ESCON: Tipps für das manuelle Optimieren der Reglerparameter

Thema:

Das Autotuning führt in den meisten Fällen zu stabilen Reglerparametern, aber bei spezifischen Anwendungsanforderungen kann es manchmal gewünscht sein, diese Ergebnisse weiter zu optimieren. 

• Gibt es zusätzliche Hinweise aus der Praxis wie die automatisch ermittelten Reglerparameter weiter optimiert werden können, z.B. um eine höhere Dynamik (= aggressiverer Regler) zu erreichen oder Schwingungsneigungen bei wechselnder Reibung oder Last besser zu unterdrücken?

Grundlagen:

Wie können die Regler-Parameter der ESCON manuell angepasst werden?

Das "Regler-Tuning" von ESCON Studio bietet die Varianten "Auto Tuning" und "Expert Tuning". Für das manuelle Setzen oder Anpassen der Reglerparameter muss "Expert Tuning" und ...

... die entsprechende Betriebsart ausgewählt werden:

Die Regler-Parameter können manuell alternativ auf die beiden folgenden Arten angepasst werden:

• Verschieben der Einstellung der Schieberegler
  
• Anklicken des "Zeige Parameter" Buttons, Markieren der Checkbox "Manuelle Dimensionierung" und manuelle Anpassung der Reglerparameter.
  
  

Wichtig:

• Den "Start" Button des "Expert Tuning" drücken um die grafische Darstellung der Auswirkung modifizierter Reglerparameter beurteilen zu können.
  Anmerkung:
  Falls die Reglerparameter durch den Schieberegler angepasst wurden, muss der "Start" Button zwingend gedrückt werden um die Reglerparameter entsprechend anzupassen.
• Abschliessend den "Beenden" Button drücken um die angepassten Reglerparameter in der Steuerung abzuspeichern!

Lösung:

Manuelles Anpassen der "Velocity control (Closed loop)" Reglerparameter

1. Führen Sie zuerst ein "Auto Tuning" aus.
   
   
2. Falls das Reglerverhalten nicht dynamisch oder "aggressiv" genug erscheint (und z.B. niederfrequente Schwingungen vorhanden sind oder auf Drehzahlschwankungen bei Lastwechseln nur träge reagiert wird oder ...):
   • Definieren Sie eine Skalierungsfaktor "k" von grösser als 1
     'k' is kein ESCON Parameter sondern ein Multiplikatons- / Diffisionsfaktor, welcher bei den beiden folgenden Formeln zur manuellen Anpassung der "P-Verstärkung" und "Nachstellzeit" angewandt wird. Initialer Vorschlag: k = 2
   • Multiplizieren Sie die "P-Verstärkung" (= P Gain) mit k
   • Multiplizieren Sie die "Nachtstellzeit" (= "Integral Time Constant") mit 1/k
   • Beispiel:
     
     
     
3. Überprüfen Sie mit dem "Start" Button das Reglerverhalten auf Basis der aktualisierten Einstellungen.
   • Gehen Sie zum Schritt 2 zurück und passen Sie "k" erneut an sofern das Reglerverhalten weiterhin nicht den Anforderungen entspricht.
   • Falls das Reglerverhalten den Anforderungen entspricht, drücken Sie den "Beenden" Button um die angepassten Reglerparameter in der Steuerung zu speichern.

Ergänzende Hinweise:

• Im allgemeinen kann die Funktionsweise der beiden Elemente eines PT Regelung wie folgt beschrieben werden:
  • "P-Verstärkung" (= "P Gain")
    = Das Haupt-"Arbeitspferd"
  • "Nachstellzeit" (= "Integral time constant")
    = Bestimmt die Anstiegsrate (d.h. Reaktionszeit), aber kein bei zu kleinen Werten zu Schwingungen führen. 
• Durch das Multiplizieren der Werte mit identischen Vielfachen des Skalierungsfaktors "k" (bzw. 1/k) kann das Gleichgewicht zwischen den beiden Parametern erhalten bleiben. Verändern Sie nur den Vervielfachungsfaktor von "k" bei jedem Durchgang und überprüfen Sie den Einfluss auf das Reglerverhalten bis dieses Ihren Anforderungen entspricht.

