Optimierung des mechatronischen Entwurfs von mehrachsigen Antriebssystemen

• Antragsteller: Dr.-Ing. Werner Herfs
• Fachliche Zuordnung: Produktionsautomatisierung und Montagetechnik ; Spanende und abtragende Fertigungstechnik
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 290805194

Der Auslegungsprozess von mehrachsigen Antriebssystemen stellt Ingenieure vor die Herausforderung aus einer Vielzahl von angebotenen Antriebskomponenten mit nur zum Teil unzureichenden Parameterangaben eine optimale Wahl von Komponenten zu treffen. Hauptziel ist dabei die Auslegung eines Servosystems mit einer hohen Bandbreite in der Regelung. Bisherige Systeme nutzen meistens eine kaskadierte Reglerstruktur aus Strom-, Drehzahl- und Lageregelung, die durch ihre Kaskadenstruktur nicht bandbreitenoptimal ist. Um trotzdem schwingungsarme Positioniersysteme auslegen zu können, werden daher häufig steife und damit meist teure Komponenten verwendet. Der zunehmende Kostendruck erfordert jedoch ein Umdenken, sodass ein Kompromiss aus optimierter Mehrgrößenregelung und Steifigkeit der Komponenten gefunden werden muss. Diese neue Herangehensweise verlangt schon während der Auslegung eine regelungstechnische Analyse hinsichtlich Beobacht- und Regelbarkeit der unterschiedlichen Eigenmoden, um eine Bandbreite abschätzen zu können. Eine bestimmende Größe für beispielsweise die Beobachtbarkeit der Position ist die Lage, die Anzahl und die Wahl der (Positions-)Messsysteme, welche beispielsweise bei kaskadierten Regelkreisen auf ein indirektes und direktes Wegmesssystem begrenzt sind. Die daraus resultierende Nicht-Beobachtbarkeit einzelner Zustände führt zu nicht regelbaren Zuständen und damit zu geringeren Bandbreiten. Im Vorgängerprojekt wurde bereits ein Optimierungsverfahren entwickelt, welches basierend auf Singulärwerten die maximale mechanische Bandbreite anhand von Unsicherheiten nach oben abschätzt und optimiert. Durch eine Black-Box-Optimierung über eine Datenbank mit Komponentenmodellen ist so eine schnelle Auslegung für einen Preisbereich möglich. Grundlage war jedoch hierbei die meist verwendete kaskadierte einachsige Regelung von Vorschubachsen mit Filtern, die zwar den Stand der Technik darstellt, aber nicht bandbreitenoptimal ist. Die Idee dieses Fortsetzungsprojektes ist es, die Antriebsauslegung zu erweitern, sodass gleichzeitig auch eine Grobauslegung einer mehrachsigen Mehrgrößenregelung erfolgt. So kann nicht nur die Bandbreite erhöht werden, sondern auch mehrachsige Effekte (wie z. B. Gieren und Nicken von Verfahrständern) ausgeregelt werden. Dabei sollen verschiedene Methoden der Regelungstechnik für die Antriebsoptimierung weiterentwickelt werden: Mit Hilfe einer Optimierung des Relative Gain Arrays soll die Sensorposition und –wahl und damit die Beobacht- und Regelbarkeit von Systemen deutlich erhöht werden. Für die Regelung kommen moderne Regelungsmethoden wie H∞- oder LQG-Regler zum Einsatz. Die Validierung erfolgt anhand eines Echtzeitregelungssystems an einer Testmaschine, welches zusätzliche direkte Messsysteme erfasst und die Tastgrade der Umrichter steuert.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen