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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Lageregelung ?


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Autor: pb1966 (Gast)
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Hallo,

ich habe eine Verständnisfrage. Nehmen wir einen Lageregler der einen DC 
Motor steuert (PWM=Speed) und ein Poti das die Ist Position erfasst. 
Dazu gibt es als Input eine Vorgabe der Solllage. Der Lageregler 
produziert je nach Soll/Ist Abweichung als Ausgangsgröße eine Drehzahl 
für den Motor. Wenn die Abweichung sehr klein ist wird eine kleine 
Drehzahl vorgegeben. Nun wirkt am Motor aber ein Gegendrehmoment, d.h 
der Motor dreht sich nicht mit der kleinen Drehzahlvorgabe (was ja einer 
PWM Spg. am Motor entspricht. ) Damit der Motor in Bewegung kommt und 
das gegenmoment überwinden kann muss die Drehzahlvorgabe = Spg. am Motor 
steigen, das macht der Regler aber nicht selbständig. Was kann man 
Regelungstechnisch tun ?

pb1966

Autor: Martin S. (sirnails)
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In der Praxis wird mit einer Stromüberhöhung gearbeitet, die das 
Losbrechmoment kompensiert. Bei entsprechenden Regelungen ist das ein 
Parameter, der gesetzt werden kann. Ein zweiter Parameter wäre, wie 
lange diese Überhöhung anliegen darf. Üblicherweise nimmt man dort 
einige wenige Sekunden.

Autor: M. K. (sylaina)
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pb1966 schrieb:
> Was kann man
> Regelungstechnisch tun ?

PID-Regler benutzen mit P, I und D-Anteil. Dafür sind die Dinger da. Je 
länger die Regelabweichung vorliegt desto stärker wird der Motor 
angesteuert.

: Bearbeitet durch User
Autor: Ralph B. (rberres)
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2 unabhängige Regelkreise aufbauen. Der innere Regelkreis regelt die 
Drehzahl des Motors nach der Sollvorgabe, welche vom äuseren Regelkreis 
vorgegeben wird.

Der äusere Regelkreis regelt dann die Lage.

Ralph Berres

Autor: pb1966 (Gast)
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Martin S. schrieb:
> In der Praxis wird mit einer Stromüberhöhung gearbeitet, die das
> Losbrechmoment kompensiert. Bei entsprechenden Regelungen ist das ein
> Parameter, der gesetzt werden kann. Ein zweiter Parameter wäre, wie
> lange diese Überhöhung anliegen darf. Üblicherweise nimmt man dort
> einige wenige Sekunden.

Das funktioniert nicht, der Strom stellt sich ein wenn eine Spg. am 
Motor anliegt, ist diese Spg. klein fließt kein höherer Strom aufgrund 
des Innenwiderstands. Nur wenn die Spg. erhöht wird fließt mehr Strom

Autor: Tom (Gast)
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Das nennt sich Kaskadenregleung und ist bei Wikipedia sehr gut erklärt.

Ralph hat es angedeutet, die Regelkreise sich dann aber nicht mehr 
unabhängig.

Autor: Sly_marbo (Gast)
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Einfach kannst du die PWM Spannung statt von 0%-100% immer von 0 -> 
10%-100% laufen lassen (also die ersten 10% überspringen), damit 
kompensierst du den Totbereich in dem der Motor nicht dreht. Die 
Stromüberhöhung wird aber auch über den Stromsollwert gesteuert ist aber 
ein kurzer starker Impuls. Die Länge und Höhe zu bestimmen ist aber 
nbicht ganz ohne außerdem kann der Impuls auch immer nett resonanzen 
anregen.

Das Ganze ist letztenendes ein Haftreibungsproblem. Kann einem die 
schönsten Regelungen versauen.

Autor: Ralph B. (rberres)
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Tom schrieb:
> Ralph hat es angedeutet, die Regelkreise sich dann aber nicht mehr
> unabhängig.

Der innere Regelkreis ( also die Drehzahlregelung ) muss (ohnehin ) 
wesentlich schneller sein als die Lageregelung, sonst funktioniert das 
nicht.

Natürlich führt die Drehzahlregelung nur das aus, was er von der 
Lageregelung als Sollwert vorgegeben bekommt.

Ralph Berres

Autor: Oszillator (Gast)
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Ralph B. schrieb:
> 2 unabhängige Regelkreise aufbauen. Der innere Regelkreis regelt die
> Drehzahl des Motors nach der Sollvorgabe, welche vom äuseren Regelkreis
> vorgegeben wird.

