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Effektive Nutzung des Leistungspotenzials von Direktantrieben

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					                                                                                                                                                     Titelthema




Antriebstechnik, Messen/Steuern/Regeln

Effektive Nutzung des Leistungspotenzials
von Direktantrieben
Ein Überblick über das BMBF-Verbundprojekt „EffeNDi“
J. Berkemer, R. Altenburger, T. Koch, W.-D. Lehner


Inhalt Das Verbund-Forschungsprojekt EffeNDi „Effektive Nutzung         Effective use of the dynamic potentials of direct drives –
des Leistungspotenzials von Direktantrieben durch Impulsentkopp-        A summary of the BMBF joint project EffeNDi
lung, Beschleunigungsregelung, achsübergreifende Regelung und ge-
koppelte Simulation“ startete vor drei Jahren und wurde im Rahmen       Abstract The joint research project EffeNDi “Effective use of the dy-
des Konzepts „Forschung für die Produktion von morgen“ mit Mitteln      namic potentials of direct drives through impulse neutralization, acce-
des Bundesministeriums für Bildung und Forschung BMBF unter dem         leration control, MIMO control and coupled simulation“ started three
Förderkennzeichen 02PP2440 gefördert. Es endet im Mai 2004. Gegen-      years ago and was promoted within the context of the strategy “Re-
stand des Projekts ist, die bereits vorhandene Dynamik von Direkt-      search for the production of tomorrow“ by means of the German Fede-
antrieben für die Erzeugung hochdynamischer und hochgenauer Bahn-       ral Ministry of Education and Research BMBF. The project will end now
bewegungen in modernen Produktionsmaschinen weiter zu erschlie-         in May 2004. The objective of the project is to increase the already
ßen. Dieses Ziel soll weniger durch die Weiterentwicklung des Antrie-   available dynamics of direct drives towards the generation of very dy-
bes selbst, als vielmehr durch eine verbesserte Systemintegration des   namic and very exact feed forward movements in modern production
Antriebs in die Maschine erreicht werden. Die vier in der Themenstel-   machines. The focus of the project is primarily not the development of
lung genannten prototypischen Lösungsansätze wurden anhand von          the drive itself, but rather the improvement of the integration of the
Versuchsständen und Demonstratoren soweit ausgearbeitet, dass           drive into the machine. The four prototypical solutions mentioned in
diese künftig in Form von Baugruppen und Softwaremodulen sowie im       the subject were implemented on test stands and demonstrator axes
Rahmen beratender Dienstleistungen der industriellen Anwendung zur      and are available for the industrial application in future in a form of
Verfügung stehen. Der vorliegende Fachaufsatz gibt eine Übersicht       assemblies and software modules as well as in the context of consul-
über die Problemstellung, Zielsetzung und die einzelnen Ergebnisse      ting services. The article on hand presents a survey of the problem de-
des Projekts.                                                           finition, target and selected results of the project.


                                                                        1 Problemstellung und Zielsetzung

                                                                           Um eine hohe Dynamik im Vorschub zu erzielen, ist sowohl
                                                                        eine hohe Verstärkung der Regelung – die unter anderem
                                                                        durch die Geschwindigkeitsverstärkung im Lageregelkreis KV
                                                                        ausgedrückt wird – als auch ein hoher Ruck – welcher hohe
 Autoren
                                                                        Beschleunigungen und Geschwindigkeiten auf möglichst kur-
 Dr.-Ing. Joachim Berkemer
                                                                        zem Weg erreicht – erforderlich. Mit Hilfe einer hohen Regler-
 Siemens Linear Motor Systems GmbH & Co. KG                             verstärkung ist einerseits die Umsetzung von Soll-Bahnen mit
 Georg-Reismüller-Str. 32, D-80999 München                              hohen Ruckwerten erst möglich, andererseits ist die hohe
 Tel. +49 (0)89 / 81 886-0, Fax +49 (0)89 / 81886-519                   Reglerverstärkung auch für eine gute Positioniergenauigkeit
 E-Mail: Joachim.Berkemer@siemens.com                                   beziehungsweise Störsteifigkeit notwendig.
                                                                           Elektrische Direktantriebe in der Ausfertigung von Linear-
 Dipl.-Phys. Ruprecht Altenburger                                       und Torquemotoren besitzen selbst bereits das Potenzial für
 Zentrum Fertigungstechnik Stuttgart (ZFS)                              extrem hohe Dynamik und Genauigkeit. In Versuchsanlagen
 Nobelstr. 15, D-70569 Stuttgart
 Tel. +49 (0)711 / 13162-32, Fax +49 (0)711 / 13162-11
                                                                        konnte etwa gezeigt werden, dass Linearantriebe einen Ruck
 E-Mail: altenburger@zfs.tz.uni-stuttgart.de                            bis 500 000 m/s³ und Beschleunigungen bis 30 g bei Positio-
                                                                        niergenauigkeiten noch bis zu 1 µm – bei geringerer Dynamik
 Dipl.-Ing. Thomas Koch                                                 auch mit weit höherer Genauigkeit – umsetzen können. Bei
 Fraunhofer-Institut Werkzeugmaschinen                                  geeigneter Mechanik sind Geschwindigkeitsverstärkungsfak-
 und Umformtechnik (IWU)                                                toren KV von 60 m/min mm und darüber hinaus erreichbar
 Reichenhainer Str. 88, D-09126 Chemnitz                                [1–3]. Dieses Potenzial kann jedoch in den meisten Anwen-
 Tel. +49 (0)371 / 5397-498, Fax +49 (0)371 / 5397-156                  dungsfällen bei weitem nicht ausgereizt werden, da das Zu-
 E-Mail: koch@iwu.fhg.de
                                                                        sammenwirken von mechanischer Struktur, Antriebskom-
 Dipl.-Ing. Wolf-Dieter Lehner
                                                                        ponenten, Sensorik und Regelung noch nicht optimal abge-
 FISW Forschungs- und Ingenieurgesellschaft GmbH                        stimmt ist. Ziel des Projekts ist daher, das vorhandene Leis-
 Rosenbergstr. 28, D-70174 Stuttgart                                    tungspotenzial elektrischer Direktantriebe mit gezielten
 Tel. +49 (0)711 / 22992-0, Fax +49 (0)711 / 22992-22                   Maßnahmen verbesserter Systemintegration deutlich besser
 E-Mail: wolf-dieter.lehner@fisw.de                                     als bisher auszunutzen. Dieser Zielsetzung stehen folgende
                                                                        Problemfelder gegenüber:




