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Autotuning für Industrieantriebe

01. Juli 2021, 10:11 Uhr   |  Andrea Gillhuber

Autotuning für Industrieantriebe
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Die jüngsten Versionen der Servo-Drives i950 und i700 sind bereits auf das Autotuning vorbereitet. Dabei erfolgt die Regleroptimierung automatisiert.

Maschinen funktionieren nur dann optimal, wenn die eingesetzten Antriebe bei der Inbetriebnahme an den Antriebsstrang angepasst sind: Dafür müssen die Parameter der Software im Umrichter maschinenspezifisch eingestellt werden. Ein integriertes Autotuning verkürzt diesen Prozess.

Ob Roboter in der Montage helfen oder Regalbediengeräte (RBG) im automatisierten Lager fahren, alle Beispiele erfordern eine exakte Positionierung und damit höchste Präzision von der Antriebstechnik. Die Laufgeschwindigkeit muss genau eingehalten werden. Die bestmögliche Anpassung der Regelung an die Maschine ist die Voraussetzung.

Heute folgen viele Regelungstechnik-Experten der Theorie und nutzen physikalische Modelle, um Antriebe automatisch an die Eigenschaften der Maschine, also der Regelstrecke, anzupassen. Diese Modelle bilden das Verhalten der realen Maschine durch Berücksichtigen von Massen, Federn und Dämpfer vereinfacht nach. Würden Theorie und Realität übereinstimmen, dann wäre das Problem damit gelöst. Leider sind Abweichungen des Modells von der realen Maschine nicht zu vermeiden: Beispielsweise ist die Feder im Modell in Wahrheit eine Welle, und diese ist nicht masselos, sondern schwer, oder ein Getriebe hat Spiel und damit eine kraftabhängige Elastizität, die das Modell nicht exakt abbildet. Die Regelungsoptimierung kann aber nur so gut sein, wie die Übereinstimmung der Maschine mit dem Modell. Außerdem ist für die Anpassung trotz der Abstrahierungen immer noch der Einsatz von Spezialisten notwendig, die zudem einen enormen Aufwand betreiben müssen.

In der Industrie ist es gängige Praxis, den Antrieb von Hand einzustellen: Dafür wird er an seine – hörbare – Stabilitätsgrenze gebracht, die verwendete Reglereinstellung wird mit einem Sicherheitsfaktor multipliziert. Gemäß der Veröffentlichung zur Schwingmethode von Ziegler und Nichols aus dem Jahr 1943 liegt der Faktor je nach Art des Regelkreises (P/PI/PD/PID) zwischen 0,45 und 0,6 – also grob bei der Hälfte. Dieses Verfahren ist einfach anzuwenden und beinhaltet keine Modellfehler. Der Nachteil: Der Mensch ist als Sensor nicht besonders genau, und auch hier wird ein Experte für die Einstellung benötigt.

Der Antrieb als Sensor

Lenze hat nun ein Autotuning entwickelt, der sich auf die Ziegler-Nichols-Methode stützt. Die jüngsten Versionen der Servo-Drives i950 und i700 sind bereits mit der Autotuning-Funktion ausgestattet, bereits beim Anwender befindliche Geräte können per Firmware-Update nachgerüstet werden. Zusätzliche Messkomponenten sind nicht nötig, stattdessen wird der Antrieb zum Sensor: Während die Reglereinstellungen verändert werden, wertet die Steuerungslogik die Daten vom Positionsgeber und zum Stromfluss aus, um zu erkennen, wann die Stabilitätsgrenze erreicht wird. Anschließend werden die Einstellungen errechnet und in der Konfiguration des Antriebs hinterlegt.

Beim Autotuning setzt Lenze ausschließlich auf die Messung der physischen Regelungsstrecke. Statt Abstraktion und Näherungswerten gibt es eine exakte Messung in der realen Maschine. Fehler, die durch die Anwendung eines Modells entstehen, lassen sich so vermeiden, ebenso die Nachteile der manuellen Einstellung.

Aus der automatisierten Regleroptimierung mit dem Autotuner ergeben sich mehrere Vorteile: Die Einstellung der Regler ist reproduzierbar, sodass der Antrieb bei allen Anlagen gleich gut läuft. Insbesondere die Optimierung der Integralen-Anteile der Regler führt über eine Betrachtung der Schleppfehler zu signifikanten Verbesserungen, die über die Ziegler-Nichols-Methode hinausgeht. Außerdem ist das Autotuning sehr robust, da die Reglereinstellung einen ausreichenden Abstand zur Stabilitätsgrenze sicherstellt: es funktioniert auch bei Getrieben mit Spiel und bei veränderlichen Lasten.

Autotuning-Funktion zum Nachrüsten

Lenze hatte einige Anlagenbetreiber ausgewählt, bei denen die vorhandenen Maschinen mit der Autotuning-Funktion nachgerüstet wurden. Um bis zu 20 % höhere Taktraten konnten in Vor-Ort-Tests durch die Optimierung der Umrichterparametrierung erzielt werden. Bei zukünftigen Inbetriebnahmen reduziert sich der Zeitaufwand.

Umgesetzt wird die Autotuning-Funktion in den Tools Easy Starter und PLC-Designer. Beide bekamen zur Hannover Messe 2021 Digital Edition ein Update.

Autor

Dr. Johannes Kühn ist Leiter R&D Motion Control bei Lenze.

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