DC Motor Positionsregelung

Nesbit B. schrieb:
> Hello allerseits
>

>
> Nun will ich aber eine Positionsregelung machen. Also Servoantrieb wenn
> man so will. Ich habe gelesen, dass man da einen Stromregler bauen soll,
> um das Moment zu Regeln. Der Stromregler kriegt seinen Sollwert von
> einem Drehzahlregler, und dieser bekommt seinen Sollwert von einem
> Positionsregler. Das leuchtet mir ein. Mir ist allerdings noch grade
> nicht klar, wo in meiner Schaltung ich den Strom im Motor messen soll.
>
> a) genügt eine einfache Strommessung mit Shunt im Lowside-Pfad der
> H-Brücke, sodass der Strom immer positiv ist, oder
> b) brauche ich tatsächlich eine "schwimmende" Strommessung in den
> Leitungen zum Motor?

Du steuerst doch deinen Motor mittels der H-Brücke.
Auf der Low Seite kannst du einen Shutwiderstand hinzufügen und den 
Strom so in deiner Steuerschaltung direkt messen.

>>Drehgener mit 512 Impulsen pro Umdrehung

dann fehlt noch eine Richtungsinformation.
Ohne dem keine Positionsreglung möglich.

Pieter schrieb:
> dann fehlt noch eine Richtungsinformation.
> Ohne dem keine Positionsreglung möglich.

Ich tue mich schwerer einen Drehgeber zu finden der das nicht kann als 
einen der es kann.

O.K. ich dachte mir schon, dass man das mit dem Shunt im Lowside-Pfad 
machen kann.

Allerdings frage ich mich noch eines: wenn der Motor die Drehrichtung 
wechselt, dann müsste ja auch theoretisch der Strom die Richtung 
wechseln, damit der Regler "zufrieden" ist. Denn im einen Fall habe ich 
ja einen negativen Strom. Oder?

Nesbit B. schrieb:
> O.K. ich dachte mir schon, dass man das mit dem Shunt im
> Lowside-Pfad
> machen kann.
>
> Allerdings frage ich mich noch eines: wenn der Motor die Drehrichtung
> wechselt, dann müsste ja auch theoretisch der Strom die Richtung
> wechseln, damit der Regler "zufrieden" ist. Denn im einen Fall habe ich
> ja einen negativen Strom. Oder?

Ich denke, du mußt die Position anhand des Inkrementalgebers 
berücksichtigen und auswerten, in welche Richtung er von der 
Sollposition abweicht. Die Stromrichtung ist in beiden Drehrichtungen 
gleich, zeigt also nur den Betrag.

Langsam.
Der Strom durch den Motor dreht sich natürlich um.

Der Strom in den Versorgungsleitungen für die H-Brücke nicht (das wäre 
Generatorbetrieb).

Den Begriff Bremsen musst du in dem Kontext (Elektrische Antriebe) etwas 
vorsichtiger benutzen.

Ich glaube nicht, dass du einen Stromsensor brauchst, außer vielleicht 
zum Schutz gegen mechanische Blockierungen.

Die Rotation kannst du mit einem inkrementalgeber erfassen (Lochscheibe 
und Lichtschranke). Ein PI-Algorithmus scheint mir dazu angemessen.

Ich habe diesen PI Regler damals mit einem Nibobee Roboter erforscht. 
Mein Ziel war damals, den Roboter mit einer bestimmten Geschwindigkeit 
zu einem Ziel zu fahren und dort punktgenau anzuhalten. 
http://stefanfrings.de/nibobee/index.html

Da sind genau die gleichen Aspekte drin, die zu auch beachten musst: 
Beschleunigung, Bremsen, Drehzahl, Punktgenaues Halten trotz äußerer 
Kräfte.

Falk B. schrieb:
> Schon wieder falsch!

Ja, freu dich!

> Für einen schnellen Stromregler für einen Servo
> braucht an die schnelle Strommessung sehr wohl!

Er will aber letztendlich nicht den Strom regeln, sondern die Position. 
Meiner Meinung nach genügt es dazu, die Soll-Position mit der 
Ist-Position zu vergleichen und mit einem PI-Regler (eventuell auch PID) 
zu regeln.

Wouin liegt der Sinn, zwei Regler zu verketten (mit dem Zwischenschritt 
der Strom-Regelung)?

Stefanus F. schrieb:
> Wouin liegt der Sinn, zwei Regler zu verketten (mit dem Zwischenschritt
> der Strom-Regelung)?