                                                                                           wt Werkstattstechnik online              Jahrgang 94 (2004) H. 5   233
                                                                                                                                             Titelthema




                                                                                                                  Bild 1. Prinzip der
                                                                                                                  Impulsentkopplung
                                                                                                                  (siehe auch Video 1)
                                                                                                                   D. Stoiber – Siemens AG


    • Eine Erhöhung des Rucks führt zu verstärkter dyna-        und Ingenieurgesellschaft für Steuerungstechnik GmbH und
mischer Anregung der Maschinenstruktur, die sich in größe-      dem ZFS Zentrum Fertigungstechnik Stuttgart konnte ein
ren Schwingungsamplituden bezüglich der Messsysteme und         Konsortium mit einschlägiger Erfahrung in den erforderlichen
an der Bearbeitungsstelle äußert, so dass die Genauigkeit       Fachgebieten gebildet werden. Begleitet wurde das Vorhaben
sinkt. Außerdem ist die Anregung mit höherem Ruck breitban-     von der Forschungszentrum Karlsruhe GmbH, Projektträger
diger, so dass sich neben größeren Schwingungsamplituden        des BMBF für Produktion und Fertigungstechnologien PFT, Au-
auch höherfrequente Resonanzstellen über das Messsystem in      ßenstelle Dresden [4–6].
den Regelkreis einkoppeln. Überzogene Regelparameter ver-
stärken die im Regelkreis auftretenden Resonanzen. Das kann
bei ungünstiger Anbringung eines Messsystems bis zur Insta-     2 Impulsentkopplung
bilität des geregelten Systems führen.
                                                                   Prinzipbedingt werden bei der Realisierung hochdynami-
   • Höhere Abtastraten der Regelung sind hinsichtlich grö-     scher Bewegungsvorgänge die notwendigen Kräfte und Kraft-
ßerer Dynamik und besserer Störsteifigkeit erwünscht. Bei der   änderungen allein durch den Direktantrieb über dessen Steue-
heute insbesondere bei linearangetriebenen Achsen ge-           rung und Regelung erbracht. Die reaktionsseitige Schwin-
bräuchlichen Berechnung des Geschwindigkeits-Ist-Wertes         gungsanregung der tragenden Struktur kann aufgrund der di-
durch zeitdiskrete Differentiation wirkt sich eine hohe Abta-   rekten Verbindung des Motors mit dem Maschinengestell zu-
strate jedoch negativ auf das quantisierte Geschwindigkeits-    nächst nur über eine Begrenzung der die Dynamik beeinflus-
signal aus.                                                     senden Antriebsregelparameter verhindert werden. Damit
                                                                wird aber auch die Dynamik der eigentlichen Vorschubeinheit
   • Bei mehrachsigen Maschinenkonfigurationen mit her-         begrenzt. Ziel beim Einsatz der sogenannten Impulsentkopp-
kömmlichen Antriebssystemen nutzt die Regelung nur die          lung [7, 8] ist das Minimieren der Rückwirkung auf das Ma-
Signale des Messsystems oder der Messsysteme, die dem je-       schinengestell trotz hoher Verstärkungsfaktoren in den Regel-
weiligen Antrieb zugeordnet sind. Die Regelung ist quasi als    kreisen.
Nebeneinanderschaltung von Eingrößenreglern konfiguriert,          Der Direktantrieb wird reaktionsseitig beweglich gelagert
so dass im Prinzip vorhandene Messsignale für die Bearbei-      und über Feder- und Dämpfungselemente mit dem Maschinen-
tungsaufgabe nicht optimal genutzt werden.                      bett verbunden (Bild 1). Damit wird ein mechanischer Tief-
                                                                pass realisiert, welcher den Impuls des Direktantriebes von
    Im Rahmen der vier im Folgenden beschriebenen Teilpro-      der unterlagerten Struktur entkoppelt und somit die Anre-
jekte wurden sehr unterschiedliche Lösungsansätze zum Be-       gung der Eigenfrequenzen der tragenden Struktur dämpft. Die
grenzen, Vermeiden oder Beherrschen der beschriebenen           Grenzfrequenz des Entkoppelgliedes muss dabei deutlich un-
Schwingungs- und Signalverarbeitungs-Problematik von den        terhalb der ersten kritischen Eigenfrequenz des Maschinen-
Projektpartnern verfolgt.                                       gestells liegen, da es sonst zu ungewollten Resonanzerschei-
    Die Siemens Linear Motor Systems GmbH & Co. KG koordi-      nungen kommen kann. Da das Reaktionsteil des Motors auf-
nierte das Verbundvorhaben EffeNDi. Mit den beteiligten In-     grund der beweglichen Lagerung ausweichen kann, ist die
dustriepartnern Hübner Elektromaschinen AG, Intes GmbH,         feste Zuordnung der Kommutierung zum Lagemesssystem
ISG Industrielle Steuerungstechnik GmbH, Lernstatt Indus-       nicht mehr gegeben. Um den Direktantrieb dennoch ansteu-
trie- und Automatisierungstechnik GmbH (bis 2002), Siemens      ern zu können, ergibt sich die regelungstechnische Notwen-
AG Bereich Automatisierung und Antriebstechnik, Trumpf          digkeit, die Pol-Lage zwischen Erregerfeld und Motorwicklung
Sachsen GmbH (bis 2003) und Variomatic GmbH & Co. KG so-        über ein zusätzliches Messsystem permanent zu ermitteln,
wie den Forschungseinrichtungen IWU Fraunhofer Institut für     wenn die Ausweichbewegung des Reaktionsteils einen durch
Werkzeugmaschinen und Umformtechnik, FISW Forschungs-           den Pol-Abstand definierten Weg überschreitet.




