemessenen Systemantwort mit PT -Verhalten unter Anwendung des logarithmischen ekrements die Systemparameter bestimmen. Sie kennen das Verfahren der Näherung einer Strecke n-ter Ordnung durch ein PT1- Glied mit gleicher Regelfläche und können dieses praktisch anwenden. Sie sind in der Lage, eine Antriebsregelung in Kaskadenstruktur unter Verwendung der Parametrier- und Bedienoberfläche eines handelsüblichen Antriebsreglers für Servoantriebe zu parametrieren, in Betrieb zu nehmen und deren Verhalten zu analysieren. Sie kennen die vereinfachte Struktur der Regelstrecke elektrischer Antrieb. Sie können den Strom- und den rehzahlregelkreis dieses Systems analytisch berechnen. Vorausgesetzte Kenntnisse Neben den in diesem Laborskript erläuterten Grundlagen zur Kaskadenregelung und zur experimentellen Bestimmung der Parameter eines schwingungsfähigen PT -Gliedes werden in diesem Versuch insbesondere folgende Kenntnisse aus zuvor besuchten Lehrveranstaltungen vorausgesetzt: Berechnung von Kaskadenregelungen Näherungsverfahren, die bei der Berechnung von Kaskadenregelungen eingesetzt werden Überführung einer ifferentialgleichung in eine Übertragungsfunktion sowie in ein regelungstechnisches Blockschaltbild Praktische Reglereinstellung mit dem Verfahren nach Ziegler und Nichols Beurteilung des Einschwingverhaltens geschlossener Regelkreise LabRT_V4 1.docx / Seite 4 von 19

5 1 Theorie 1.1 Kaskadenregelung für Strom, rehzahl und Position er für den Versuch zur Verfügung stehende digitale Antriebsregler ARS 105 des Herstellers Metronix verfügt über eine integrierte Strom-, rehzahl- und Positionsregelung. Es handelt sich um einen Antriebsregler für rehstromantriebe mit integrierter feldorientierter Regelung. as Konzept der feldorientierten Regelung ermöglicht durch geschickte Koordinatentransformationen die Betrachtung des Strom-, rehzahl- und Lageregelkreises einer permanenterregten Synchronmaschine in gleicher Form wie die Regelung eines Gleichstrommotors. Bild 1-1 verdeutlicht das Prinzip. Bild 1-1 Prinzip der feldorientierten Regelung einer Synchronmaschine a die feldorientierte Regelung nicht Gegenstand dieses Laborversuchs ist, betrachten wir hier die sich letztlich ergebende Struktur der Kaskadenregelung in vereinfachter Form wie in Bild 1- gezeigt. Bild 1- Struktur der Kaskadenregelung LabRT_V4 1.docx / Seite 5 von 19

6 1. Reglereinstellung nach Ziegler und Nichols 1..1 Voraussetzungen ie Reglereinstellung nach Ziegler und Nichols ist ein Verfahren zur experimentellen Bestimmung der Parameter eines P-, PI- oder PI-Reglers. er sog. Schwingversuch nach Ziegler und Nichols wird direkt an der Regelstrecke, für die eine geeignete Reglereinstellung gesucht wird, durchgeführt. Während des Versuchs muss die Regelung mit einem P-Regler an die Stabilitätsgrenze geführt werden, so dass die Regelgröße auerschwingungen ausführt. Aus diesem Grund eignet sich das Verfahren nach Ziegler und Nichols nur für Regelstrecken, bei denen dies überhaupt möglich ist. Weiterhin muss sicher gestellt sein, dass die Regelstrecke durch den Schwingversuch keinen Schaden nehmen kann. In unserem Fall sollen die Parameter der rehzahlregelung des digitalen Antriebs nach diesen Einstellregeln bestimmt werden. a der Motor hierbei nur im Leerlauf betrieben wird, ist dies gefahrlos möglich. 1.. Ablauf des Verfahrens P-Regler auswählen kleinen Wert für K p einstellen Sprungantwort des geschlossenen Regelkreises aufnehmen Stationäre Schwingung? N K p erhöhen J K p,krit notieren T krit aus Sprungantwort ablesen Reglerparameter für gewünschten Reglertyp lt. Tabelle berechnen Parameter einstellen und Sprungantwort aufnehmen ggf. Parameter von Hand nachoptimieren Bild 1-3 Ablauf der Reglereinstellung nach Ziegler und Nichols LabRT_V4 1.docx / Seite 6 von 19

