Optimierung des SERVOSTAR 400/600

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1 Optimierung des SERVOSTAR 400/600 Wir begrüßen Sie bei der Kollmorgen Hilfe zur Optimierung der digitalen Servoverstärker SERVOSTAR 400/600. Die ersten drei Seiten dieses Dokuments beschreiben anhand eines Flussdiagramms die Regelkreise der SERVOSTAR. Die restlichen Seiten gehen mehr ins Detail. Verwenden Sie zur Navigation diese Buttons: mehr... zusätzliche Details zurück zur Hauptseite Jetzt geht s los: klicken Sie hier: Nächster Schritt

2 Dies ist der Drehzahlregler, den wir optimieren werden: Sollwert Enddrehzahl v-begrenzer SW* Rampe + SW Rampe - a-be grenzer + _ P-Verst.: KP I-Verst.: Tn Proportional Integral (PI) Filterkonstante: PID-T2 Filter Stromregler Motor Filterkonstante: T-Tacho Tiefpass Filter *SW = Sollwert Nächster Schritt

3 Nach Optimierung des Drehzahlreglers wird der Lageregler optimiert**: Verstärkung: Ff Faktor Positions- Generator + Feedforward Verstärkung : KP _ Proportional + + _ P-Verst.: KP I-Verst.: Tn Proportional Integral (PI) Filterkonstante: PID-T2 Filter Stromregler Motor Filterkonstante: T-Tacho Geschwindigkeits-Rückführung Positions-Rückführung Tiefpass Filter **Die rot dargestellten Werte sind im Lageregler definiert. Die grau dargestellten Werte sind im Drehzahlregler definiert. Nächster Schritt

4 1a. Antriebs-Einheiten einstellen mehr... SERVOSTAR 600 Optimierung Schritt 1: Optimiere Proportionale Verstärkung 1b. Verstärker in Drehzahlmodus schalten mehr... 1c. Filter und Integratoren abschalten mehr... 1d. Endstufe freigeben mehr... 1e. Rechteckförmigen Sollwert vorgeben mehr... 1f. Oszilloskop einstellen mehr... 1g. KP optimieren mehr... Geräusche Wie ist die Reaktion? Gut Nächster Schritt Tn optimieren Resonanz Verdrahtung verbessern Auflösung erhöhen Sinus Encoder einsetzen 1h. T-Tacho einstellen mehr... Maschine versteifen Motor-Trägheitsmoment erhöhen 1i. PID-T2 einstellen mehr...

5 SERVOSTAR 600 Optimierung Schritt 2: Optimiere Integrale Verstärkung Letzter Schritt: KP optimieren 2a. Erhöhe Integral bis 5-15% Überschwingen mehr... Nächster Schritt: Lageregler optimieren

6 SERVOSTAR 600 Optimierung Schritt 3: Optimiere Lageregler Letzter Schritt: Tn optimieren 3a. Verstärker in Lagereglermodus schalten 3b. Lageregler-Verstärkungswerte verkleinern mehr... mehr... 3c. Referenzfahrt mehr... 3d. Fahrsatz mit Grenzwerten für Ihre Anwendung erstellen mehr... 3e. KV maximieren ohne Überschwingen mehr... 3f. Ff-Faktor (üblich 0.5) einstellen mehr... FERTIG! Klicken zum Beenden.

7 Schritt 1a Dieser Abschnitt beschreibt vereinfacht das Einstellen der Nutzer-Einheiten. Der SERVOSTAR hat eine große Anzahl möglicher Einheiten, nur einige werden hier behandelt. Endstufe sperren (Disable) Klicken Sie auf BASISEINSTELLUNGEN Mehr...

8 Schritt 1a (Fortsetzung) Tipp: Diese Auswahl ermöglicht eine Sollwert- Vorgabe in gebräuchlichen (SI)-Einheiten. Positions-Einheit wählen, üblich mm oder counts Tipp: Bei Antrieben mit englischen Einheiten und rotatorischen Antrieben COUNTS wählen. Ein count entspricht dann eine Nutzereinheit (z.b. ein mil). Tipp: Skalieren Sie die Einheiten so, dass Sie die nötige Genauigkeit erzielen (Lagewerte können nicht mit Dezimalstellen eingegeben werden). Mehr...

9 Schritt 1a (Fortsetzung) Geschwindigkeits-Einheit wählen, üblich 1/min, PUNITS/min oder PUNITS/s. Mehr...

10 Schritt 1a (Fortsetzung) Beschleunigungs-Einheit wählen, üblich ms -> VLIM* (Zeit in ms von 0 bis VLIM), oder PUNIT/s 2. Klicken Sie auf OK *VLIM = Enddrehzahl Mehr...