                                                                                wt Werkstattstechnik online        Jahrgang 94 (2004) H. 5         234
                                                                                                                                           Titelthema




    Schwerpunkt dieses Teilprojekts ist die Ent-
wicklung mechanischer Impulsentkopplungs-Ele-
mente, die die genannten Anforderungen hin-
sichtlich Steifigkeit und Dämpfung erfüllen und
die Anwendung in einem breiten Einsatzspek-
trum erlauben. So wurden sowohl Linear- als
auch Torquemotor-Achsen untersucht. Die
Schwierigkeit der Auslegung solcher Impulsent-
kopplungselemente zeigte sich im Projektverlauf
vor allem darin, die gesteckten dynamischen
Rahmenbedingungen zu erfüllen: Bei notwendi-
ger niedriger Eigenfrequenz und einer im Ver-
gleich zur Vorschubeinheit geringen Masse muss
die Steifigkeit des Entkopplungselementes sehr
niedrig abgestimmt sein. Gleichzeitig ist aber der
Weg für die Ausweichbewegung des Reaktions-
teils begrenzt, so dass eine möglichst hohe
Dämpfung realisiert werden muss. Das Ziel, die
Reaktionsbewegung soweit zu begrenzen, dass
ein zweites Messsystem zur Zuordnung der Kom-
mutierung entfallen kann, lässt sich bei schwere-
ren Achsen dennoch nicht erfüllen.
    In der konstruktiven Umsetzung der Entkopp-
lungselemente konnten vier Lösungen erarbeitet
und untersucht werden:
                                                     Bild 2. Nachgiebigkeitsfrequenzgang zwischen Direktantrieb und Messkopf einer Achse
    – über vorgespannte Druckfedern und die be- mit/ohne Impulsentkopplung                                                                 Fhg-IWU
reits aus einer früheren Entwicklung der Impuls-
entkopplung bekannte Wirbelstrombremse, die etwa durch ei-
nen kurzgeschlossenen Direktantrieb realisiert werden kann;

  – eine sehr einfache, aber auch technisch eingeschränkte
Anwendung vorgespannter, parabolischer Gummipuffer in
Kombination mit der Wirbelstrombremse;

   – vorgespannte Silikonöl-Feder-Dämpfer und

   – ein magnetorheologisches Feder-Dämpfer-Element.

    Um den Einfluss der Reaktionskräfte von direktangetriebe-
nen Vorschubachsen auf die Maschinenstrukturen beurteilen
zu können, wurden eine Reihe von Finite-Elemente-Simula-
tionen und dynamische Maschinenuntersuchungen durch-
geführt. Die Auswertung der Ergebnisse ergab, dass das Ge-        Bild 3. Prüfstand Impulsentkopplung                        Fhg-IWU
samtverhalten einer Antriebseinheit durch die Integration ei-
nes Entkoppelgliedes signifikant verbessert werden kann.          suchsstand mit entkoppelt gelagertem Sekundärteil und zwei
Dies gilt aber nur, wenn relevante Eigenfrequenzen in Wir-        Primärteilen (Vorschubschlitten) entwickelt und gebaut
kungsrichtung des Antriebes liegen und über die Entkoppel-        (Bild 3). Bei den bis zum Projektende laufenden Unter-
elemente beeinflussbar sind. Bild 2 zeigt den Frequenzgang        suchungen bestätigte sich, dass bei geeigneter Wahl der Kop-
zwischen Antrieb und Messkopf einer Versuchsachse mit und         pelelemente die schwingungsanregende Wirkung schneller
ohne Impulsentkopplung. Deutlich wird die Absenkung und           Richtungs- beziehungsweise Geschwindigkeitswechsel auf
teilweise das Wegfallen höherfrequenter Amplituden ober-          das Untergestellt minimiert wird. Die weiteren Tests dienen
halb der Eckfrequenz der Impulsentkopplung im Vergleich mit       unter anderem dem Überprüfen der Tauglichkeit der ent-
dem geklemmten Reaktionsteil des Direktantriebes. Die Ver-        wickelten Entkopplungselemente für den industriellen Ein-
minderung der höherfrequenten Amplituden gestattet eine           satz.
höhere Reglerverstärkung. Allerdings zeigt der Frequenzgang          Aufgrund von Veränderungen im Projektkonsortium wur-
im niederfrequenten Bereich auch die noch ungenügende             den die Arbeiten auf einen impulsentkoppelten Torque-Motor
Dämpfung des hier untersuchten Entkopplungselementes.             konzentriert. Die Umsetzung in eine Demonstrator-Achse
    Um die Eigenschaften eines derart aufgebauten Antriebs-       dauerte zum Zeitpunkt der Erstellung dieses Aufsatzes noch
stranges unter prozessnahen Bedingungen zu untersuchen,           an, die Arbeiten können jedoch zum Projektende abgeschlos-
wurde vom Fraunhofer-Institut IWU ein Linearmotor-Ver-            sen werden.




                                                                                    wt Werkstattstechnik online          Jahrgang 94 (2004) H. 5     235
                                                                                                                                                 Titelthema




3 Achsübergreifende Regelung

   Das Teilprojekt „Achsübergreifende Regelung“ fokussiert
den Einsatz einer Mehrgrößenregelung für Lineardirekt-
antriebe zunächst am Beispiel einer Gantry-Achse, im weite-
ren Projektverlauf an einer Scherenkinematik. Eine von der
ISG in Zusammenarbeit mit dem ZFS entwickelte Mehrgrößen-
regelung ist eine der Schlüsselkomponenten dieses Teilpro-
jekts.