7 1..3 Bestimmung der Reglerparameter ie Reglerparameter werden aus den ermittelten Werten für K P,krit und T krit mit Hilfe von Tabelle 1-1 ermittelt. Tabelle 1-1 Reglerparameter nach Ziegler und Nichols Reglertyp Parameter Einstellung P K P 0.5 K P, krit PI PI K P T N K P T N T V 0.45 KP, krit 0.83 T krit 0.6 K P, krit 0.5 Tkrit 0.15 krit In den meisten Fällen ist die ämpfung des geschlossenen Regelkreises, die sich mit einem nach Ziegler und Nichols parametrierten Regler einstellt, sehr gering. ies ist darauf zurück zu führen, dass dieses Einstellverfahren ursprünglich aus dem Bereich der Verfahrenstechnik stammt, wo ein schwach gedämpftes dynamisches Verhalten relativ unproblematisch ist. Es wird deshalb erforderlich sein, die mit dem Verfahren berechneten Parameter durch manuelle Einstellung zu korrigieren. ennoch ist es durchaus von Vorteil, auf diese Weise zu einem ersten Anhaltspunkt für die Größenordnung sinnvoller Reglerparameter zu gelangen. 1.3 Experimentelle Bestimmung der Parameter einer Strecke. Ordnung Experimentelles Vorgehen Bei bestimmten Typen von Übertragungsstrecken ist es möglich, die Parameter näherungsweise aus der Sprungantwort zu bestimmen. Ein Beispiel hierfür ist die schwingungsfähige Strecke. Ordnung. Bild 1-4 zeigt die Sprungantwort eines solchen Übertragungsgliedes mit wichtigen Kenngrößen, die aus dem iagramm abgelesen werden können. 3 Sprungantwort eines PT -Gliedes mit = 0.3 Amplitude.5 K P û T e t [s] Bild 1-4 Sprungantwort eines PT -Gliedes mit Kenngrößen LabRT_V4 1.docx / Seite 7 von 19

8 ie zugehörige Übertragungsfunktion lautet: F( p) 1 0 p K P p 1 0 Aus der Sprungantwort lassen sich die beiden Kenngrößen Periodendauer und logarithmisches ekrement bestimmen. ie Periodendauer wird einfach abgelesen. Zur Bestimmung des logarithmischen ekrements ist der Betrag zweier benachbarter Überschwinger (ein positiver und ein negativer!) abzulesen. as logarithmische ekrement ist definiert als (1.1) ln 1 (1.) Aus der Periodendauer T e und dem logarithmischen ekrement können die Parameter des PT -Gliedes wie folgt bestimmt werden: (1.3) 0 (1.4) T e Beweis er Vollständigkeit halber wird im Folgenden die Herleitung der Gleichung (1.3) angegeben. Zur Anwendung der Parameterbestimmung für ein PT -Glied kann die Gleichung als gegeben vorausgesetzt werden. ie Rechnung dient ausschließlich dem Nachweis der Richtigkeit dieser Angabe! ie Gültigkeit der Formeln (1.3) und (1.4) lässt sich ausgehend von der analytisch berechneten Sprungantwort des PT -Gliedes nachweisen. ie auf das Eingangssignal bezogene Sprungantwort h(t) kann in der Form oder als 0t h( t) K t P 1 e cos 1 0t sin h( t) KP 1 e t 1 1 cos 1 0t mit arctan 1 geschrieben werden. Um die Minima bzw. Maxima dieser Funktion zu bestimmen, muss die Sprungantwort (hier Gleichung (1.6)) zunächst nach der Zeit abgeleitet werden: dh KP 0t 0e cos e e dt 1 Nullsetzen der Ableitung zum Auffinden der Extrema liefert: t sin t 0 0t t e sin t e (1.5) (1.6) (1.7) 0 cos e e e (1.8) LabRT_V4 1.docx / Seite 8 von 19