Klassischerweise hat man einen schnellen Stromregler (Schutz vor 
Überlast und bei Betrieb mit vorgegebenem Drehmoment)

Drumherum einen langsameren Geschwindigkeitsregler (bei Betrieb mit 
vorgegebener Drehzahl)

Dann wiederum außenrum den noch langsameren Positionsregler (bei Betrieb 
mit vorgegebener Position).

Geschwindigkeitsregler kann man in dem Fall wohl komplett weglassen, 
Stromregler braucht man, wie Stefanus F. richtig gesagt hat, nur evtl. 
zu Schutzzwecken, es bleibt der reine Positionsregler.

Der Positionsregler ist in den meisten Fällen nur ein P-Regler mit sehr 
hoher Verstärkung, meistens reicht das.

Wenn nicht, kann man natürlich trotzdem vorsichtig einen I-Anteil 
dazuspendieren.

Nesbit B. schrieb:
> Denn im einen Fall habe ich
> ja einen negativen Strom. Oder?

Die Logik geht in die andere Richtung: aus der Positionserfassung ergibt 
sich, in welche Richtung sich der Motor bewegen muss, und daraus die 
Ansteuerung der H-Brücke. Der PID-Algorithmus der Lageregelung bestimmt 
ausser dieser Richtung auch die Geschwindigkeit, so erhält die 
Drehzahlregelung ihren Sollwert. Und die gewünschte Drehzahl wird durch 
die Stromregelung umgesetzt. Deren Sollwert kann der absolute Stromwert 
sein, die Richtung steht ja fest.

Stefanus F. schrieb:
> Wouin liegt der Sinn, zwei Regler zu verketten (mit dem Zwischenschritt
> der Strom-Regelung)?

Der Sinn liegt darin, dass es alle so machen die etwas davon verstehen, 
aber das ist heute natürlich kein Argument mehr. Man kann die 3 
Algorithmen in einen einzigen zusammenfassen, wenn man mit doppelter 
Integration arbeitet.

Georg

> a) genügt eine einfache Strommessung mit Shunt im Lowside-Pfad der
> H-Brücke, sodass der Strom immer positiv ist, oder
Miss den Strom in beiden Halbbrücken. Einer von beiden liefert dir dann 
immer genau den Motorstrom.

Wenn Du den Strom nur mit einem Shunt nach der Zusammenführung misst, 
dann ist es genau genommen der Zuleitungsstrom und nicht der Motorstrom 
und du musst vom einen in den anderen über die PWM umrechnen.

Ohne den inneren Stromregler hats du durch die Induktivität des Motors 
eine zusätzliche Polstelle. Also ein Verzögerung. Dann musst Du den 
Drehzahlregler und Lageregler langsamer machen.

Geht aber auch. Modellbauservos machen es auch ohne Stromregler.

Falk B. schrieb:
> Stefanus F. schrieb:
>> Wouin liegt der Sinn, zwei Regler zu verketten (mit dem Zwischenschritt
>> der Strom-Regelung)?
>
> Ein Kaskadenregler hat deutliche Vorteile, denn er kann die
> unterlagerten, schnellen Stellgrößen deutlich schneller und damit besser
> regeln als ein einstufiger Regler. Damit wird die Gesamtreglung deutlich
> agiler und genauer.
>
> https://de.wikipedia.org/wiki/Kaskadenregelung

Wobei die Frage ist, ob das für den Anwendungsfall des TO nötig ist. Wie 
dynamisch soll der Motor sein, wie stark ändert sich das System (bleibt 
immer dieselbe "Unwucht" auf der Welle, ändert sich die Trägheit um 10% 
oder um 200%, wie groß darf die Regelabweichung sein, sind Überschwinger 
zulässig...
Rein praktisch: Willst du einen Seecontainer pro Minute mit einem 
automatisierten Kran zentimetergenau aufstapeln oder alle zwei Stunden 
ein Heizungsventil ein paar Millimeter bewegen, um die Raumtemperatur 
auf 5K genau einzuhalten?

Eine Nebenanmerkung noch: Mit Kaskadenreglern kann man auch sehr einfach 
Mehr-Motor-Lösungen aufbauen, z.B. Gantry-Antriebe in Fräsmaschinen. 
Eine reine Positions-Sollwert-Kopplung kann zu Verspannungen und Klemmen 
führen, manchmal will man auch nicht den gleichen Sollwert anfahren, 
sondern z.B. mit einer zweiten Achse immer im gleichen Abstand zur 
ersten bleiben - dann bieten sich Geschwindigkeits-Sollwert-Kopplung 
oder Momenten-Sollwert-Kopplung an.

MfG, Arno

Danke für eure Erklärungen zu Kaskadenreglern. Habe ich bisher in dieser 
Komplexität noch nicht gebraucht, aber nun habe ich eine grobe 
Vorstellung waozu sie gut sind.

