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Direkte Sliding-Mode-Stromregelung von Vorschubantrieben
(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2017) Laptev, Igor; Verl, Alexander (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult.)
Als innerste Kaskade der Regelung elektrischer Vorschubantriebe muss die Stromregelung mehreren konkurrierenden Anforderungen wie gute dynamische Eigenschaften, große Robustheit sowie energieeffiziente Arbeitsweise gerecht werden. Dies ist unter anderem wegen den nichtlinearen Eigenschaften der Leistungselektronik nicht trivial. Das Stellglied der Stromregelung besitzt einen schaltenden Charakter und frequenzabhängige Schaltverluste. Die klassische PI-Stromregelung kann diese Eigenschaften lediglich indirekt, mittels einer nachgeschalteten Pulsweitenmodulation berücksichtigen. Durch diese Struktur werden die Eigenschaften der Stromregelung und letztendlich des gesamten Vorschubantriebs verschlechtert. Das Ziel vorliegender Arbeit ist die Steigerung der Effizienz elektrischer Vorschubantriebe durch den Einsatz eines neuen direkten Stromregelungskonzeptes. Die neue Regelung soll den oben genannten konkurrierenden Anforderungen besser genügen, als es die zurzeit standardmäßig eingesetzte PI-Stromregelung mit Pulsweitenmodulation ermöglicht. Als Lösungsansatz wird eine sogenannte Sliding-Mode-Regelung (Englisch: Sliding Mode Control, SMC) vorgeschlagen, die in der Regelungstechnik seit Jahrzehnten bekannt ist. Sie hebt sich dabei besonders durch die hohe Robustheit und Dynamik hervor. SMC besitzt einen schaltenden Charakter und ist dadurch prinzipiell gut geeignet für den Einsatz an schaltender Leistungselektronik. Die bekannten Sliding-Mode-Stromregler (SM-Stromregler) weisen jedoch Defizite in Bezug auf hohe Anforderungen an die Regelung der Vorschubachsen auf. In der vorliegenden Arbeit wird daher eine neue direkte Sliding-Mode-Stromregelung für Servoantriebe in Vorschubachsen entwickelt. Die wesentlichen Nachteile bereits bekannter SM-Stromregler werden dabei durch die besondere Reglerstruktur beseitigt, die sich sowohl in phasenbezogenen Koordinaten als auch in feldorientierten Koordinaten des Motors befindet. Durch den Einsatz von SMC wird ein bedarfsgerechtes Schalten der Leistungselektronik gewährleistet, wodurch die Energieeffizienz des Antriebs erhöht wird. Des Weiteren bietet SMC ein robustes Regelverhalten bei sehr guten dynamischen Eigenschaften. Die erzielten Ergebnisse zeigen, dass die neue direkte SMStromregelung der klassischen PI-Regelung in vielen Gesichtspunkten überlegend ist und versprechen einen Einsatz mit guten wirtschaftlichen Aussichten. Die vorliegende Arbeit weist einen klassischen Aufbau auf. Zunächst wird im Kapitel Wissenschaftlich-technische Problemstellung Stand der Technik in modernen Vorschubantrieben mit den Vor- und Nachteilen herkömmlicher Stromregelung beschrieben. Daraus wird die Zielsetzung für diese Arbeit abgeleitet. Im Kapitel Stand der Forschung werden bekannte Alternativen zum Stand der Technik im Einzelnen beschrieben und klassifiziert. Besondere Aufmerksamkeit ist den direkten Stromregelverfahren und den Reglern auf SMC-Basis gewidmet. Die Defizite bekannter Stromregelverfahren werden abschließend zusammengefasst. Ausgehend aus dem beschriebenen Stand der Forschung wird der Entwurf eines neuen direkten Sliding-Mode-Stromreglers als Lösungseinsatz vorgeschlagen. Im Kapitel Reglerentwurf wird auf die Entwicklung der neuen direkten Sliding- Mode-Stromregelung detailliert eingegangen. Neben dem Entwurf des Regelgesetzes wird die Stabilität der Regelung untersucht. Eine anschauliche Erklärung der SM-Stromregelung ist in ein separates Unterkapitel ausgegliedert und trägt zum besseren Verständnis des theoretischen Teils bei. Des Weiteren werden anhand eines vereinfachten Antriebsmodels Vorschriften für die Reglerparametrierung ausgearbeitet. Im Kapitel Simulative Untersuchung werden anhand eines detaillierten Modells eines Vorschubantriebs Präzision, dynamische Eigenschaften, Robustheit und Energieeffizienz der direkten SM-Stromregelung untersucht. Zum Vergleich wird die herkömmliche Stromregelung ebenso simuliert. Die Simulationsergebnisse werden miteinander verglichen und bewertet. Des Weiteren wird der Einfluss der neuen Stromregelung auf die äußeren Regelkaskaden untersucht und bewertet. Die erzielten theoretischen Ergebnisse werden im Kapitel Experimentelle Verifikation am Versuchsstand unter Beweis gestellt. Zunächst wird der Aufbau des Versuchsstandes vorgestellt und die Besonderheiten der Implementierung erläutert. Experimentelle Untersuchungen stellen den Kern dieses Kapitels dar. Der entworfene Regler wird in der Praxis erprobt. Die Eigenschaften der direkten Sliding- Mode-Stromregelung werden durch unmittelbaren messtechnischen Vergleich mit dem Stand der Technik bewertet. Im Kapitel Zusammenfassung und Ausblick werden die wesentlichen erzielten Ergebnisse zusammengefasst und kritisch bewertet. Mit den Anmerkungen zur möglichen Weiterentwicklung der direkten Sliding-Mode-Stromregelung wird die vorliegende Arbeit abgeschlossen.