9 iese Gleichung ist erfüllt für t tan tan e (1.9) amit ergibt sich die Bedingung t k mit k 0,1,,3, (1.10) e ie Minima bzw. Maxima der Sprungantwort finden wir also zu den Zeitpunkten k tmin, max (1.11) e Setzt man die gefundenen Zeitpunkte in die Gleichung der Sprungantwort (1.5) ein, erhält man die Signalamplitude im Minimum bzw. Maximum: h( t 1 e k 0 e max, min ) KP 1 1 cos Unter Berücksichtigung des Zusammenhangs k 0 e 1 sin k 0 e (1.1) e 0 1 (1.13) ergibt sich daraus h( t max, min k 1 ) KP 1 e cos( k ) (1.14) Nun können die Amplitudenverhältnisse zur Bestimmung des logarithmischen ekrements berechnet werden: ˆ cos( k ) k 1 e cos( k 1) k1 1 h e (1.15) hˆ Aus Gleichung (1.15) kann nun durch Logarithmieren die ämpfung bestimmt werden. Wir erhalten: 1 1 hˆ mit ln hk k ˆ 1 q.e.d (1.16) 1.4 Annäherung einer Übertragungsfunktion durch ein PT 1 -Glied ie Auslegung einer Kaskadenregelung erfolgt stets von innen nach außen. Um die Reglerparameter der äußeren Regelschleife bestimmen zu können, muss der geschlossene innere Regelkreis durch ein PT 1 -Glied angenähert werden, damit die analytische Berechnung der gesamten Regelung überhaupt noch möglich ist. Für die Näherung der Übertragungsfunktion des inneren Regelkreises durch ein PT 1 -Glied kommt das Verfahren der Betrachtung der linearen Regelfläche zum Einsatz. as Prinzip der Ermittlung der linearen Regelfläche aus der Sprungantwort verdeutlicht Bild 1-5. Soll das Verhalten einer Übertragungsfunktion durch ein PT 1 -Glied angenähert werden, werden Verstärkung und Zeitkonstante dieser Ersatz-Übertragungsfunktion so bestimmt, dass sich die gleiche Regelfläche für die Original- und die Ersatz-Übertragungsfunktion ergibt. LabRT_V4 1.docx / Seite 9 von 19

10 Step Response 0.7 Amplitude Time (sec) Bild 1-5 Lineare Regelfläche ie Berechnung der Ersatzgrößen wird hier ohne Beweis angegeben. Für weitere etails sei auf die Lehrveranstaltung Regelungstechnik Anwendungen verwiesen. ie Normalform einer allgemeinen Übertragungsfunktion n-ter Ordnung eines Systems mit Ausgleich lautet: 1 ie Ersatzzeitkonstante eines PT 1 -Gliedes mit gleicher Regelfläche ergibt sich zu a die Verstärkung des Ersatz-PT 1 -Gliedes natürlich identisch mit der Verstärkung der zu nähernden Übertragungsfunktion sein muss, ergibt sich diese zu Bild 1-6 zeigt den Verlauf der genäherten Sprungantwort im Vergleich zur Original- Sprungantwort für ein schwingungsfähiges System. Ordnung..5 Step Response Amplitude PT -Glied mit = 0,5 PT 1 -Näherung Time (sec) Bild 1-6 Näherung eines PT -Gliedes durch ein PT 1 -Glied mit gleicher Regelfläche LabRT_V4 1.docx / Seite 10 von 19

