Browsing by Author "Hinze, Christoph"

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Open Access
Dynamiksteigerung von Kugelgewindetrieben durch modellbasierte Lageregelung der nachgiebigen Mechanik
(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2023) Hinze, Christoph; Verl, Alexander (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult.)
Vorschubachsen sind wesentliche bewegungserzeugende Elemente von Maschinen. Für kurze und mittlere Vorschublängen werden hauptsächlich Kugelgewindetriebe eingesetzt, da sie präzise, effizient und spielfrei sind. Die Steigerung der dynamischen Genauigkeit von Kugelgewindetrieben ist ein Ziel der Fertigungsindustrie, um genauere Prozesse, bessere Störunterdrückung und kürzere Durchlaufzeiten zu ermöglichen. Allerdings beeinflussen die nachgiebige Mechanik der Achse und der Maschinenstruktur bei höherer Dynamik das Regelungsverhalten und die Gesamtmaschinenleistung. Die vorliegende Arbeit untersucht den Einsatz alternativer, modellbasierter Lageregler für Kugelgewindetriebe, wobei neben der Dynamiksteigerung auch die industrielle Einsetzbarkeit, Robustheit und einfache Parametrierung im Fokus stehen. Das vorgestellte Verfahren ermöglicht eine Steigerung der dynamischen Genauigkeit bei Kugelgewindetrieben mit geringer Inbetriebnahmekomplexität.
Open Access
Model predictive control for compliant feed drives with offset-free tracking behavior
(2023) Leipe, Valentin; Hinze, Christoph; Lechler, Armin; Verl, Alexander
Industrial machine tool feed drives are predominantly controlled by cascade control due to their low tuning complexity and inherent robustness. However, the cascaded structure requires the inner cascades to have higher dynamics than the outer cascades, which limits the achievable dynamic accuracy. Direct control approaches, which substitute the position and velocity cascade, offer the potential to utilize the unused potential. A promising approach is model predictive control (MPC), which optimizes the manipulated variable with a plant model along a prediction horizon. However, model uncertainties between the nominal model and the real plant lead to tracking errors. Therefore, this paper presents, a linear MPC (LMPC) and an adaptive MPC (AMPC) with an additional integral action to robustly compensate for model mismatches. Both controllers use a compliant model, are real-time capable with a sample rate of 2kHzand consider state and input space constraints. The AMPC accounts for position-varying stiffness and friction. The controllers are experimentally compared with classical P-PI cascaded control on a ball screw drive. They show a tracking error reduction of 37%(LMPC) and 44%(AMPC) during a high speed motion profile and an increase in bandwidth of 180%(LMPC) and 184%(AMPC), resulting in significantly improved dynamic accuracy.