11 Schritt 1a (Fortsetzung) Tipp: Beschleunigungswert muss >= dem Wert im Drehzahlregler sein. Klicken Sie auf LAGEREGLER ; dann POSITIONIERDATEN Anzahl der Positionseinheiten pro Umdrehung eingeben (Beispiel: bei Winkelgrad 360) Systemgrenzen für Geschwindigkeit und Beschleunigung einstellen

12 Schritt 1b OPMODE = 0: Drehzahl digital einstellen Klicken Sie auf DREHZAHLREGLER. Tipp: Beginnen Sie die Optimierung mit dem Drehzahlregler. Der Stromregler wird bei Auswahl des Motors automatisch eingestellt.

13 Schritt 1c Tipp: Schalten Sie die Filter vorübergehend aus. Achten Sie beim Einstellen der Beschleunigungsrampen auf mechanische Grenzwerte! Tipp (nicht bei vertikalen Achsen!): Tn=0 setzt das System auf Proportional- Regelung, dies vereinfacht die Optimierung. Filter ausschalten: PID-T2=0, T-Tacho=0 (wenn T-Tacho grau, Einstellung beibehalten). Integralanteil abschalten (Tn = 0)!Nicht bei vertikalen Achsen! KP verkleinern (KP <= 0.1) PI einschalten: PI-PLUS = 1 Drehzahlgrenze prüfen Beschleunigungsrampen auf 1ms einstellen

14 Schritt 1d Endstufe freigeben (Enable) Tipp: Das System arbeitet mit einer sehr niedrigen Verstärkung. Wenn das System trotzdem schwingt oder unerwartete Bewegungen ausführt, schalten Sie die Leistungsversorgung ab. Funktionstaste F12 für Schnellabschaltung (im Notfall) verwenden.

15 Schritt 1e Tipp: Vermeiden Sie bei der Optimierung die Sättigung des Stromreglers. Darum sollten bei Systemen mit hoher Trägheit nur Schritte von 5 oder 10 U/min vorgegeben werden. Reversierbetrieb einstellen Klicken Sie auf OSZILLOSKOP (Startbildschirm) Klicken Sie auf PARAMETER Stellen Sie Reversier-Betrieb ein - Standard Motoren: v1=100, v2=0 - DDR Motoren: v1<10 v2=0 - Linearmotoren: v1 = -v2 Beide Zeiten auf 500 ms setzen Klicken Sie auf OK Beachten Sie die mechanischen Systemgrenzen Ihrer Applikation.

16 Schritt 1f Tipp: In Systemen mit hoher Reibung reicht evtl. die Verstärkung nicht aus, um die Last zu bewegen. In diesem Fall erhöhen Sie die Verstärkung Kp in Schritten von 50% bis eine Bewegung erfolgt. Oszilloskop einstellen Zeit/Div auf 10ms stellen Trigger Level 1, Trigger Position 25% Wählen Sie Reversieren und dann START. Tipp: Durch den abgeschalteten Integralregler erreicht die Drehzahl oft nicht den Sollwert. Im Bild rechts erreicht z.b. die Drehzahl (grün) den Sollwert (rot) nicht.

17 Schritt 1g KP optimieren Aufzeichnung starten im Oszilloskop KP solange erhöhen bis Drehzahlkurve die Sollwertkurve erreicht (ohne Überschwingen) Kp auf Bildschirm Drehzahlregler einstellen. Sicherstellen, dass Stromregler nicht übersättigt mehr... Tipp: Es gibt zwei Start-Buttons auf dem Oszilloskop- Bildschirm: Einer für den Servicebetrieb und einer für die Aufnahme.

18 Schritt 1h Motorgeräusche (Auflösung) Start nur mit KP; prüfen ob Tn = 0 Wenn das Rauschen zu stark ist, vergrößern Sie T-Tacho (Bildschirmseite Drehzahl ) T-Tacho und KP zusammen einstellen. Maximieren Sie KP und minimieren Sie T-Tacho; nicht mehr als 10% Überschwingen zulassen. Start mit T-Tacho 0.1; so klein wie möglich lassen Zu viel Überschwingen, T-Tacho zu groß Tipp: Rauschen im Bereich der Auflösung kann am besten durch ein Rückführsystem mit höherer Auflösung beseitigt werden. Ziehen Sie den Einsatz eines Sinus- Encoders in Betracht.