11 1.5 Vereinfachte Bewegungsgleichung des Motors Unter Annahme einiger Vereinfachungen, insbesondere unter Vernachlässigung der Reibung und der durch die rehbewegung induzierten Gegenspannung, ergibt sich eine einfache Bewegungsgleichung zur Beschreibung des Verhaltens des Motors. as rehmoment des Motors ist proportional zum momentenbildenden Motorstrom: (1.17) m A ist das Antriebsdrehmoment, K M die rehmomentkonstante des Motors. as rehmoment beschleunigt den Motor; es ist das Äquivalent zur Kraft bei der translatorischen Bewegung. er Motor treibt üblicherweise eine Last an, d. h. ein Lastmoment m L wirkt dem Antriebsmoment m A entgegen. amit ergibt sich die vereinfachte Bewegungsgleichung zu: (1.18) as Lastmoment m L stellt eine Störgröße dar, die vom Regler ausgeregelt werden muss. Aus Gleichung (1.18) kann man nun einfach das Übertragungsverhalten zwischen dem Strom i(t) und der Beschleunigung ermitteln. LabRT_V4 1.docx / Seite 11 von 19

12 Hinweise zur Versuchsdurchführung ie gesamte Versuchsdurchführung erfolgt mit dem digitalen Antrieb ARS 105 des Herstellers Metronix. ieser Antrieb verfügt über eine Parametrieroberfläche (ServoCommander), die auf einem Standard-PC lauffähig ist. er PC wird über die serielle Schnittstelle mit dem Antriebsregelgerät gekoppelt. Auf diese Weise können sowohl aten aus dem Gerät gelesen als auch in das Gerät geschrieben werden. Zum Starten der Parametrieroberfläche oppelklick auf: Es erscheint die Bedienoberfläche zum Metronix Servoantrieb ARS105. as Öffnen des Programms dauert eine gewisse Zeit, da sofort eine Kommunikation mit dem Gerät aufgebaut wird. ie Übertragung der aten über die serielle Schnittstelle nimmt einige Zeit in Anspruch. Bild -1 Bedienoberfläche des Metronix ServoComander Aus dieser Bedienoberfläche heraus werden alle Befehle und Einstellungen ausgeführt. Status-Fenster: ieses Fenster hat rein informativen Charakter. Es zeigt den aktuellen Zustand des digitalen Antriebs. Im Verlauf des Versuchs werden sich die paramterabhängigen Zustandsdaten ändern. ies wird hier angezeigt. Bitte nehmen Sie in diesem Fenster keine Einstellungen vor. Kommando-Fenster: Im Kommando-Fenster können alle notwendigen Regler- und Reglerparameteränderungen vorgenommen werden. Machen Sie sich mit diesem Fenster und seinen Untermenüs vertraut. LabRT_V4 1.docx / Seite 1 von 19

13 Istwerte-Fenster: Alle aktuellen Werte wie Geschwindigkeit, rehmoment oder Temperatur werden im laufenden Betrieb hier ausgegeben. Zur Kontrolle sollten Sie regelmäßig ein Blick auf dieses Fenster werfen. Oszilloskop-Fenster: ie Bedienoberfläche verfügt über eine sog. Oszilloskopfunktion (Bild -), mit der die grafische arstellung verschiedener interner Größen des Reglers (Soll- und Istwerte) ermöglich wird. Mit dieser Funktion sollen alle im Rahmen der Versuchsdurchführung geforderten Messungen durchgeführt werden. ie Oszilloskopfunktion wird über die Menüleiste unter Ansicht\Oszilloskop aufgerufen. Mit dem Button Einstellungen im Fenster Oszilloskop können Sie CH1-CH4 sowie die Zeitbasis und den Trigger einstellen. ie Bedienphilosophie und die Bedeutung der Einstellungen entsprechen einem normalen Oszilloskop. Um das Oszilloskop zu aktivieren setzen Sie ein Häkchen bei RUN / STOP. Bild - Oszilloskopfunktion der Parametriersoftware.1 ASR Bedienpult und automatische Parameter-Voreinstellung Im Laufe der Versuchsdurchführung kommt das ASR Bedienpult (Bild -3) zum Einsatz. as Bedienpult für den Antriebsmotor ist entsprechend beschriftet. Es wird verwendet, um die Freigabesignale für den Antrieb zu bedienen und den Regelkreis mit einem Sprung anzuregen. ie nachfolgenden Schritte erläutern das ordnungsgemäße Bedienen des Pults. 1. Endst. einschalten (grüne LE über dem Schalter leuchtet). Regler freigeben (grüne LE über dem Schalter leuchtet) 3. Sollwertfreigabe von Ground auf Analog-IN0,1 umschalten (Sollwertsprung erfolgt) Mit dem Potentiometer am Analog-IN0 lässt sich der rehzahlsollwert einstellen. Bei dem zweiten Motor, der als Lastmaschine zur Untersuchung des Störverhaltens eingesetzt wird, wird über das Potentiometer des zugehörigen Bedienpults (Kennzeichnung Lastmotor) der Momentensollwert eingestellt. LabRT_V4 1.docx / Seite 13 von 19