3.1 Achsübergreifende Regelung an Gantry-Achsen

    Bei einer Gantry-Achse kommen zwei Antriebe auf einer
Achse zum Einsatz. Die Antriebe sind jeweils mit eigenem
Messsystem und eigenem Regler ausgestattet. Solche Anord-
nungen werden beispielsweise bei Portalmaschinen im Fräs-
und Laserbereich eingesetzt, aber auch an Fräszentren kleine-
rer Abmaße sind Einzelachsen in dieser Konfiguration zu fin-
den. Regelungsseitig werden die Vorschubantriebe als Einzel-
achse konfiguriert. Dabei hat sich gezeigt, dass sich mit       Bild 4. Differenz zwischen Soll-Kraft Motor 1 und Soll-Kraft Motor 2 für
P-Lage- und PI-Geschwindigkeitsreglerstrukturen zum Teil        zwei verschiedene Reglertypen. Die gemessene maximale Kraftdifferenz
hohe Regelkreisverstärkungen erreichen lassen. Diese Regler     von 80 N stellt etwa 20 % der Motorspitzenkraft dar.                       ZFS
zeichnen sich durch einfache Parametrierung und hohe Stabi-
lität aus. Bei hohen Regelkreisverstärkungen wird entspre-      nige Vereinfachungen. Angenommen die Anordnung wird kon-
chend ein gutes Führungs- und Störverhalten erreicht.           stant beschleunigt und ist in eingeschwungenen Zustand, so
    Achsen in Gantry-Konfiguration zeichnen sich durch einen    ergibt sich folgender Wert für die Differenz der Kräfte an den
hohen Grad der Symmetrie aus. An einem am ZFS aufgebauten       Antrieben:
Prüfstand lassen sich dynamische Effekte einer Gantry-Achse
experimentell untersuchen. Mit Hilfe einer offenen Regler-                                           .
schnittstelle können verschiedene Reglerstrukturen imple-
mentiert und auf ihre Eignung untersucht werden. Unter-            Setzt man Zahlenwerte aus Messungen am Prüfstand ein,
suchungen zeigen, dass winzigste Zeitverzögerungen im Ge-       so ergibt sich ein Wert für    von 2160 N/s. Wird das System
schwindigkeitsregelkreis, die im Bereich von wenigen Mikro-     beispielsweise über eine Zeit von 0,05 s beschleunigt, so bil-
sekunden liegen, zu starken Asymmetrien bei den Soll-Kräften    det sich also ein Kraftunterschied von 108 N zwischen den
der Motoren führen können. Analytisch lässt sich dieser Sach-   beiden Antrieben. Obwohl diese analytische Betrachtung sehr
verhalt durch einfache Abschätzungen darstellen. Bei der Be-    grobe Vereinfachungen annimmt, stimmen die Abschätzun-
rechnung der Soll-Kräfte/Soll-Ströme gilt:

                                                                                   .

Dabei ist:

s (t)        Lage-Soll-Wert
x (t)        Lage-Ist-Wert
Kv           Lagereglerverstärkungsfaktor
Kp           Geschwindigkeitsreglerverstärkungsfaktor
TN           Nachstellzeit Geschwindigkeitsregler

Tritt nun eine Zeitverzögerung von D t im Geschwindigkeits-
regler 2 auf, so ergibt sich eine Soll-Kraft von:

                                                                                                         .

Mit der Annahme der idealen Verkopplung der beiden Antriebe
und dem Gesetz



   führt dies zu einem gekoppelten Delay-Differentialglei-
chungssystem. Ein solches System ist bereits für einfachste
Fälle nur mit großem Aufwand analytisch lösbar. Werden nun
aber einfache Beschleunigungsfälle betrachtet, so gelten ei-




                                                                                  wt Werkstattstechnik online             Jahrgang 94 (2004) H. 5      236
                                                                                                                                                    Titelthema




gen gut mit Messungen und Zeitsimulationen überein. Bild 4
zeigt Messungen am Prüfstand. Die Motorbelastung der bei-
den Antriebe ist stark asymmetrisch für die beiden Motoren.
Diese müssen also mit Kraftreserven ausgestattet sein, um
gewünschte Beschleunigungen zu erreichen.

3.2 Gleichmäßiger Lauf durch Mehrgrößenregelung

    Ein Gantry-Antrieb hat die Eigenschaft, dass eine Vor-
schubkraft an einem Antrieb eine Bewegung auf beiden Sei-
ten der Anordnung verursacht. Ein solches System ist ein so
genanntes Mehrgrößensystem. Reglerseitig wird darauf bei
herkömmlichen Antriebssystemen nur ungenügend eingegan-
gen. Die Regelung ist als Nebeneinanderschaltung von Ein-
größenregler konfiguriert. Am Prüfstand ist es möglich, diese
Trennung aufzubrechen und Mehrgrößenalgorithmen zu im-
plementieren. Anschaulich werden dabei alle Soll-Werte sowie
alle vorhandenen Messwerte verwendet, um daraus alle neuen        Bild 5. Schnelle Positionierung. v = 1 m/s, a = 20 m/s2, Positionen (oben)
Stellkräfte zu berechnen. Dass dies zu einer gleichmäßigeren      und Schleppabstände (unten) für Einzelachsregler (P-Lage, PI-Geschwindig-
Belastung der Motoren führt, ist in Bild 4 zu sehen. Jetzt        keitsregler) sowie adaptiver Generalisierter Prädiktivregler (GPC) nach
noch vorhandene Kraftdifferenzen resultieren im Wesentli-         [9, 10]. Der adaptive Regler ist in der Lage, die Regelstrategie rasch an die
chen aus unterschiedlichen Reibungsverhältnissen der Schlit-      Regelstrecke anzupassen. Die Schleppabstände sind nach Anpassung der
ten und aus systematischen Messsystem-Ungenauigkeiten.            Strecke um den Faktor 200 unter denen des Standardreglers.                  ZFS
An der Achse selbst ist dies durch einen ruhigeren Lauf und
geringere Geräuschentwicklung bemerkbar.
    Neben dem Aspekt der Mehrgrößenregelung wird am Prüf-
stand außerdem untersucht, inwiefern erweiterte Regleralgo-
rithmen, die über die klassische P-PI-Kaskadenstruktur hi-
nausgehen, Verbesserung bei der Positioniergenauigkeit brin-
gen können. In Bild 5 sind Soll-Positionen und Schlepp-
abstände für einen schnellen Positioniervorgang dargestellt.
Erste Ergebnisse aus diesen Studien lassen den Schluss zu,
dass in diesem Bereich noch einiges an Potenzial liegt, um
bisherige Grenzen zu überwinden.


