Kaskadierte Positionsregelung: So funktioniert sie
Was ist kaskadierte Positionsregelung?
Kaskadierte Positionsregelung ist die Standard-Reglerarchitektur für Servoantriebe mit Positionsregelung. Anstatt den Positionsfehler direkt in einen Drehmomentbefehl umzuwandeln, werden mehrere ineinander verschachtelte Regelkreise verwendet — ein äußerer Positionsregelkreis, ein mittlerer Geschwindigkeitsregelkreis und ein innerer Strom-/Drehmomentregelkreis.
Warum ist das wichtig?
Ein einzelner PID-Regler, der den Positionsfehler direkt in einen Drehmomentbefehl umwandelt (sogenannter „einfacher PID“), ist mathematisch einfach, hat aber in der Praxis erhebliche Einschränkungen. Die kaskadierte Architektur bietet entscheidende Vorteile:
- Höhere Regelgüte — jeder Regelkreis kann unabhängig optimiert werden
- Bessere Stabilität — der schnelle innere Regelkreis stabilisiert das System, bevor der langsamere äußere Regelkreis eingreift
- Natürliche Begrenzung — Geschwindigkeits- und Stromlimits können direkt zwischen den Kaskadenstufen eingefügt werden
- Einfacheres Tuning — die Abstimmung erfolgt von innen nach außen, wobei jede Stufe als stabil vorausgesetzt werden kann
Wie funktioniert es?
Die drei Regelkreise arbeiten mit unterschiedlichen Frequenzen — der innere Regelkreis ist der schnellste:
1. Äußerer Regelkreis — Positionsregler (4 kHz): Vergleicht die Sollposition mit der Istposition und berechnet über einen PID-Regler eine Sollgeschwindigkeit. Im Normalbetrieb wird die PI-P-Konfiguration verwendet: Proportional- und Integralanteil im Positionsregler, nur Proportionalanteil im Geschwindigkeitsregler.
2. Mittlerer Regelkreis — Geschwindigkeitsregler (4 kHz): Vergleicht die Sollgeschwindigkeit mit der Istgeschwindigkeit und berechnet einen Solldrehmomentbefehl. Anti-Windup-Begrenzung schützt den Integrator vor Überlauf.
3. Innerer Regelkreis — Strom-/Drehmomentregler (16 kHz): Setzt den Drehmomentbefehl über feldorientierte Regelung (FOC) in PWM-Signale für die Motorphasen um. Auf SOMANET-Antrieben arbeitet dieser Regelkreis mit Model Predictive Deadbeat Control.
Tuning-Strategie: Die Abstimmung erfolgt immer von innen nach außen — zuerst den Geschwindigkeitsregler (Kp erhöhen bis zur Stabilitätsgrenze, dann auf 90 % reduzieren), dann den Positionsregler. Integralanteile werden zuletzt und behutsam hinzugefügt.
Die Parameter sind im Position Controller Object (0x2012) abgelegt: Subindizes 1–4 für den Positionsregler (Kp, Ki, Kd, Integralbegrenzung), Subindizes 5–8 für den Geschwindigkeitsregler.
Wie setzt SOMANET das um?
Auf SOMANET Antrieben ist die kaskadierte Positionsregelung der Standard-Regelmodus. OBLAC Drives bietet Auto-Tuning, das die Systemidentifikation durchführt und automatisch optimierte Gains für beide Kaskadenstufen berechnet. Die Gains können anschließend manuell feinjustiert werden.
Neben dem kaskadierten Modus steht ein „einfacher PID“-Modus zur Verfügung, der den Positionsfehler direkt in einen Drehmomentbefehl umwandelt. Synapticon empfiehlt jedoch den kaskadierten Modus für Produktionsanwendungen.
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