Auto-Tuning: Von der Systemidentifikation zu optimierten Gains
Was ist Auto-Tuning?
Auto-Tuning ist der automatisierte Prozess, bei dem ein Servoantrieb die optimalen Regelkreis-Gains (Proportional-, Integral- und Differentialanteil) selbstständig ermittelt — ohne manuelles Trial-and-Error. Der Prozess besteht aus zwei Phasen: Systemidentifikation (das elektromechanische System wird vermessen) und Gain-Berechnung (ein Algorithmus berechnet die optimalen Parameter).
Warum ist das wichtig?
Die manuelle Abstimmung von Servo-Regelkreisen erfordert tiefes regelungstechnisches Wissen und stundenlange Iterationen. Auto-Tuning löst dieses Problem:
- Schnellere Inbetriebnahme — was manuell Stunden dauert, gelingt in Sekunden
- Geringere Expertiseanforderung — der Antrieb übernimmt Modellextraktion und Gain-Berechnung
- Bessere Ergebnisse — frequenzbasiertes Auto-Tuning nutzt Informationen aus dem gesamten Frequenzbereich und liefert oft bessere Ergebnisse als manuelle Abstimmung
- Kompensation mechanischer Resonanzen — identifizierte Resonanzen können automatisch mit Notch-Filtern unterdrückt werden
- Reproduzierbarkeit — identische Ergebnisse über eine gesamte Serienproduktion
Wie funktioniert es?
Phase 1 — Systemidentifikation:
Der Antrieb regt das System mit einem Drehmomentsignal an (Sinus-Sweep / Chirp-Signal) und misst die resultierende Bewegungsantwort. Aus den Eingangs-/Ausgangsdaten wird die Frequenzantwort (Bode-Diagramm) des Systems berechnet. Die Amplitude des Anregungssignals steigt während des Sweeps linear von 50 % auf 100 % des konfigurierten Werts.
Das Bode-Diagramm zeigt:
- Verstärkungsbandbreite — die Frequenz, bei der die Amplitude auf −3 dB (70,7 %) abfällt
- Phasenrand — Stabilitätsreserve; Zielwert 30–60°
- Mechanische Resonanzen — Spitzen im Amplitudengang, die durch elastische Elemente im Antriebsstrang verursacht werden
- Trägheitsmoment und Reibung — aus der niederfrequenten Antwort extrahiert
Phase 2 — Gain-Berechnung:
Mit dem identifizierten Systemmodell berechnet der Algorithmus die Regler-Gains, die ein gewünschtes Verhalten erreichen: Zielbandbreite, Dämpfungsgrad und Einschwingzeit. Zwei Konfigurationen stehen zur Verfügung:
- PI-P (Standard) — Integrator im Positionsregler, Proportionalanteil im Geschwindigkeitsregler. Fokus: präzises Bahnfolgen, schnelle Reaktion, null stationäre Abweichung bei Rampen
- P-PI — Proportionalanteil im Positionsregler, Integrator im Geschwindigkeitsregler. Fokus: weiche, überschwingungsfreie Sprungantwort
Wichtig: Nur ein Integrator gleichzeitig (entweder Position ODER Geschwindigkeit), niemals beide — sonst droht Instabilität.
Wie setzt SOMANET das um?
OBLAC Drives bietet Auto-Tuning für alle drei Kaskadenstufen:
Geschwindigkeits-Auto-Tuning (ab OBLAC Drives 19.0): Berechnet PI-Gains für den Geschwindigkeitsregler. Einstellbare Parameter: Dämpfungsgrad (< 1 = schneller mit Überschwingen, > 1 = langsamer ohne Überschwingen) und Bandbreite (max. 100 Hz, begrenzt durch EtherCAT-Zykluszeit).
Positions-Auto-Tuning: Berechnet die Gains der kaskadierten Positionsregelung (PI-P oder P-PI). Einstellbare Parameter: Einschwingzeit (ms, 2 %-Kriterium) und Dämpfungsgrad. Vier Testsignale (Rechteck, Rampe, bidirektionale Rampe, Sinus) stehen zur Validierung bereit.
Die Systemidentifikation ist auf 100 Hz Bandbreite limitiert (1 kHz EtherCAT-Kommunikationsrate). Für präzise Ergebnisse werden hochauflösende Encoder empfohlen — Hall-Sensoren allein sind unzureichend.
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