4 Signalverarbeitung, Strom-
und Beschleunigungsregelung

   Das Ziel dieses Teilprojekts besteht im Verbessern der digi-
talen Regelung von Direktantrieben hinsichtlich der Füh-          Bild 6. Kombinierter Strom- und Beschleunigungsregler                         FISW, ISW
rungsdynamik und der dynamischen Störsteifigkeit. Die
Schlüsselkomponenten dazu sind eine Signalverarbeitungs-          beschleunigung zwischen Primär- und Sekundärteil des An-
elektronik zur hochdynamischen und hochgenauen Erfassung          triebs messen. Dynamisch entspricht die gemessene Relativ-
der Zustandsgrößen und ein Relativbeschleunigungssensor           beschleunigung a gemäß der Proportionalität im Grundgesetz
nach dem Ferraris-Prinzip. Die Methoden zur Signalverarbei-       nach Newton der Störkraft FZ und über die als konstant ange-
tung und Entwicklungen der Strom- und Beschleunigungs-            nommene Kraftkonstante KF des Antriebs dem eingeprägten
regelungen sind Arbeiten der FISW und Siemens, die Entwick-       Querstrom iq. In Bezug auf die dynamische Störsteifigkeit ist
lungen und Verbesserungen am Ferraris-Sensor wurden von           es vorteilhaft, unterlagert die Relativbeschleunigung a zu re-
Hübner Elektromaschinen vorgenommen.                              geln, denn die Relativbeschleunigung ist die erste messbare
   Infolge der die Direktantriebe auszeichnenden fehlenden        Zustandsgröße nach dem Störkrafteingriff gemäß Bild 6.
mechanischen Übersetzung in der Kette der Bewegungserzeu-             Bei konventioneller unterlagerter Stromregelung wird die
gung wirken sich Abweichungen sowohl in der Soll-Wert-Vor-        Wirkung einer Störkraft erst als Lage- beziehungsweise Ge-
gabe als auch im Erfassen der Zustandsgrößen direkt auf das       schwindigkeitsabweichung erkannt und über die Lage- bezie-
dynamische Verhalten der Vorschubantriebe aus. Aufgrund           hungsweise Geschwindigkeitsregelung mit ihrer begrenzten
der fehlenden mechanischen Übersetzung wirken sich am Vor-        Dynamik ausgeregelt. Das Verwenden der Relativbeschleuni-
schubschlitten oder Rundtisch angreifende Störkräfte in Be-       gung als Ist-Größe des „Stromreglers“ gelingt nur bis zu einer
wegungsrichtung der Vorschubachse voll auf den Antrieb aus        vom Antrieb abhängigen oberen Grenzfrequenz fg. Ab dieser
und müssen von der Positionsregelung kompensiert werden.          Grenzfrequenz fg werden durch die Rückkopplung der Relativ-
   Die unmittelbare Reaktion eines Antriebs auf eine Stör-        beschleunigung mechanische Eigenfrequenzen (angedeutet
kraft ist gemäß dem Grundgesetz von Newton eine Beschleu-         durch den Block „Mechanik“ in Bild 6) in den Regler einge-
nigung. Mit dem Ferraris-Sensor lässt sich die Relativ-           prägt und führen zu Grenzzyklen. Ein Verringern der Dynamik




                                                                                     wt Werkstattstechnik online              Jahrgang 94 (2004) H. 5       237
                                                                                                                                    Titelthema




