Bewegungssteuerung durch geregelte elektrische Antriebe Übung & Praktikum

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1 Bewegungssteuerung durch geregelte elektrische Antriebe Übung & Praktikum Thomas Huber Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik 1. Übung ( ) Bewegungssteuerung durch geregelte elektrische Antriebe 1. Übung ( ), Seite 1/11

2 Kontaktdaten: Thomas Huber Telefon: Außerhalb Übungstermine: Arbeitsplatz Hochschule Landshut Vorlesungsunterlagen auf: Alle Abbildungen und Übungsunterlagen (Einführungsfolien, Übungsblätter, Musterlösungen, MATLAB-Übungen/Lösungen und Formelsammlung) basieren fast ausschließlich auf den Übungsunterlagen aus dem WS13/14 von Dr.-Ing. Christoph Hackl. Diese wurden von Dr.-Ing. Hackl freundlicherweise für diese Übung zur Verfügung gestellt. Alle von Dr.-Ing. Hackl erstellten Abbildungen sind mit Courtesy of Dr.-Ing. Christoph Hackl gekennzeichnet. An dieser Stelle hierfür vielen Dank! Bewegungssteuerung durch geregelte elektrische Antriebe 1. Übung ( ), Seite 2/11

3 Terminübersicht Übung/Praktikum Datum Zeit Thematik der Übung Vorlesung Vorlesung Vorlesung :00 11:15 1. Übung & Praktikum Vorlesung Vorlesung :00 11:15 2. Übung & Praktikum entfällt :00 11:15 2. Übung (Fortsetzung) & Praktikum :00 11:15 3. Übung & Praktikum entfällt entfällt Vorlesung Vorlesung Vorlesung :00 11:15 4. Übung & Praktikum :00 11:15 Wiederholung, Fragestunde Bewegungssteuerung durch geregelte elektrische Antriebe 1. Übung ( ), Seite 3/11

4 ECTS und Lernziele Modul: Bewegungssteuerung durch geregelte elektrische Antriebe 5 ECTS (=150 Stunden Arbeitsaufwand) 60 Präsenzstunden (2 SWS Vorl., 1 SWS Üb. & 1 SWS Prakt.) 90 Stunden Eigenstudium thomas.huber-haw-landshut@tum.de Bewegungssteuerung durch geregelte elektrische Antriebe 1. Übung ( ), Seite 4/11

5 ECTS und Lernziele Modul: Bewegungssteuerung durch geregelte elektrische Antriebe 5 ECTS (=150 Stunden Arbeitsaufwand) 60 Präsenzstunden (2 SWS Vorl., 1 SWS Üb. & 1 SWS Prakt.) 90 Stunden Eigenstudium Lernziele: Sie sollten in der Lage sein: grundlegende Regelungskonzepte (für Strom, Drehzahl und Position) in elektrischen Antriebssystemen zu verstehen Regler für elektrische Antriebe auszulegen und zu optimieren das statische und dynamische Verhalten eines geregelten elektrischen Antriebes zu analysieren und zu bewerten Regelungskonzepte für verkoppelte, schwingungsfähige Antriebssysteme (Zwei-Massen-Systeme) zu verstehen sich an grundlegende Prinzipien der Fuzzy-Algorithmen und prädiktiver Verfahren in der Antriebstechnik zu erinnern thomas.huber-haw-landshut@tum.de Bewegungssteuerung durch geregelte elektrische Antriebe 1. Übung ( ), Seite 4/11

6 Abschlussprüfung Rahmenbedingungen schriftliche Prüfung Dauer: 90 min. keine Hilfsmittel (außer: Wörterbücher, ungeänderte Formelsammlung) Termin: tba. Raum: tba. Bewegungssteuerung durch geregelte elektrische Antriebe 1. Übung ( ), Seite 5/11

7 Abschlussprüfung Rahmenbedingungen schriftliche Prüfung Dauer: 90 min. keine Hilfsmittel (außer: Wörterbücher, ungeänderte Formelsammlung) Termin: tba. Raum: tba. Anforderungen: Wissensaufgaben (ca %) z.b. Welche Regler sind typisch für die Antriebstechnik? Rechenaufgaben (ca %) z.b. Bestimmen Sie die Übertragungsfunktion F S psq ypsq aus upsq Differentialgleichung (2)! (Hinweis: Laplace-Transformation) Verständnisaufgaben (ca %) z.b.wird für die Feldorientierte Regelung ein Positionssensor benötigt? thomas.huber-haw-landshut@tum.de Bewegungssteuerung durch geregelte elektrische Antriebe 1. Übung ( ), Seite 5/11

8 Empfohlene Literatur D. Schröder, Elektrische Antriebe - Regelung von Antriebssystemen (3., bearb. Auflage). Berlin: Springer-Verlag, D. Schröder, Intelligente Verfahren: Identifikation und Regelung nichtlinearer Systeme. Berlin: Springer-Verlag, thomas.huber-haw-landshut@tum.de Bewegungssteuerung durch geregelte elektrische Antriebe 1. Übung ( ), Seite 6/11

9 Gliederung: 1. Übung 1 Motivation 2 Wiederholung Modellierung linearer dynamischer Systeme Regelkreise und Reglerauslegung thomas.huber-haw-landshut@tum.de Bewegungssteuerung durch geregelte elektrische Antriebe 1. Übung ( ), Seite 7/11

10 Motivation: Folgewertregelung unter Last Bewegungssteuerung durch geregelte elektrische Antriebe 1. Übung ( ), Seite 8/11

11 Motivation: Folgewertregelung unter Last ω y x Quelle: Achsen ergänzt durch Dr.-Ing. Christoph Hackl thomas.huber-haw-landshut@tum.de Bewegungssteuerung durch geregelte elektrische Antriebe 1. Übung ( ), Seite 8/11