Kolja schrieb:
> Die Stromrichtung ist in beiden Drehrichtungen
> gleich, zeigt also nur den Betrag.

genau! deshalb fragte ich danach. Je nach Drehrichtung soll doch der 
Motorstrom auch negativ werden. Somit hätte ich ein Problem, da ich nur 
den Betrag messen kann.

Falk B. schrieb:
> Wenn du eine H-Brücke hast und die Ansteuerung nicht versaust, passiert
> das automatisch.

wie das?

miau schrieb:
> Klassischerweise hat man einen schnellen Stromregler (Schutz vor
> Überlast und bei Betrieb mit vorgegebenem Drehmoment)
>
> Drumherum einen langsameren Geschwindigkeitsregler (bei Betrieb mit
> vorgegebener Drehzahl)
>
> Dann wiederum außenrum den noch langsameren Positionsregler (bei Betrieb
> mit vorgegebener Position).

genau so wollte ich das auch machen, da ich gelesen habe, dass in 
professionellen Antrieben das auch so implementiert wird. Das wird schon 
seine Gründe haben, denke ich ;-) meine erste Idee war aber auch genau 
diese:

miau schrieb:
> Der Positionsregler ist in den meisten Fällen nur ein P-Regler mit sehr
> hoher Verstärkung, meistens reicht das.
>
> Wenn nicht, kann man natürlich trotzdem vorsichtig einen I-Anteil
> dazuspendieren.

Da der P-Regler aber eine stationäre Regelabweichung haben kann (und 
vermutlich haben wird), die ich nicht will, muss ich wohl noch einen 
kleinen I-Anteil hinzufpgen. Und hier kommt genau das Problem, weshalb 
ich ursprünglich diesen Thread zur Positionsregelung erstellt habe: die 
Motorposition ist doch das Integral von der Drehzahl, und diese ist 
circa proportional zur Spannung. Wenn ich also über die H-Brücke die 
Spannung am Motor verändern kann, dann ist meine Regelstrecke doch im 
Prinzip ein reines I-Glied. Und, soweit ich mich erinnern kann, ist es 
keine gute Idee, zwei I-Glieder in einem Regelkreis zu haben, die 
I-Strecke ist also nur mit einem P-Regler in den Griff zu bekommen, 
alles andere würde schwingen - oder?

elki schrieb:
> Wenn Du den Strom nur mit einem Shunt nach der Zusammenführung misst,
> dann ist es genau genommen der Zuleitungsstrom und nicht der Motorstrom
> und du musst vom einen in den anderen über die PWM umrechnen.

genau, ein weiterer Grund, weshalb ich diesen Thread erstellte. Ich kann 
nur den Zuleitungsstrom bequem messen. Andererseits denke ich, dass in 
meinem Fall auch bei Drehzahl 0 ein 50/50 Rechteck am Motor anliegen 
wird, und ich glaube kaum, dass dann mein Motorstrom genau 0 sein wird! 
somit wäre es nicht möglich, mit dieser Konfiguration auf 0 Strom zu 
regeln. Oder?

Arno schrieb:
> Wobei die Frage ist, ob das für den Anwendungsfall des TO nötig ist. Wie
> dynamisch soll der Motor sein, wie stark ändert sich das System (bleibt
> immer dieselbe "Unwucht" auf der Welle, ändert sich die Trägheit um 10%
> oder um 200%, wie groß darf die Regelabweichung sein, sind Überschwinger
> zulässig...
> Rein praktisch: Willst du einen Seecontainer pro Minute mit einem
> automatisierten Kran zentimetergenau aufstapeln oder alle zwei Stunden
> ein Heizungsventil ein paar Millimeter bewegen, um die Raumtemperatur
> auf 5K genau einzuhalten?

Naja, meine Applikation ist nicht so rocket science. Muss auch nicht 
hochdynamisch sein. Gleichwohl will ich schauen, was machbar ist als 
Bastler.

Übrigens fällt mir da was ein: vor Jahren im Studium hatten wir sowas 
wie Zustandsregler angeschaut. Dort wurden auch solche Positionierregler 
besprochen. Als Zustandsgrösse hatte man nebst der Position in der Tat 
auch den Motorstrom. Habe gestern grade die Unterlagen wieder hervor 
gesucht. Ob das mit einem Zustandsregler wohl auch gehen würde?
Alleine anhand der Studiumsunterlagen ist es allerdings weder auf die 
eine noch auf die andere Weise (weder als Zustands- noch als PID-Regler) 
machbar. Die Unterlagen sind reine Theorie. Und real aufgebaut habe ich 
solch einen Regelkreis noch nie :-(

Nesbit B. schrieb:
> dann soll er diese halten, auch wenn eine externe Last in wegzudrehen
> versucht.

