Gain Scheduling für die Servoantrieb-Optimierung
Was ist Gain Scheduling?
Gain Scheduling ist eine Regelungstechnik, bei der die PID-Reglerparameter dynamisch an die aktuelle Betriebssituation angepasst werden — typischerweise abhängig von der Motordrehzahl. Statt eines einzelnen festen Parametersatzes wechselt der Regler zwischen verschiedenen Gain-Sets, je nachdem ob sich die Achse langsam oder schnell bewegt.
Warum ist das wichtig?
Reale mechanische Systeme sind nichtlinear. Ein Robotergelenk verhält sich bei niedriger Drehzahl (wo Haftreibung dominiert) anders als bei hoher Drehzahl (wo Trägheit und viskose Reibung dominieren). Ein einzelner PID-Parametersatz, der für einen Drehzahlbereich optimiert ist, wird im anderen oft schlecht funktionieren:
- Für hohe Drehzahlen optimierte Gains können bei niedriger Drehzahl zu träge sein und schlechtes Folgeverhalten verursachen
- Für niedrige Drehzahlen optimierte Gains können bei hoher Drehzahl zu aggressiv sein und Oszillation oder Instabilität auslösen
Gain Scheduling löst dieses Problem, indem der Regler in jedem Betriebsbereich die passenden Parameter erhält.
Wie funktioniert es?
Die SOMANET-Implementierung verwendet zwei Sätze von Reglerparametern:
- Low-Velocity Gains — optimiert für das Verhalten nahe dem Stillstand (Haftreibung, Reibungseffekte). Typischerweise höhere Gains für schnellere Reaktion.
- High-Velocity Gains — optimiert für dynamische Bewegung. Typischerweise niedrigere Gains für Systemstabilität.
Zwei Drehzahlschwellen definieren den Übergang:
- Unter dem Low-Velocity-Limit: Low-Velocity Gains aktiv
- Über dem High-Velocity-Limit: High-Velocity Gains aktiv
- Zwischen den Limits: lineare Interpolation zwischen beiden Parametersätzen
Dies gewährleistet einen glatten Übergang ohne Sprünge im Regelverhalten.
Tuning-Reihenfolge:
- Zuerst die High-Velocity Gains abstimmen (Standard-Auto-Tuning oder manuell)
- Dann die Low-Velocity Gains separat abstimmen
- Drehzahlschwellen festlegen, um den Übergangsbereich zu definieren
Die Parameter sind im Object Dictionary unter 0x2013 mit 18 Subindizes hinterlegt.
Wie setzt SOMANET das um?
Gain Scheduling ist auf allen SOMANET Antrieben innerhalb des kaskadierten Positionsreglers verfügbar. Die Funktion ist derzeit als experimentelles Feature über direkten EtherCAT-Parameterzugriff konfigurierbar. Der Positionsregler muss auf Cascaded PID Mode (0x2002) eingestellt sein.
Besonders wertvoll ist die Funktion für:
- Robotergelenke mit hohen Übersetzungsverhältnissen (starke Reibungsvariation über die Drehzahl)
- Linearachsen mit wechselnden Lastbedingungen
- Anwendungen, die sowohl präzise Low-Speed-Positionierung als auch schnelle Verfahrbewegungen erfordern
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