19 Schritt 1i Resonanz: Optimieren mit PID-T2 Optimierung von PID-T2 erlaubt ein höheres KP Parameter PID-T2 und KP gleichzeitig verändern, um Schleppfehler zu minimieren (Resonanz vermeiden) Geringe Restwelligkeit ist kein Problem Tipp: Resonanzen können am besten durch Versteifung der Maschine oder durch einen Motor mit höherem Trägheitsmoment oder durch Reduktion der Lastträgheit verhindert werden. Kleine Wellen sind okay Zu hohe PID-T2 Werte beeinträchtigen die Performance des Systems.

20 Schritt 2a Tn optimieren Start mit kleine Motoren: Tn ~ große Motoren: Tn ~ Tn auf Bildschirmseite Drehzahl einstellen. Tn verkleinern (= Integralanteil erhöhen) bis die Drehzahl etwa 10-20% überschwingt Tipp: Der Integralanteil verhindert Positionsfehler beim Stillstand des Antriebs. Bei hängenden Lasten z.b. wird der Integralanteil unbedingt benötigt. Tipp: Kleines Tn bedeutet großen Integralanteil. Max: Tn=1 Aus: Tn=0

21 Schritt 3a Endstufe sperren (Disable) OPMODE = 8: Position Fahrsätze einstellen Klicken Sie auf LAGEREGLER.

22 Schritt 3b Modus auf P Lage, PI Drehzahl einstellen. Sichern und Neustart wenn erforderlich. KV = 0,02 (geringe Verstärkung, beugt Instabilität vor). Ff Faktor = 0. Klicken Sie auf EINRICHTBETRIEB.

23 Schritt 3c Antrieb referenzieren Endstufe freigeben (Enable) Wählen Sie 0 Setzen eines Referenzpunktes Klicken Sie START und danach OK.

24 Schritt 3d Fahrauftrag definieren Klicken Sie auf LAGEREGLER -> POSITIONIERDATEN Zwei Wege für die Definition eines Fahrauftrags: 1. Klicken auf GMT (Graphical Motion Tasking) ermöglicht die graphisch gestützte Definition von Fahraufträgen (siehe Guide Using GMT ). Graphical Motion Tasking vereinfacht die Programmierung einer Endlosschleife. Tipp: Bei Linearachsen wie folgt vorgehen: 1) Vorwärtsfahrt 2) Verzögerung 3) Rückwärtsfahrt 4) Verzögerung ->1.) 2. Klicken auf FAHRAUFTRAGSTABELLE und Doppelklick auf die Nummer öffnet die Parameter Fahrauftrag Seite. Stellen Sie Beschleunigungs- und Bremswerte für Ihre Anwendung ein. Erzeugen Sie eine Endlosschleife (Beisp. rotatorisch: Fahrauftrag Nr.1, Folgefahrauftrag mit, Folge-Nr. 2, Starten über Zeit, Verzögerungszeit 500 ms) Fahrauftrag starten START (POSITIONIERDATEN)

25 Schritt 3e Verstärkung im Lageregler optimieren Erhöhen Sie KV (LAGEREGLER) solange, bis das System zu schwingen beginnt. Danach verkleinern, bis das Schwingen sicher aufhört. Tipp: Ein mechanisch steifes System kann schnell reagieren. Im Beispiel erfolgt die Antwort in weniger als 15ms bei konservativer Optimierung.

26 Schritt 3f Tipp: Feed-forward kann die Reaktionsgeschwindi gkeit um 20-50% erhöhen. Der Antrieb im Beispiel reagiert ohne Ff in ca. 10ms, mit Ff Faktor = 0,5 etwa 30% schneller. Ein hoher Ff-Fakter erfordert jedoch Verkleinerung von KV. Dies macht den Antrieb anfälliger für Einflüsse wie z.b. Reibung. Im Beispiel wurde KV um 30% (von 0,25 auf 0,17) wegen Überschwingens reduziert. Drehzahl Vorsteuerung optimieren Um die Regelantwort zu verbessern, Ff Faktor auf 0,5 erhöhen; Verkleinern von KV beseitigt Überschwingen. Überschwingen besonders beim Abbremsen zum Stillstand beachten.

27 Sättigung Der Stromregler ist gesättigt, wenn der Stromsollwert den möglichen Spitzenstrom des Verstärkers erreicht oder die I2t-Begrenzung auf den Nennwert begrenzt. Dies beeinträchtigt die Datenauswertung und erschwert die Regelkreis-Optimierung. Wenn Ihr Antrieb im Reversierbetrieb in die Sättigung geht, reduzieren Sie die Sollwert- Amplitude. Beobachten Sie während der Optimierung immer, ob der Stromregler gesättigt ist.