Und wie verhält es sich mit den "Stromregler" Parametern?

• Im allgemeinen müssen die Stromregler Parameter nicht angepasst werden wenn der Drehzahlregler optimiert werden soll. Eine Ausnahme können sogenannte genutete (= "slotted") Motoren wie insbesondere die maxon EC-i Motorbaureihe darstellen, bei denen die Grundeinstellung des Autotuning eher "weich" ist. In diesem Fall ist vor einer Erhöhung der Drehzahlregler-Parameter (d.h. Skalierungsfaktor "k" > 1), ebenfalls empfohlen den Schieberegler der "Regler-Steifigkeit" des Stromregler vorgängig nach rechts (= "hart") zu schieben.
  
  Drücken Sie dann den "Start" Button und abschliessend den "Beenden" Button um die angepasste Stromregler-Einstellung in die Steuerung zu übernehmen bevor(!) die manuelle Anpassung der Parameter des Drehzahlreglers erfolgt.

Und was ist zu tun falls bereits Auto-Tuning fehlschlägt?

• Reglungsexperten können mit einem manuellen Tuning basierend auf der sogenannten "Ziegler und Nichols" Methode passende Reglerparameter durch Tests ermitteln. Einige Grundlagen zu dieser Methode finden sich in den folgenden Dokumenten und Websites von Drittanbietern:
  • Wikipedia (englisch)
  • Wikipedia (deutsch) 
  • ScienceDirect (englisch)
  • Microstar Laboratories (englisch) 

maxon kann keine Verantwortung oder Unterstützung anbieten, die auf den genannten (oder anderen) Informationen von Drittanbietern basieren. Es ist ohnehin anzumerken, dass die Methode sich wahrscheinlich nur für Regelungstechnik-Ingenieure eignet und eventuell zusätzliches Messgeräte und Knowhow zur korrekten, präzisen Ermittlung der Reaktionsverhalten des Systems erfordert.

• Oft führen fehlerhaft konfigurierte Motor-, Encoder-, System-Daten, oder eine Last mit hohem Trägheitsmoment, oder sogar das verwendete Netzteil zu einem Abbruch des Auto-Tuning mit einer Fehlermeldung. maxon's Support team überprüft solche Details gerne und kann darauf basierend weitere Hinweise abgeben. Bitte reichen Sie in diesem Fall eine Anfrage über das maxon Support Center ein und stellen Sie uns die folgenden Informationen zur Verfügung:
  
  1. Artikelnummer Ihrer eingesetzten Motorkombination
  2. Ihre ESCON *.edc Konfigurationsdatei
     (-> ESCON: Exportieren / Hochladen der Konfiguration in eine *.edc Datei)
  3. Screenshot der Fehlermeldung, die beim Auto-Tuning auftrat.
  4. ESCON's Versorgungsspannung
     plus(!) das Datenblatt oder ein Website-Link des verwendeten Netzteils.
  5. Ein paar Fotos der angetriebenen Mechanik und der Verdrahtung von ESCON und Motor.
  6. Falls eine Last mit hohem Trägheitsmoment (z.B. eine Scheibe) angetriebeb wird, so stellen Sie uns bitte eine Zeichnung der Last oder Information zu deren Trägheitsmoment oder deren Abmessungen und Gewicht zur Verfügung. 
     
     

Querverweis:

Hinweise zur manuellen Optimierung der Regelparameter der maxon EPOS4-Produktlinie finden sich unter dem folgenden Support Center Dokument Link:
-> EPOS4 / IDX: Hinweise zur manuellen Reglerparameter-Optimierung