14 Einstellung eines analogen rehzahl-sollwertes Reglerfreigabe Freigabe Leistungsendstufe Schalter nach oben: Sollwertsprung mit der eingestellten Amplitude Achtung: Schalter prellt häufig Verlauf des Sprunges auf dem Oszilloskopbild kontrollieren und ggf. Vorgang wiederholen Bild -3 ARS-Bedienpult Um die automatische Einstellung der Parameter des Stromreglers (Verstärkung und Zeitkonstante) durchzuführen, wählen Sie in der Menüleiste Parameter\Reglerparameter\Stromregler und klicken auf Automatisch bestimmen. Befolgen Sie anschließend die angezeigten Anweisungen. Bild -4 Fenster zur automatischen Einstellung des Stromreglers LabRT_V4 1.docx / Seite 14 von 19

15 . Einstellungen für die Betriebsart Momentenregelung In einem Teilversuch soll der Antrieb in der Betriebsart Momentenregelung betrieben werden. iese bedeutet, dass nur der Stromregelkreis aktiv und der rehzahlregelkreis aufgetrennt ist. Für die Einstellung dieser Betriebsart sollten Sie wie folgt vorgehen: Im Fenster Kommando auf Momentenregelung umschalten. Reglerkaskade öffnen und auf Sollwert-Selektor klicken. Im Kartei-Reiter rehzahlregler unter Funktionsselektor A inaktiv anwählen. Im Kartei-Reiter Momentenregelung unter Funktionsselektor A rehmomentsollwert anwählen. Unter Selektor A (Addierer) den Analogeingang 0 mit einem Häkchen aktivieren und mit dem nebenliegenden Button das Fenster Analoge Eingänge öffnen. Im Kartei-Reiter AIN 0 den rehmomentsollwert vorgeben. Analog zur Einstellung der Momentenregelung kann die Einstellung der Betriebsart rehzahlregelung vorgenommen werden. Eine kleine Erweiterung bei der Regelung der rehzahl ist die Wahl des Reglertyps in der Menüleiste Parameter\Reglerparameter\rehzahlregler Eines der wesentlichen Ziele dieses Versuchs besteht darin, sich in begrenzter Zeit mit einem industriell eingesetzten Antriebsregelgerät vertraut zu machen und die Regelung in Betrieb zu nehmen. Aus diesem Grund wird an dieser Stelle nicht detailliert auf das Gerät und die Bedienoberfläche eingegangen. ie Parametrieroberfläche verfügt über eine Online-Hilfe, außerdem ist die Anwenderdokumentation zum Gerät auf der Webseite zum Labor Regelungstechnik und auf dem Versuchsrechner als pdf-okument verfügbar. ie sog. Erstinbetriebnahme des Antriebsreglers, bei der z. B. der angeschlossene Motor und dessen Leistungsdaten ausgewählt werden müssen, wurde bereits durchgeführt! Bitte verändern Sie während des Versuchs nur Reglerparameter, nicht jedoch Grundeinstellungen! LabRT_V4 1.docx / Seite 15 von 19

