Mögliche Quellen für Schwingungsanregungen im Antrieb

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Busso Schmid
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1 Codestellen C070/x, C7/x, C7/x Verwendung der Bandsperren im 9400 HighLine Einleitung Die Dynamik von Servoantrieben wird durch unterschiedliche Einflüsse mitbestimmt, die unter bestimmten Bedingungen Schwingungen in den Regelkreisen anregen können. Die angeregten Schwingungen können dabei bei unterschiedlichen Resonanzfrequenzen liegen. Anregung über das Rückführsystem (drehzahlabhängige Störfrequenzen wie Unwuchten, Winkelfehler, Resolverfehler,...)... das Rückführsystem (schwingungsfähiges System mit fester Störfrequenz, bestehend aus Motor und Rückführsystem)... Parametereinstellungen des Winkel /Lagereglers... Parametereinstellungen des Drehzahlreglers Abhilfemaßnahmen Kompensation des Resolverfehlers Exakte Montage des Rückführsystems Filterung des DrehzahlIstwertes Exakte Montage des Rückführsystems Einsatz von Bandsperren... Parametereinstellungen des Stromreglers Stromregleroptimierung... Drehmomentvorsteuerung über numerische Sollwertdifferenzierung... der Maschinenmechanik (Getriebespiel, Massenträgheitsverhältnisse, Elastizitäten,...) Regleroptimierung Vermeidung von Losen und Elastizitäten im mechanischen Antriebsstrang Verwendung von hochwertigen Rückführsystemen (z.b. Sin/CosGeber) Einsatz von Bandsperren Verwendung eines stabilen DrehmomentVorsteuerwertes Einsatz von Bandsperren nur bei fester Störfrequenz Korrekte Antriebsauslegung (z.b. mit SoftwareTool DSD) Vermeidung von Konstruktions und Montagefehlern Verwendung von SRampen und ruckreduzierten Fahrprofilen Tabelle : Mögliche Quellen für Schwingungsanregungen im Antrieb Zur Unterdrückung von festen Störfrequenzen ist als eine Abhilfemaßnahme der Einsatz von Bandsperren im DrehmomentSollwert möglich, auf die im Folgenden detaillierter eingegangen werden soll. AKB_Stromsollwertfilter.doc / Seite von 5 Version.0

2 Codestellen C070/x, C7/x, C7/x Hinweis: Der Stromsollwertfilter beseitigt nicht die eigentlichen Ursachen, sondern stellt eine Symptombekämpfung dar! Versuchen Sie vor dem Einsatz des Stromsollwertfilters stets, die eigentliche Ursache für die Schwingungsanregung zu ermitteln und zu beseitigen! Wirkweise Die Motorregelung des Servoreglers 9400 HighLine bietet gegenüber der aus 9300 und ECS bekannten Motorregelung die Einsatzmöglichkeit von zwei Stromsollwertfiltern (Bandsperren). Im Signalfluss liegen diese Bandsperren zwischen Drehzahl und Stromregler: Momentensollwert (Vorsteuerung) Drehzahlsollwert (Vorsteuerung) Lagesollwert ϕact ϕregler nact nregler MLo,Limit MHi,Limit Ruckbegr. Bandsperre Bandsperre Mact IRegler Abbildung : Lage der Bandsperren im Signalfluss der Motorregelung Aus der Abbildung ist ersichtlich, dass die Filter auf den DrehmomentenSollwert M Set wirken. Dabei ist der DrehmomentSollwert im Vorfeld bereits absolut über die Drehmomentbegrenzung und in seinem Anstieg über den Ruckbegrenzer (C074) limitiert. Im Antriebsregler 9400 HighLine werden die Bandsperren über folgende Codestellen eingestellt: Code C070 C07 C07 Einstellmöglichkeiten: Bemerkung Default Auswahl.0... {0.[Hz]} Bandsperre: Vorgabe der Mittenfrequenz 00.0[Hz] Subcode : Einstellung für Bandsperre 400.0[Hz] Subcode : Einstellung für Bandsperre {0.[Hz]} Bandsperre: Vorgabe der Bandbreite 0.0[Hz] Subcode : Einstellung für Bandsperre 40.0[Hz] Subcode : Einstellung für Bandsperre 0... {[db]} Bandsperre: Vorgabe der Dämpfung an der Mittenfrequenz 0[dB] Subcode : Einstellung für Bandsperre 0[dB] Subcode : Einstellung für Bandsperre Hinweis: In der Werkseinstellung ist die Maximaldämpfung auf 0[dB] eingestellt. Damit sind beide Bandsperren in der Voreinstellung nicht wirksam. Tabelle : Codestellen im 9400 HighLine zur Parametereinstellung der Bandsperren AKB_Stromsollwertfilter.doc / Seite von 5 Version.0