Das ganze nennt sich dann nicht mehr Regelkreis, sondern Schwingkreis.
Solange du dran glaubst, dass dieser Schwingkreis deine Aufgabe regelt, 
KANN es funktionieren, muss aber nicht. Und sowie dir leiseste Zweifel 
kommen, ob zwei gekoppelte Differentialgleichungen erster Ordnung nicht 
eigentlich einen harmonischen Oszillator charakterisieren statt eine 
Fixpunktlösung zu halten, wird dir der Arbeitspunkt wegrutschen, und 
dein Motor schüttelt alles kräftig durch. Viel Spaß dabei.

Autor: Sly_marbo (Gast)
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Oszillator schrieb:
> Das ganze nennt sich dann nicht mehr Regelkreis, sondern Schwingkreis.
> Solange du dran glaubst, dass dieser Schwingkreis deine Aufgabe regelt,
> KANN es funktionieren, muss aber nicht. Und sowie dir leiseste Zweifel
> kommen, ob zwei gekoppelte Differentialgleichungen erster Ordnung nicht
> eigentlich einen harmonischen Oszillator charakterisieren statt eine
> Fixpunktlösung zu halten, wird dir der Arbeitspunkt wegrutschen, und
> dein Motor schüttelt alles kräftig durch. Viel Spaß dabei.

99% aller Vorschubachsen an Werkzeugmaschinen beweisen wie unglaublich 
unrecht du damit hast. Die sind alle als Kaskadenregelungen aufgebaut, 
und dabei von sogar 3 Regelkreisen: Strom-> Drehzahl -> Position. 
Sollche systeme die aus mehreren Differentialgleichungen bestehen können 
übrigens auch sehr gut gedämpft sein.

Darum geht es hier aber garnicht. Es geht darum das der Motor nicht auf 
kleine Erregerspannungen reagiert. Und das löst man am besten indem man 
den Strom etwas mehr anschubst bis der Motor dreht.

Autor: Oszillator (Gast)
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Sly_marbo schrieb:
> 99% aller Vorschubachsen an Werkzeugmaschinen beweisen wie unglaublich
> unrecht du damit hast. Die sind alle als Kaskadenregelungen aufgebaut

Kaskadenregelungen, die nachweislich NICHT zum Schwingen tendieren, 
haben aber weitere Stabilisierungselemente integriert, die für alle 
erwarteten Lastfälle ausgelegt sein müssen.
Bei der Auslegung hast du die Wahl. Du beschränkst dich auf harmlose 
Lasten, und die Kaskadenregelung arbeitet im Normalfall so, wie du es 
dir wünschst. Wenn aber im falschen Moment jemand hustet, springst du in 
den singulären Zustand, und dein System zerlegt sich.
Oder du stabilisierst für den worst case, und die Zeitkonstante der 
Regelung geht gegen unendlich, so dass die Kaskadenregelung um so 
unbrauchbarer wird, je mehr Stabilität gefordert ist.
Wie du es drehst und wendest, einen stabile und brauchbare 
Kaskadenregelung schließt sich gegenseitig aus. Einzig der Glaube hilft, 
wie du schon sagst, "es hätt noch immer jot jejange", und in der Praxis 
werden häufig System betrieben, deren Stabilitätsgrenzen mathematisch 
berechenbar wären. Werden diese Grenzen zufällig nach ein paar Tagen 
oder Jahren überschritten, springt die Versicherung ein. Mit 
Ingenieurswesen hat solche Arbeitsweise nichts gemein, sondern es 
braucht intelligentere Mechanismen als eine Kaskadenregelung.

Autor: Martin S. (sirnails)
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Mit
> Ingenieurswesen hat solche Arbeitsweise nichts gemein, sondern es
> braucht intelligentere Mechanismen als eine Kaskadenregelung.

Und welche sind das?

Autor: Oszillator (Gast)
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Martin S. schrieb:
> Und welche sind das?

Ich werde dir wohl nicht verständlich machen können, dass beliebig große 
Systeme aus P,I- und D-Reglern mit mindestens 2 D-Elementen nicht linear 
stabilisiert werden können. Dafür fehlen dir 2-3 Jahre Mathestudium.

Allgemeine Verfahren gibt es nicht. Für kritische Anwendungen behilft 
man sich mit adaptiven, nichtlinearen Regelstabilisatoren mit 
likelyhood-Charakterisierung, die das System bei charakteristischer 
Instabilität in weniger als einer Resonanzperiode kontrolliert 
herunterfährt.

Autor: Ralph B. (rberres)
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Oszillator schrieb:
> dass beliebig große
> Systeme aus P,I- und D-Reglern mit mindestens 2 D-Elementen nicht linear
> stabilisiert werden können.

Man muss die innere Regelschleife ja nicht zwangsläufig als PID Regler 
ausführen. Das dürfte in diesem Falle , wo es eine Hysterese gibt 
ohnehin nicht zielführend sein. Hier würde ein reiner P-Regler eventuell 
schon helfen.