16 3 Aufgaben zur Versuchsvorbereitung ie Vorbereitungsaufgaben sind Bestandteil des Versuchs und müssen zu Hause vor dem Versuch bearbeitet werden. ie Ergebnisse werden für die urchführung benötigt. aher ist die urchführung eines Versuches ohne Vorlage der Vorbereitungsaufgaben nicht möglich. ie zugehörigen Berechnungen müssen am Versuchstag in handschriftlicher Form vorzulegen und werden vom Laborbetreuer mit einem Testat versehen. ie testierte handschriftliche Fassung ist dem Laborbericht beizufügen und soll auf keinen Fall im Rahmen des Laborberichtes nochmals abgeschrieben oder abgetippt werden. Auf dem PC erstellte Vorbereitungen werden nicht akzeptiert sie gelten als nicht angefertigt. 3.1 Berechnung des Stromregelkreises ie Regelstrecke, die der Stromregler (innere Regelschleife der Kaskadenregelung) sieht, wird ausschließlich durch die elektrischen Parameter, d. h. den Wicklungswiderstand R S und die Induktivität L S der Statorwicklung bestimmt. Somit ergibt sich folgende Streckenübertragungsfunktion: 1 1,, 1 mit, 1 und, Eingangsgröße ist die vom Umrichter an den Motor ausgegebene Spannung, Ausgangsgröße ist der drehmomentbildende Strom. Als Stromregler wird ein PI-Regler eingesetzt Verhalten des geschlossenen Regelkreises Berechnen Sie mit den oben angegebenen Vorgaben die Übertragungsfunktion des geschlossenen Stromregelkreises in allgemeiner Form, d. h. ohne Pol-/Nullstellenkompensation oder andere Annahmen über die Reglerparameter. Bringen Sie die Übertragungsfunktion auf die Normalform. Ermitteln Sie aus der Übertragungsfunktion eine Gleichung zur Berechnung der ämpfung des geschlossenen Regelkreises Näherung des Stromregelkreises durch ein PT 1 -Glied Für die Berechnung der überlagerten Regelkreise ist es notwendig, die Übertragungsfunktion des geschlossenen Stromregelkreises durch ein PT 1 -Glied mit gleicher Regelfläche anzunähern. Bestimmen Sie formelmäßig die Ersatzzeitkonstante und die Verstärkung des Ersatz-PT 1 - Gliedes des geschlossenen Stromregelkreises aus dem Ergebnis der Aufgabe Übertragungsfunktion des rehzahlregelkreises Zeichnen Sie ein Blockschaltbild des gesamten rehzahlregelkreises. Für die Übertragungsfunktion des inneren Stromregelkreises nehmen Sie bitte direkt die PT 1 -Näherung aus Aufgabe 3.1. an. ie übrigen Streckenanteile erhalten Sie aus der vereinfachten Bewegungsgleichung, die in Abschnitt 1.5 beschrieben ist. Berechnen Sie in allgemeiner Form (ohne Einsetzen von Zahlenwerten) die Übertragungsfunktion des geschlossenen rehzahlregelkreises aus dem Blockschaltbild. Als rehzahlregler soll hierfür ein P-Regler angenommen werden. LabRT_V4 1.docx / Seite 16 von 19