des Stromreglers verbietet sich aus Gründen der
damit verschlechterten Führungsdynamik. Damit
die Führungsdynamik erhalten bleibt, wird aus
den niederfrequenten Anteilen der gemessenen
Relativbeschleunigung und aus den hochfre-
quenten Anteilen des Querstroms ein Signal syn-
thetisiert. Der Hochpass und der Tiefpass nach
Bild 6 werden dabei so gewählt, dass ihre Summe
einen Allpass ergibt.
    Die gewählte Vorgehensweise verändert das
Führungsverhalten nicht. In Bezug auf das Stör-
verhalten wird der Antrieb dagegen wesentlich
dynamischer. Mit dem kombinierten Strom- und
Beschleunigungsregler wird nach einem Stör-
kraftsprung wesentlich schneller ein Querstrom
zur Kompensation aufgebaut als mit konventio-
nellem Stromregler. Infolgedessen reduziert sich
die maximale Lageabweichung nach einem Stör-
kraftsprung. Zu beachten ist, dass in die Berech-
nung des synthetisierten Stromsignals die be-
wegte Masse eingeht. Ändert sich diese um mehr
als 20 %, muss diese aus Stabilitätsgründen
adaptiert werden. Ansonsten verringert sich das Bild 7. Einschwingvorgang an einer Vorschubachse nach Störkraftsprung              FISW, ISW
Verbesserungspotenzial des kombinierten Reg-
lers – wie in Bild 7 mit reduzierter Masse zu sehen – deutlich. [13]. Aufgrund wegfallender mechanischer Antriebskom-
Die Messungen sind an einem Bearbeitungszentrum mit ponenten ist dieser Zusammenhang für die Störsteifigkeit von
Kreuztisch an der Grundachse durchgeführt. Diese ist mit Sie- Direktantrieben maßgeblich.
mens-1FN1-Antrieben ausgerüstet und für die Nennmasse von          Die erreichbare Regelkreisbandbreite wird jedoch in realen
700 kg parametriert. Mit kombiniertem Regler reduziert sich Maschinen unter Beachtung des Nyquist-Stabilitätskriteriums
die maximale Abweichung von der Soll-Lage bei Nennbela- oftmals deutlich eingeschränkt, so dass Bahngenauigkeit und
dung von zirka 12 µm auf etwa 4 µm bei gleichzeitig deutlich Steifigkeit reduziert sind. Infolge dessen muss im Allgemei-
geringerer Einschwingzeit von nur noch 24 ms im Vergleich zu nen der Ruck und damit die Vorschubgeschwindigkeit vermin-
55 ms mit konventionellem Stromregler.                          dert werden. Die Grenzen der Regelung sind meist auf mecha-
    Die Schlüsselkomponente für die Beschleunigungsrege- nische Resonanzen elastischer Schwingungen der Maschinen-
lung ist der Ferraris-Sensor. Im Teilprojekt „Signalverarbei- struktur zurückzuführen, die sich über die Strecke zwischen
tung, Strom- und Beschleunigungsregelung“ ist neben dem Antrieb und Messsystem im Regelkreis abbilden.
Anwenden der Relativbeschleunigung der Sensor selbst Ge-           Um eine Vorhersage erreichbarer Dynamik bereits während
genstand der Weiterentwicklung. Im Hinblick auf eine mög- der Konstruktion einer Maschine – und damit Verbesserungs-
lichst kompakte Bauform, eine hohe Messbandbreite und die maßnahmen – zu ermöglichen, wurde im Rahmen dieses Teil-
Möglichkeit anstelle eines Wirbelstromblechs massive Alumi- projekts ein Verfahren zur Kopplung von Strukturdynamik und
niumbauteile als Wirbelstrommaterial zu verwenden, wurde Regelung entwickelt, die diese Wechselwirkungen erfasst.
von Hübner Elektromaschinen im Projektverlauf ein einseitig        Problematische Strukturresonanzen für den Lageregler
abtastender Ferraris-Sensor entwickelt (Bild 8). Für die not- sind im eher niederfrequenten Bereich (etwa 10 Hz bis 90 Hz)
wendige Verstärkung des analogen Ausgangssignals des Ferra- zu finden. Diese resultieren aus Schwingformen der Maschi-
ris-Sensors wurde außerdem ein rauscharmer Verstärker mit nenaufstellung, des Betts und des Maschinengestells.
unipolarer Versorgung entwickelt, der durch programmierbare        Bei hochdynamischen und/oder linearangetriebenen Ma-
Tiefpass- und Bandsperrfilter erweitert werden kann. Die für schinen ist außerdem das genaue Erfassen auch hochfrequen-
die Anwendung der Relativbeschleunigung notwendige Beob- ter Schwingformen notwendig, da derartige Schwingungen
achterstruktur, die in erster Linie eine Drift des anlogen Sig- zunächst die Bandbreite des Drehzahl- beziehungsweise Ge-
nals des Ferraris-Sensors kompensiert, wurde im Projektver- schwindigkeitsreglers begrenzen. Unter höherfrequenten
lauf durch einen adaptiven Algorithmus ergänzt, der die Para- Schwingungen sind etwa bei Bearbeitungszentren Resonanz-
metrierung des Beobachters automatisiert (siehe auch frequenzen der Achsbaugruppen zwischen zirka 100 Hz bis
[11, 12]).


5 Gekoppelte Simulation

   Während hinreichende dynamische Bahn-
genauigkeit meist auch mit Vorsteuerverfahren
konventioneller Kaskadenregler erreicht werden
kann, ist die dynamische Steifigkeit einer Vor-
schubachse von der Regelkreisdynamik bestimmt Bild 8. Einseitig abtastender Ferraris-Sensor                                          Hübner




                                                                                 wt Werkstattstechnik online       Jahrgang 94 (2004) H. 5     238
                                                                                                                                    Titelthema




600 Hz zu verstehen. Zudem sind Schwingungen
von Messsystem-Anbauteilen (zum Beispiel Tast-
kopfhalter) oder lokale Plattenschwingungen im
Bereich der Messsystem-Befestigung sowie in-
terne Resonanzen der Messsysteme selbst zu be-
achten.
    Derartige Schwingungen können nur mit einer
hinreichend detaillierten Modellierung der flexi-
blen Strukturbaugruppen errechnet werden. Aus
diesem Grunde basiert die im Rahmen des Pro-
jekts entwickelte gekoppelte Simulation auf Fi-
nite-Elemente-Modellen [14–16].
    Die Kopplung mit regelungstechnischen For-
mulierungen ist sowohl über ein definiertes Reg-
lerelement im Finite-Elemente-System selbst, als
auch über ein dynamisch geeignet reduziertes
Modell der Strukturmechanik extern über eine
Reglerauslegungs-Software (zum Beispiel „Mat-
lab“) möglich. Auf Basis einer von Siemens Li-
near Motor Systems vorgenommenen Formulie-
rung der Kopplung wurden verschiedene Module
zur Lösung des gekoppelten Problems der Intes
GmbH in das FEM-System „Permas“ implemen-
tiert und gemeinsam mit dem ZFS getestet. So
lassen sich beispielsweise Führungsfrequenz-
gänge des geregelten mechanischen Systems Bild 9. Berechneter Frequenzgang der mechanischen Regelstrecke einer linearangetriebenen
oder Zeitverlaufs-Berechnungen bei vorgege- Achse                                                                              Siemens LMS
benen Soll-Bahnen simulieren.
    Fehlendes Bindeglied für das Verständnis der
Veränderungen vom ungeregelten zum geregel-
ten System war bisher noch die Berechnung und
Auswertung der Eigenformen der geregelten Ma-
schine. Für die Betrachtungen der ungeregelten,
also rein mechanischen Strecke war die Be-
schränkung auf reelle Moden weitgehend vertret-
bar. Da jedoch die Geschwindigkeits- bezie-
hungsweise Drehzahlregelung in die Dämpfungs-
matrix des Gesamtsystems unmittelbar eingeht,
ist die Berechnung komplexer Moden des gekop-
pelten Systems unabdingbar. Auch diese Berech-
nungsmöglichkeit steht nun innerhalb Permas
zur Verfügung.
    Folgendes Beispiel erläutert die Veränderung
der Maschinendynamik durch Einfluss der Rege-
lung. Bild 9 zeigt den Frequenzgang der ungere-
gelten Strecke einer linearangetriebenen Achse,
Bild 10 den Führungsfrequenzgang derselben
Achse mit Geschwindigkeitsregler. Während für
die ungeregelte Achse eine Resonanzstelle (der
ein Phasenhub vorangeht) bei 112 Hz dominiert,
ist diese Resonanzstelle im geregelten Fall nicht
mehr zu lokalisieren. Statt dessen tritt mit akti-
ver Geschwindigkeitsregelung ein deutlicher Bild 10. Führungsfrequenzgang der linearangetrieben Achse mit Geschwindigkeitsregler
Phasenverlust bei 65 Hz auf, ohne dass eine Re-                                                                                Siemens LMS
sonanzüberhöhung dort erkennbar ist. Dieser
Phasenverlust wirkt begrenzend auf die Lageregelung, und hier zunächst nur der Geschwindigkeitsregler der unteren
zwar um so mehr, je geringer die einstellbare Verstärkung KP Achse aktiv ist, tritt nun eine ähnliche Eigenform mit paralle-
des Geschwindigkeitsreglers ist.                              logrammförmiger Schwingung der Achse bei 65 Hz auf
    Die Eigenform der ungeregelten Achse für 112 Hz ist durch (Bild 12). Allerdings ist deren Amplitude am unteren, gere-
eine parallelogrammförmige Schwingform der Achsbaugruppe gelten Antrieb wesentlich kleiner als am oberen Teil der
gekennzeichnet, die bezüglich unterem und oberem Antrieb Achse. Der komplexe Eigenwert dieser Eigenform lässt darauf
nahezu symmetrisch ist (Bild 11). Im geregelten Fall, wobei schließen, dass diese Schwingung stark bedämpft ist und da-