12 Motivation: Folgewertregelung unter Last ω y x Problemstellung Quelle: Achsen ergänzt durch Dr.-Ing. Christoph Hackl Vorgabe des Sollverlaufs pω ref, x ref, y ref q: R 0 Ñ R 3 thomas.huber-haw-landshut@tum.de Bewegungssteuerung durch geregelte elektrische Antriebe 1. Übung ( ), Seite 8/11

13 Motivation: Folgewertregelung unter Last ω y x Problemstellung Quelle: Achsen ergänzt durch Dr.-Ing. Christoph Hackl Vorgabe des Sollverlaufs pω ref, x ref, y ref q: R 0 Ñ R 3 genaue Positions- und Geschwindigkeitsregelung thomas.huber-haw-landshut@tum.de Bewegungssteuerung durch geregelte elektrische Antriebe 1. Übung ( ), Seite 8/11

14 Motivation: Folgewertregelung unter Last ω y x Problemstellung Quelle: Achsen ergänzt durch Dr.-Ing. Christoph Hackl Vorgabe des Sollverlaufs pω ref, x ref, y ref q: R 0 Ñ R 3 genaue Positions- und Geschwindigkeitsregelung Herausforderungen nichtlineare Effekte (z.b. Stellgliedbegrenzung, Reibung) thomas.huber-haw-landshut@tum.de Bewegungssteuerung durch geregelte elektrische Antriebe 1. Übung ( ), Seite 8/11

15 Motivation: Folgewertregelung unter Last ω y x Problemstellung Quelle: Achsen ergänzt durch Dr.-Ing. Christoph Hackl Vorgabe des Sollverlaufs pω ref, x ref, y ref q: R 0 Ñ R 3 genaue Positions- und Geschwindigkeitsregelung Herausforderungen nichtlineare Effekte (z.b. Stellgliedbegrenzung, Reibung) Reibung und Störungen unbekannt und veränderlich thomas.huber-haw-landshut@tum.de Bewegungssteuerung durch geregelte elektrische Antriebe 1. Übung ( ), Seite 8/11

16 Motivation: Folgewertregelung unter Last ω y x Problemstellung Quelle: Achsen ergänzt durch Dr.-Ing. Christoph Hackl Vorgabe des Sollverlaufs pω ref, x ref, y ref q: R 0 Ñ R 3 genaue Positions- und Geschwindigkeitsregelung Herausforderungen nichtlineare Effekte (z.b. Stellgliedbegrenzung, Reibung) Reibung und Störungen unbekannt und veränderlich (Systemparameter unbekannt) thomas.huber-haw-landshut@tum.de Bewegungssteuerung durch geregelte elektrische Antriebe 1. Übung ( ), Seite 8/11

17 Motivation: Komponenten einachsiger Servoantrieb Bewegungssteuerung durch geregelte elektrische Antriebe 1. Übung ( ), Seite 9/11

18 Motivation: Komponenten einachsiger Servoantrieb Host-Rechner (Überwachung, Vorgaben, etc.) Energiequelle (z.b. Stromnetz, Batterie,...) Aktor (stromgeregelter Antrieb) physikalisches System (Mechanik) Mikroprozessor (Regler Implementierung) Leistungselektronik (z.b. Umrichter) elektrische Maschine (z.b. PMSM) Anbindung (z.b. Kupplung, Getriebe, Welle) Arbeitsmaschine (z.b. Fräskopf) Realzeit -system Sensorik (z.b. Encoder, Stromsensor) Instrumentierung (Istwert-Messung) Courtesy of Dr.-Ing. Christoph Hackl Bewegungssteuerung durch geregelte elektrische Antriebe 1. Übung ( ), Seite 9/11

19 Motivation: Kaskadenregelung (Positionsregelung) Bewegungssteuerung durch geregelte elektrische Antriebe 1. Übung ( ), Seite 10/11

20 Motivation: Kaskadenregelung (Positionsregelung) Vorsteuerung Störung(en) y ref Positionsregler Geschw.- regler u Aktor mechan. System y ẏ Störgrößenbeobachter Sensorik Reglerimplementierung zu regelndes System Courtesy of Dr.-Ing. Christoph Hackl thomas.huber-haw-landshut@tum.de Bewegungssteuerung durch geregelte elektrische Antriebe 1. Übung ( ), Seite 10/11

21 Motivation: Kaskadenregelung (Positionsregelung) Vorsteuerung Störung(en) y ref Positionsregler Geschw.- regler u Aktor mechan. System y ẏ Störgrößenbeobachter Sensorik Reglerimplementierung zu regelndes System Courtesy of Dr.-Ing. Christoph Hackl Wie erfolgt z.b. die Modellierung, Reglerauslegung und Vorsteuerung? thomas.huber-haw-landshut@tum.de Bewegungssteuerung durch geregelte elektrische Antriebe 1. Übung ( ), Seite 10/11

22 Wiederholung... anhand des ersten Übungsblattes und der Formelsammlung: Modellierung linearer dynamischer Systeme Zeit- und Frequenzbereich Bode-Diagramm Zeitverlauf (z.b. Sprungantwort) Stabilität Anfangs- und Endwertsätze Regelkreise und Reglerauslegung Serienschaltung(en) Regelkreisanalyse: Führungs- und Störverhalten Vorsteuerung und Störgrößenaufschaltung Standardregler: P, PI, PD und PID Regler Betragsoptimum und Symmetrisches Optimum (Optimierungstabelle) Polplatzierung Bewegungssteuerung durch geregelte elektrische Antriebe 1. Übung ( ), Seite 11/11