17 4 Aufgaben zur Versuchsdurchführung 4.1 Inbetriebnahme des Antriebsreglers Sprungantwort der rehzahlregelung Machen Sie sich mit der Bedienoberfläche Metronix ServoCommander vertraut. Stellen Sie zunächst den drehzahlgeregelten Betrieb ein und zeichnen Sie mit der Oszilloskopfunktion die Antwort auf einen rehzahlsollwertsprung auf. Verwenden Sie hierbei die automatische Voreinstellung der Parameter des Stromreglers. Für die Verstärkung und die Nachstellzeit des rehzahlreglers wählen Sie 5 und Einstellung des rehzahlreglers nach Handbuch Nehmen Sie eine Optimierung der Einstellung des rehzahlreglers vor, wie sie im Kap des Softwarehandbuchs Servopositionierregler ARS 100 beschrieben ist Sprungantwort der Stromregelung Betreiben Sie den Regler nun in der Betriebsart Momentenregelung. Zeichnen Sie die Antwort auf einen Sprung des Stromsollwertes auf. Achten Sie darauf, den Regler bei diesem Teilversuch aus Sicherheitsgründen jeweils nur für kurze Zeit einzuschalten (Schalter Reglerfreigabe auf dem ARS-Bedienpult)! er Motor erreicht in dieser Betriebsart sehr schnell hohe rehzahlen! Berechnen Sie mithilfe der Ergebnisse aus der Vorbereitungsaufgabe 3.1 folgende Werte, die sich für die Reglerparameter aus der automatischen Voreinstellung des Stromreglers ergeben: ämpfung des geschlossenen Stromregelkreises Ersatzzeitkonstante für den geschlossenen Stromregelkreis Beurteilen Sie grob anhand Ihrer gemessenen Sprungantwort, ob diese Werte zutreffend sind. Begründen Sie Ihre Antwort. 4. Einstellung des rehzahlreglers nach Ziegler und Nichols 4..1 Schwingungsversuch nach Ziegler und Nichols Schalten Sie den Antriebsregler wieder in die Betriebsart rehzahlregelung. Führen Sie nun einen Schwingungsversuch nach Ziegler und Nichols zur Bestimmung der kritischen Verstärkung K P,krit und der Periodendauer T krit der Schwingung durch. okumentieren Sie Ihre Vorgehensweise und das erzielte Ergebnis. 4.. P-Regler Bestimmen Sie aus den Ergebnissen des Schwingungsversuchs die Reglerverstärkung eines P-Reglers. Untersuchen Sie am Antrieb sowohl das Führungs- als auch das Störverhalten. Nehmen Sie, falls erforderlich, eine Nachoptimierung der Parameter von Hand vor. okumentieren Sie Ihr Ergebnis und begründen Sie Ihre Vorgehensweise. >>>>>>>>>>> Weiter auf der nächsten Seite >>>>>>>>>>> LabRT_V4 1.docx / Seite 17 von 19

18 Zur Erzeugung einer Störung (Laststörung) verwenden Sie das zweite am Versuchsplatz ausliegende Bedienpult. er zugehörige Antriebsregler ist vollständig in Betrieb genommen und parametriert, so dass keine weiteren Einstellungen mehr nötig sind. Lediglich Vorzeichen und Amplitude des Momentensprunges können mit Hilfe des Potentiometers Analog-IN0,1 eingestellt werden. Bei der Untersuchung des Störverhaltens bitte folgende Punkte beachten: Zuerst den Antriebsmotor durch Vorgabe eines rehzahlsollwertes auf eine konstante rehzahl (max U/min.!) beschleunigen. Anschließend mit Hilfe des zweiten Bedienpultes einen sprungförmigen Momentensollwert auf den als Lastmaschine dienenden zweiten Antrieb geben. Richtung beachten: er Antriebsmotor soll durch das Lastmoment gebremst und nicht beschleunigt werden! Passen Sie die Triggereinstellungen des Oszilloskops entsprechend an. Sie müssen jetzt auf den infolge des Lastmomentes abnehmenden rehzahlistwert (fallende Flanke) triggern PI-Regler Führen Sie die gleichen Untersuchungen wie in Aufgabe 3.. nun mit dem gemäß der Einstellregeln nach Ziegler und Nichols parametrierten PI-Regler durch. 4.3 Analyse der Sprungantwort des geschlossenen rehzahlregelkreises Parameter eines schwingungsfähigen PT -Gliedes Für diesen Teilversuch muss die Klauenkupplung, die den Antriebsmotor mechanisch an den Lastmotor koppelt, geöffnet werden. Lösen Sie hierzu die beiden Inbus-Schrauben (vgl. Bild 4-1) auf der linken Seite der Kupplung, d. h. auf der Seite des Antriebsmotors. Ein Inbus- Schlüssel liegt am Versuchsplatz bereit. Bitte schrauben Sie die Kupplung nach Beendigung des Versuchs wieder zusammen! iese Schrauben lösen, bis die Welle frei drehbar ist (nicht ganz herausdrehen!) Bild 4-1 Klauenkupplung Betreiben Sie den rehzahlregelkreis nun mit einem P-Regler und stellen Sie den Wert K p = 6 ein. ie Einstellung dieses Wertes führt dazu, dass die Sprungantwort des geschlossenen Regelkreises näherungsweise das Verhalten eines schwingungsfähigen PT -Gliedes aufweist. Stellen Sie die Amplitude des Sollwertsprunges auf einen Wert < 150 U/min. ein. Bestimmen Sie in einem Matlab-Skriptfile die Verstärkung, die ämpfung und die Eigenkreisfrequenz, des geschlossenen rehzahlregelkreises aus der Sprungantwort. >>>>>>>>>>> Weiter auf der nächsten Seite >>>>>>>>>>> LabRT_V4 1.docx / Seite 18 von 19