                                                                                wt Werkstattstechnik online        Jahrgang 94 (2004) H. 5   239
                                                                                                                                                        Titelthema




Bild 11. Reelle Eigenform der Maschinenstruktur ohne Regelung bei 112 Hz     Bild 12. Komplexe Eigenform Linearmotor-Achse mit Geschwindigkeits-
(siehe auch Video 2)                                           Siemens LMS   regler bei 65 Hz (siehe auch Video 3)                        Siemens LMS


mit einem hohem Einfluss der Regelung unterliegt. Es zeigt           mischen Eigenschaften der Impulsentkoppung und die be-
sich damit, dass bestimmte Eigenschwingungen der ungere-             grenzten Möglichkeiten zur konstruktiven Umsetzung in Bau-
gelten Mechanik durch die Regelung sowohl in ihrer Frequenz          gruppen erschweren andererseits eine breite Anwendung in
als auch in ihrer Form deutlich verändert werden können. Da-         typischen Vorschubachsen.
rüber hinaus bewirkt die Regelung eine hohe Dämpfung dieser              Insbesondere mit dem Einsatz verbesserter Signalverarbei-
Resonanzstellen.                                                     tung, Stromregelung und Beschleunigungsregelung – etwa
    Im Frequenzgang der ungeregelten Strecke (Bild 9) ist au-        auf Basis der im Rahmen des Projekts optimierten bezie-
ßerdem eine kleine Resonanzüberhöhung mit leichtem Pha-              hungsweise neu entwickelten Ferraris-Sensoren – ist eine
senverlust bei 371 Hz zu finden. Im Zusammenwirken mit den           deutliche Erhöhung der Dynamik und Genauigkeit zu erwar-
Phasenverlusten der Stromregelung, der Totzeiten und gege-           ten. Das hier gezeigte Beispiel weist eine ungefähre Verdrei-
benenfalls aktiver Stromsollwertfilter neigt diese Resonanz-         fachung der Störsteifigkeit und eine Halbierung der Aus-
stelle bei höherer Verstärkung des Geschwindigkeitsreglers           schwingzeit, bezogen auf des Messsystem, auf. Auch das Ver-
zur Instabilität (Bild 10). Im Gegensatz zum oben beschrie-          wenden einer Mehrgrößenregelung zeigt deutliches Potenzial
benen Zusammenhang wirkt hier der Regler entdämpfend, was            auf, um die Dynamik und Genauigkeit direktangetriebener
durch Auswertung des komplexen Eigenwerts der geregelten             Mehrachssysteme zu erhöhen.
Eigenform bestätigt wird. Eigenfrequenz und -form ändern                 Voraussetzung für den sinnvollen Einsatz der vorgestellten
sich hier kaum. Die betreffende Eigenform zeigt eine Torsions-       Maßnahmen sind jedoch ein abgestimmtes Konzept der Achs-
bewegung der Achsbaugruppe um ihre Hochachse. Da diese               anordnung, eine gute konstruktive Umsetzung und optimale
Schwingung begrenzend für die erreichbare Verstärkung des            Mess-Orte für das Erfassen der Zustandsgrößen für die Rege-
Geschwindigkeitsreglers und in Folge dessen auch des Lage-           lung. Dazu bietet die gekoppelte Simulation die Möglichkeit,
reglers wirkt, muss eine konstruktive Verbesserung bei eben          die Wirksamkeit der vorgesehen Maßnahmen im Hinblick auf
dieser Eigenform angesetzt werden.                                   Regelkreisdynamik und Genauigkeit frühzeitig zu berechnen
    Über die Integration eines definierten, aber noch analo-         und konstruktive Verbesserungen vorzunehmen.
gen Reglerelementes in das Finite-Elemente-System hinaus                 Es kann erwartet werden, dass die im Verbundprojekt erar-
wurde von Siemens Linear Motor Systems ein gekoppeltes Si-           beiteten Komponenten und Verfahren Eingang in die indus-
mulationssystem aufgebaut, welches auch die digitalen Ab-            trielle Anwendung finden werden.
tasteffekte, die Differentiation der Geschwindigkeit aus der
Lageinformation und Stromsollwertfilter der Regelung be-
rücksichtigt.