Kann  jeder Modellbauservo.

Man bestimmt den Motorstrom durch die Lageabweichung, d.h. stimmt die 
Position, bekommt der Motor 0 (Spannung oder Strom, egal), hat man eine 
Abweichung von 1 (zuviel oder zuwenig) bekommt der Motor x mA bzw. mV 
(vorwärts bzw. rückwärts), bei Abweichung 2 halt 2x, bei 5 5x und 
irgendwannn vollen (Strom bzw. Spannung).

So positioniert ein Motor, der 2x (Strom oder Spannung) zum Gegenhalten 
braucht, um 2 daneben. Aber das ist nötig, damit man die Belastung 
überhaupt erkennt.

Mag sein, dass Dein Beitrag freundlicher ist als der eines 
Orginal-MaWins.
Aber fachlich wünsch ich mir jetzt doch das Orginal zurück.

Falk B. schrieb:
> So macht man das auch.
>
> http://elm-chan.org/works/smc/report_e.html

Eine unbedarfte Frage zur Positionsregelung:

Wenn ich z.B. Änderungen am Inkrementalgeber  im Bereich 5..30ms habe 
(Getriebemotor, langsamer dreht er nicht an, schneller wird er nicht). 
In welchen Zyklen setze ich die drei Regelschleifen an?

Framulestigo schrieb:
> (Getriebemotor, langsamer dreht er nicht an, schneller wird er nicht)

Ein Inkrementalgeber gehört natürlich an die Motorachse, nicht an den 
Getriebe-Ausgang.

Georg

Falk B. schrieb:
> Naja, wenn wir mal von 5ms für einen Codeschritt des Incrementalgebers
> ausgehen, würde ich die Abtastung dessen mit 1kHz machen.

Ich muss zugeben, ich habe da ein wenig Verständnisschwierigkeiten mit 
der Kaskadenregelung, insbesondere mit der Geschwindigkeitsmessung. Mir 
geht partout nicht in den Kopf, wie die Geschwindigkeit über den 
Inkrementalgeber zu messen ist und die Kaskade dann noch schnell genug 
reagiert, um per Positionsregelung auf dem Punkt zu landen?

Um mal beim Bespiel zu bleiben:
Bei Deinem Vorschlag (1kHz-Taktung) würde ich am Inkrementalgeber als 
Abtastzyklenanzahl Werte zwischen 5 und 30 für einen Schritt, bei 
Stillstand gar nix messen. Um die Geschwindigkeitsregelung darauf 
ansetzen zu können, muss deren Zyklus dann ja eigentlich mindestens 30ms 
sein? Es macht ja keinen Sinn, erneut zu regeln, bevor ein neuer 
Geschwindigkeitswert überhaupt eingehen kann. Sehe ich das richtig oder 
falsch?

Framulestigo schrieb:
> Es macht ja keinen Sinn, erneut zu regeln, bevor ein neuer
> Geschwindigkeitswert überhaupt eingehen kann.

Richtig, schadet aber auch nicht.

Wichtig ist allerdings, dass die Regler "nach außen" langsamer werden.
Also im Beispiel könnte der Strom/Drehmomentregler mit 1kHz, der 
Geschwindigkeitsregler mit 100Hz und der Positionsregler mit 10Hz 
laufen.

Die Strommessung erfolgt dann auch mit 1kHz (quasi ad hoc), 
Geschwindigkeit bzw. Position sollten natürlich unabhängig vom Regler 
selbst Interruptgesteuert aufgenommen und dem Regler zur Verfügung 
gestellt werden.

miau schrieb:
> Richtig, schadet aber auch nicht.

Das frage ich mich nun auch: Der P-Anteil bleibt bei mehrfacher Regelung 
ohne Refresh auf den Geschwindigkeitswert konstant. Der I-Anteil addiert 
sich allerdings auf, also müsste man KI entsprechend kleiner wählen?

miau schrieb:
> ...und der Positionsregler mit 10Hz
> laufen.
Da habe ich das nächste Verständnisproblem: Wenn über die 
Positionsregelung der Sollwert der Geschwindigkeit eingestellt wird, der 
Motor sich aber aufgrund von Getriebereibung bei Geschwindigkeiten 
<30ms/Step festhängt, wie kriegt man dann noch die letzten Schritte im 
100ms-Zyklus sinnig ausgeregelt?

Framulestigo schrieb:
> Geschwindigkeiten <30ms/Step
Sorry, sollte man vielleicht schreiben:
"Geschwindigkeiten < Step/30ms"