3 Codestellen C070/x, C7/x, C7/x Beispiel: Die Eigenfrequenz eines Antriebssystems, bestehend aus Motor und Rückführsystem, liegt bei ungefähr 4[Hz]. t 7[ms] => fresonance 4[Hz] Kanal (blau): Drehmomentsollwert (Torque.dnOutputSpeedCtrl) 0,[Nm/div] 0[ms/div] Abbildung : Ausprägung der Eigenfrequenz im Drehmomentverlauf des Motors ohne Bandsperre Durch Messungen wurde ermittelt, dass die Dämpfung bei ±0,0[Hz] um die Resonanzfrequenz bereits mindestens zu einer Halbierung des DrehmomentSollwertes führen muss (3[dB]). Wie muss die Bandsperre eingestellt werden, um Anregungen im Bereich der Resonanzfrequenz zu vermeiden? Aus den Anforderungen ergeben sich folgende Werte für die Codestellen: => Mittenfrequenz der Bandsperre: C070/ = 4,0[Hz] => Breite der Bandsperre: C07/ = 40,0[Hz] => Dämpfung Bandsperre: C07/ = 3,0[dB] t 7[ms] => fresonance 4[Hz] Kanal (blau): Drehmomentsollwert (Torque.dnOutputSpeedCtrl) 0,[Nm/div] 0[ms/div] Abbildung 3: Ausprägung der Eigenfrequenz im Drehmomentverlauf des Motors mit Bandsperre Im Beispiel resultiert die Schwingung aus der nichtidealen Kopplung zwischen Rückführsystem und Motor. Das auf der Motorwelle montierte Rückführsystem stellt zusammen mit dem Motor ein schwingungsfähiges System dar, dessen Eigenschaften durch Massenträgheiten, einer bestimmten Dämpfung und Kopplungselastizitäten zwischen Motor und Rückführsystem bestimmt ist. AKB_Stromsollwertfilter.doc / Seite 3 von 5 Version.0

Der Amplituden und Frequenzgang der Bandsperre stellen sich im BodeDiagramm wie folgt dar: f0 4[Hz] f = 40[Hz] Max.

4 Codestellen C070/x, C7/x, C7/x Aus der Messung bei aktivierter Bandsperre ist die Wirksamkeit der Bandsperre sehr gut erkennbar. Bei einer optimal eingestellten Bandsperre lassen sich Drehzahl und Lageregelverhalten in vielen Fällen noch erheblich verbessern. Der Amplituden und Frequenzgang der Bandsperre stellen sich im BodeDiagramm wie folgt dar: f0 4[Hz] f = 40[Hz] Max. Dämpfung = 3[db] 50[%] Abbildung 4: Amplituden und Frequenzgang der Bandsperre (Filter. Ordnung) Hinweis: Die allgemeine Übertragungsfunktion der Bandsperre lautet K S ω P ω s s mit: Mittenfrequenz ω 0 =. π. f 0 =. π. C070/x 0 b ( s) = ω ω s s 0 b Bandbreite ω b =. π. f b =. π. C07/x maximale Dämpfung P = C07/x AKB_Stromsollwertfilter.doc / Seite 4 von 5 Version.0

5 Codestellen C070/x, C7/x, C7/x Things nice to know Wie in Abbildung 4 dargestellt führt der Einsatz einer Bandsperre zum Ausblenden von Frequenzspektren im Drehmomentensollwert. Schwingungen mit der Mittenfrequenz f 0 werden mit der eingestellten Dämpfung unterdrückt. Bei aktivierter Bandsperre ist der Signalpfad zwischen Drehzahl und Drehmomentregler also für Signalanteile um die Mittenfrequenz der Bandsperre (Resonanzfrequenz) bedämpft, bei hohem Dämpfungsfaktor C07/x praktisch sogar entkoppelt. Das bedeutet für den praktischen Einsatz: Setzen Sie Bandsperren nur für die Filterung von festen Störfrequenzen ein. Variable (z.b. drehzahlabhängige) Störfrequenzen können mit den Bandsperren nicht wirkungsvoll bedämpft werden. Bandsperren eignen sich ideal zum Filtern von folgenden Störfrequenzen: Eigenfrequenzen des schwingungsfähiges System, bestehend aus Motor und Rückführsystem Feste Schwingungsfrequenzen, die sich aus der Parametrierung der vorgelagerten Regelkreise (Lage/Drehzahlregler) ergeben Bandsperren dürfen keinesfalls den DrehmomentGleichanteil signifikant bedämpfen. Sonst können sicherheitsrelevante Funktionen (z.b. Quickstop) vom Regler nicht mehr ausgeführt werden. Durch die Bedämpfung des Signalpfades zwischen Drehzahl und Stromregler kann der Servoregler die Drehzahl/Lageführung des Motors verlieren. Bandsperren sind in keinem Fall zur Filterung von niederfrequenten, mechanischen Resonanzen der Last geeignet (siehe Tabelle ). Verwenden Sie in diesem Fall ruckbegrenzte Verfahrprofile (SVerschliff, Bewegungskurven nach VDI43,...). Bei Antriebssystemen mit hohen Dynamikanforderungen ist die Ermittlung und Ausblendung von festen Resonanzfrequenzen lohnenswert, da anschließend die Einstellungen für Drehzahlund Lageregler meist noch deutlich verbessert werden können. AKB_Stromsollwertfilter.doc / Seite 5 von 5 Version.0

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