                                                                     Literatur
6 Zusammenfassung und Ausblick
                                                                     [1] Berkemer, J.; Knorr, M.: Auslegungsmethoden für Maschinen mit Line-
   Der Fachaufsatz zeigt einen Überblick über das nun nahezu         arantrieben – gesamtheitliche Betrachtung der Maschinenmechanik und
beendete Verbundprojekt „EffeNDi“ mit beispielhaften Ergeb-          der Antriebseinheiten. Im Seminar: Fortschritte in der Regelungs- und
                                                                     Antriebstechnik, Stuttgart, FISW GmbH, 26.10.–27.10.2001
nissen. Die bisherigen Erfahrungen an Pilotsystemen und die          [2] Klaus, M.: Dynamisches Leistungspotential von Lineardirekt-
Ergebnisse des EffeNDi-Teilprojekts deuten darauf hin, dass          antrieben. Im Seminar: Fortschritte in der Regelungs- und Antriebstech-
der Einsatz der Impulsentkopplung für bestimmte, aber be-            nik, Stuttgart, FISW GmbH, 13.11.–14.11.1998
                                                                     [3] Rudloff, H.; Götz, F.; Siegler, R.; Gringel, M.; Knorr, M.: Direktantriebe
grenzte Anwendungsfelder unabdingbar ist, um dynamische              – Auslegung und Vergleich. Im Tagungsband Stuttgarter Impulse: Inno-
Anforderungen etwa aus dem Bearbeitungsprozess überhaupt             vation durch Technik und Organisation / FTK '97. Heidelberg: Spinger-
erreichen zu können. Die Rahmenbedingungen an die dyna-              Verlag 1997




                                                                                         wt Werkstattstechnik online                   Jahrgang 94 (2004) H. 5   240
                                                                                                                                                         Titelthema




[4] N.N.: Kleine Unternehmen entwickeln innovative Schlüsselkom-                [15] Berkemer, J.: Simulation der Antriebsregelung in Werkzeug-
ponenten für Produktionsanlagen. BMBF-Pressemitteilung Nr. 108 / 2001           maschinen. Im Tagungsband PERMAS User Meeting. Stuttgart: Intes
[5] Berkemer, J.: Verbundprojekt EffeNDi – Verbesserte System-                  GmbH 1998
integration von Direktantrieben. konstruktion+engineering (2002)                [16] Berkemer, J.: Gekoppelte Simulation von Maschinendynamik und
H. 01/02                                                                        Antriebsregelung unter Verwendung linearer Finite Elemente Modelle.
[6] Berkemer, J.; Böhler, H.; Koch, Th.; Willuweit, G.: Effektive Nutzung       Dissertation, Universität Stuttgart, 2003
des Leistungspotenzials von Direktantrieben durch verbesserte System-
integration. Im Tagungsband Karlsruher Arbeitsgespräche 2002, For-
schung für die Produktion von morgen (FZKA-PFT 210). Karlsruhe: For-
schungszentrum Karlsruhe GmbH 2002
[7] Krauss-Maffei AG: Impulsentkoppelter Direktantrieb; Patent-                  Ansprechpartner für weitere Informationen
anmeldung, vorläufiges Aktenzeichen 19810996-2
[8] Stoiber, D.; Knorr, M.: Ruckfrei – Dank der Impulsentkopplung 1 µm
bei 30 g Beschleunigung. WB Antriebstechnik 133 (2000) H. 6                      Dr.-Ing. Joachim Berkemer
[9] Clarke, D. W.; Mohtadi, C.; Tuffs, P. S.: Generalized Predictive Control-    Kontaktdaten siehe unter Autoren
Part 1. Basic Algorithm. Automatica, Vol. 23 (1987) no. 2, pp. 137–148
[10] Clarke, D. W.; Mohtadi, C.; Tuffs, P. S.: Generalized Predictive Con-
trol-Part 2. Extensions and Interpretations. Automatica, Vol. 23 (1987)
                                                                                 Michael Petzold
no. 2, pp. 149–160                                                               Forschungszentrum Karlsruhe GmbH – Projektträger
[11] Hiller, B.: Ferraris-Sensor – Was steckt dahinter. In: Tagungsband          des BMBF für Produktion und Fertigungstechnologien (PFT)
zum Lageregelseminar '01 „Fortschritte in der Regelungs- und Antriebs-           Außenstelle Dresden
technik“, Stuttgart, 26.10.–27.10.2001. Stuttgart: Selbstverlag FISW             Hallwachsstr. 3, D-01069 Dresden
GmbH 2001                                                                        Tel. +49 (0)351/463-31469
[12] Garber, Th.; Lehner, W.-D.: Verbesserung des Führungs- und Störver-
haltens von Servoantrieben durch den Ferraris-Sensor bei der Fräsbear-
                                                                                 E-Mail: Petzold@pft.fzk.de
beitung. In: Tagungsband zum Lageregelseminar '01 „Fortschritte in der
Regelungs- und Antriebstechnik“, Stuttgart, 26.10.–27.10.2001. Stutt-            Dank
gart: Selbstverlag FISW GmbH 2001                                                Das Konsortium bedankt sich für die Förderung, ohne die die
[13] Pritschow, G.: Zum Einfluss der Geschwindigkeitsverstärkung auf die         vorgestellten Arbeiten des Projekts nicht hätten durchgeführt
dynamischen Bahnabweichungen. wt Werkstattstechnik 86 (1996)
S. 337–341
                                                                                 werden können (Förderkennzeichen 02PP2440). Besonderer
[14] Berkemer, J.: Simulation von Werkzeugmaschinen unter Berücksich-            Dank geht auch an den Projektträger für die fachliche und
tigung der Antriebsregelung. Im Tagungsband zum XXIV. FEM-Kongress in            organisatorische Begleitung des Projekts.
Baden-Baden, 1997




                                                                                                  wt Werkstattstechnik online           Jahrgang 94 (2004) H. 5   241