Geschwindigkeitsvorsteuerung für schnellere Reaktion
Was ist Geschwindigkeitsvorsteuerung?
Geschwindigkeitsvorsteuerung (Velocity Feedforward) ist eine Ergänzung zur kaskadierten Positionsregelung, die den Schleppfehler während dynamischer Bewegungen drastisch reduziert. Statt den gesamten Geschwindigkeitsbefehl aus dem Positionsfehler abzuleiten, wird ein vorausberechnetes Geschwindigkeitssignal direkt in den Geschwindigkeitsregelkreis eingespeist.
Warum ist das wichtig?
In einer reinen Feedback-Positionsregelung muss ein Positionsfehler bestehen, damit der Regler eine Geschwindigkeit kommandiert. Während einer Verfahrbewegung entsteht so ein systematischer Schleppfehler — die Achse läuft der Sollbahn stets hinterher. Je dynamischer die Bewegung, desto größer der Fehler.
Feedforward-Steuerung löst dieses Problem grundlegend:
- Reduziert den Schleppfehler auf nahezu null bei konstanter Geschwindigkeit
- Verbessert die Bahngenauigkeit bei Multi-Achs-Bewegungen
- Entlastet den Feedback-Regler — dieser muss nur noch Störungen kompensieren, nicht den gesamten Geschwindigkeitsbefehl erzeugen
- Ermöglicht höhere Dynamik ohne Stabilitätsverlust
Wie funktioniert es?
SOMANET Antriebe bieten zwei Feedforward-Mechanismen:
1. Antriebsseitige Geschwindigkeitsvorsteuerung (0x2015): Der Antrieb differenziert das Positionssollsignal und addiert die berechnete Geschwindigkeit direkt zum Ausgang des Positionsreglers. Ein konfigurierbarer Tiefpassfilter (Grenzfrequenz, Standard: 20 Hz) unterdrückt Rauschen, das durch die Differenzierung verstärkt wird.
- Gain — in Promille; 1000 = Verstärkung 1.0 (empfohlener Startwert); Standard: 0 (deaktiviert)
- Grenzfrequenz — Kompromiss zwischen Genauigkeit (hoher Wert) und Rauschunterdrückung (niedriger Wert)
Voraussetzung: Encoder-Auflösung > 14 bit pro Umdrehung empfohlen.
2. Master-seitige Geschwindigkeitsvorsteuerung (0x60B1 — Velocity Offset): Der EtherCAT-Master berechnet die Sollgeschwindigkeit extern (z. B. aus dem Trajektorienplaner) und sendet sie als zyklisches PDO an den Antrieb. Dies umgeht die antriebsseitige Differenzierung und vermeidet Quantisierungseffekte.
3. Drehmomentvorsteuerung (0x60B2 — Torque Offset): Für Beschleunigungsvorsteuerung kann der Master ein vorberechnetes Drehmoment injizieren — etwa aus einem inversen Dynamikmodell des Roboters (Trägheitskompensation, Gravitationskompensation). Die Aktualisierung erfolgt mit voller EtherCAT-Zyklusrate (typisch 4 kHz).
Wie setzt SOMANET das um?
Die antriebsseitige Geschwindigkeitsvorsteuerung wird über das Object Dictionary (0x2015) aktiviert und ist sowohl in Cyclic Synchronous Position (CSP) als auch in Profile Position Mode verfügbar. Im Profile Position Mode generiert der Antrieb die Sollbahn intern mit 4 kHz — Interpolation und Distributed Clocks sind nicht erforderlich.
Im CSP-Modus mit langsamerer EtherCAT-Zykluszeit muss Command Smoothing konfiguriert sein, da die Differenzierung ansonsten Stufenartefakte erzeugt.
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