Direkte Sliding-Mode-Stromregelung von Vorschubantrieben

Abstract

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.

As the innermost control cascade of modern feed drives the current control needs to accomplish several competing requirements such as high precision, good dynamic characteristics, high robustness and energy efficiency. This is not trivial, inter alia because of the nonlinear characteristics of the power electronics. The controlling element of the current control has a switching character and frequencydependent switching losses. The classical PI current control can take into account these properties only indirectly by means of a pulse width modulation. The properties of the current control and of the feed drive are impaired by this indirect approach. The aim of the present work is to increase the efficiency of modern feed drives through the use of a new direct current control concept. The new scheme should meet the above competing demands better than the default PI current controller with pulse width modulation. As a solution, a so-called sliding mode control (SMC) is used, which is known in control theory for decades and is characterized by its good control qualities. SMC also has a switching character and is therefore in principle well suited for use in power electronics. However, the known SMC current controller do not meet the high demands on the control of the feed axes. In the present work, a new direct sliding mode current control for servo drives in feed axes is developed. The main drawbacks of known SMC-current controllers are eliminated by the special control structure, which is given in phase-related coordinates as well as in field-oriented coordinates of the motor at the same time. Through the usage of SMC a demand-driven switching of the power electronics ensures. Thereby the energy efficiency of the system is increased. In addition, SMC provides a robust control behavior with very good dynamic properties. The obtained results show that the new SMC direct current control is preferable to classical PI control in many aspects. They also promise success in the use of direct current control SMC as well as good economic prospects. The present work has a classic structure. First, in chapter Statement of the Scientific and Technical Problem (Wissenschaftlich-technische Problemstellung) the state of the art in modern feed drives describes the advantages and disadvantages of conventional current control. From this, the objective of this work is derived. In the chapter State of the Art (Stand der Forschung) alternatives to the prior art are described in detail and classified. Special attention is devoted to the direct current control m ethod and the controls based on SMC. The deficits known current control methods are summarized. Starting from the state of the art, the design of a new direct sliding mode current controller is proposed as a suitable solution. In chapter Controller Design (Reglerentwurf) the development of the novel direct sliding mode current control are discussed in detail. This chapter represents the core of the work. In addition to the design of the control law the stability is investigated. A clear explanation of the SMC-current control is outsourced to a separate subchapter and contributes to a better understanding of the theoretical part. Further provisions related to the controller configuration are worked out on the basis of a simplified drive model. In chapter Simulative Study (Simulative Untersuchung) the precision, dynamic properties, durability and energy efficiency of the direct SMC-current control are examined on the basis of detailed model of the feed drive. For comparison, the conventional power control is also simulated. The simulation results are compared and evaluated. Furthermore, the influence of the new current control on outer control cascade is investigated and evaluated. The obtained theoretical results are provided in the chapter Verification on the Test Stand (Experimentelle Verifikation am Versuchsstand). First, the structure of the test stand is presented and the specifics of implementation are explained. Experimental studies represent the core of this chapter. The designed controller is tested in practice. The characteristics of direct sliding mode current control are analyzed by direct metrological comparison with the prior art. In Chapter Summary and Outlook (Zusammenfassung und Ausblick) the main achieved results are summarized and critically evaluated. The present work is completed with the comments to the further possible development of the direct sliding mode current control.