19 4.3. Simulation und Vergleich mit der gemessenen Sprungantwort Simulieren Sie nun den gesamten rehzahlregelkreis, wobei Sie den geschlossenen inneren Stromregelkreis wieder als PT1-Glied mit der in der Vorbereitung ermittelten Ersatzeitkonstante annehmen. Simulieren Sie parallel dazu im gleichen Simulink-Modell das PT-Glied mit den Parametern, die Sie aus der Messung ermittelt haben. Vergleichen Sie die Verläufe miteinander und interpretieren Sie das Ergebnis. Zusatzaufgabe (freiwillig): Falls Sie noch genügend Zeit haben, speichern Sie die Messung der Sprungantwort des rehzahlregelkreises aus Aufgabe im Excel-Format ab und vergleichen Sie diesen Verlauf ebenfalls mit Ihren Simulationen. LabRT_V4 1.docx / Seite 19 von 19

20 Motor Technology Ltd servo + automation solutions SBL 4/30 - Brushless Servomotor range up to 7.5Nm / 30V The SBL motors are three-phase AC brushless synchronous servomotors with Nd-Fe-B Magnets for demanding servo applications. The brushless design means the motors are virtually maintenance free. Commutation is controlled by a suitable servo amplifier. The standard motor incorporates a - pole resolver as feedback device. The motors have a 6-pole winding. Options adapter for external encoder incremental or hyperface encoder as feedback device holding brake high shaft tolerance key-way / key IP 65 / shaft seals suitable planetary and worm gearboxes suitable servo drives Motor data SBL- SBL- SBL- SBL- SBL3- SBL3- SBL3- SBL4- SBL4- SBL Nominal torque MN Nm Nominal speed* nn min Nominal current IN A Holding torque M0 Nm Holding current I0 A Maximum peak torque Mmax Nm Maximum peak current Imax A Max. rpm (mech. limit.) nmax min Torque constant KM Nm/A Voltage constant KE V/ Resistance ph-ph RPh Ω Inductance ph-ph LPh mh Electr. time constant Tel ms Therm. time constant Tther min Moment of inertia J kgcm Weight without brake m kg Weight with brake mbr kg Framesize brake Holding torque brake MBr Nm Notes * other windings / speeds on request Protection level IP54, optional IP65 Electrical connections Interconnectron Plug ( off) Thermal motor protection Thermal contact 145 o C, optional PTC Nominal data To VE 0530 (at 1000m above sea level, Tover= 100 K, Tu = 40 o C, fitted to heat-sink) Servo amplifier Stator winding for intermediate voltage Ucc = 30 VC, other voltages optional. Motor dim. Aj6 B C k6 E F H K K1 M O P R SBL SBL SBL SBL SBL M4x10 SBL M4x10 SBL M4x10 SBL M5x1 SBL M5x1 SBL M5x1 Page Call us on or us at motec.co.uk for further details oc. Ref. SMB-cat-6/0-II