Ralph Berres

Autor: Oszillator (Gast)
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Ralph B. schrieb:
> Hier würde ein reiner P-Regler eventuell
> schon helfen.

Und da ist es schon wieder, das Wörtchen "eventuell". Ja, wenn du dir 
die Randbedingungen schönredest, keine Störungen, kein Noise, keinen 
Bias, keinen Drift annimmst, kann es eventuell funktionieren. Das ist 
aber nicht die Situation, aus der der OP fragt.
Ohne Angaben über Zeitkonstanten, dominante Störungen im nieder- und 
hochfrequenten Spektrum sowie Gleichanteil kann man seinen Frage mal nun 
so gar nicht beantworten. Es sei denn man will sich lächerlich machen 
und zeigen, dass man nur Lehrbuchinhalte nachplappern kann.

Autor: Martin S. (sirnails)
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Oszillator schrieb:
> Martin S. schrieb:
>> Und welche sind das?
>
> Ich werde dir wohl nicht verständlich machen können, dass beliebig große
> Systeme aus P,I- und D-Reglern mit mindestens 2 D-Elementen nicht linear
> stabilisiert werden können. Dafür fehlen dir 2-3 Jahre Mathestudium.

Glaub mir, mein Mathe reicht zumindest für das Verständnis aus, obgleich 
ich beim Entwurf scheitern würde (7 Jahre nach dem Studium, und nie 
benutzt, ist das halt leider so). Außerdem betrifft das doch eher die 
Systemtheorie, oder?

Abgesehen davon: Wir wissen nichts über seinen Regler und auch nicht, ob 
das Signal durch einen Regelkreis erzeugt wird, oder ob das Ding nur 
stupide nach Poti-Stellung ein Äquivalent ausgibt. Daher auch meine 
obere Aussage (2ter Post).

> Allgemeine Verfahren gibt es nicht.

Das dachte ich mir schon. Aber da auch immer neue Verfahren entwickelt 
werden, hätte es ja durchaus sein können, dass jemand eine bessere Idee 
hatte.

> Für kritische Anwendungen behilft
> man sich mit adaptiven, nichtlinearen Regelstabilisatoren mit
> likelyhood-Charakterisierung, die das System bei charakteristischer
> Instabilität in weniger als einer Resonanzperiode kontrolliert
> herunterfährt.

Was aber voraussetzt, dass diese Störgröße von Anfang an in Betracht 
gezogen wurde. Für alle anderen sieht es dann ziemlich düster aus.

Autor: Mach (Gast)
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Oszillator schrieb:
> Allgemeine Verfahren gibt es nicht. Für kritische Anwendungen behilft
> man sich mit adaptiven, nichtlinearen Regelstabilisatoren mit
> likelyhood-Charakterisierung, die das System bei charakteristischer
> Instabilität in weniger als einer Resonanzperiode kontrolliert
> herunterfährt.
Und du bist natürlich der Einzigste (!) der dieses Gebiet beherrscht ;-)

Natürlich funktionieren Kaskadenregler und die schwingen auch nicht. 
Auch ist das kein Glück, sondern Auslegungssache. Natürlich gibt es 
viele Anwendungen, wo der Kaskadenregler nicht zum Erfolg führt. Das ist 
aber eine Binsenweisheit. Es gibt auch viele Anwendungen wo der 
Akkuschrauber nicht zum Erfolg führt.
Übrigens kann ein Zustandsregler in Kaskadenform überführt werden.

Autor: DC (Gast)
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pb1966 schrieb:
> Hallo,
>
> ich habe eine Verständnisfrage. Nehmen wir einen Lageregler der einen DC
> Motor steuert (PWM=Speed) und ein Poti das die Ist Position erfasst.
> Dazu gibt es als Input eine Vorgabe der Solllage. Der Lageregler
> produziert je nach Soll/Ist Abweichung als Ausgangsgröße eine Drehzahl
> für den Motor. Wenn die Abweichung sehr klein ist wird eine kleine
> Drehzahl vorgegeben. Nun wirkt am Motor aber ein Gegendrehmoment, d.h
> der Motor dreht sich nicht mit der kleinen Drehzahlvorgabe (was ja einer
> PWM Spg. am Motor entspricht. ) Damit der Motor in Bewegung kommt und
> das gegenmoment überwinden kann muss die Drehzahlvorgabe = Spg. am Motor
> steigen, das macht der Regler aber nicht selbständig. Was kann man
> Regelungstechnisch tun ?
>
> pb1966

dazu braucht es mindestens einen integralen Anteil in der 
Reglerstruktur. In "einfachen" Kaskadenreglern erledigt meist der dem 
Lageregler unterlagerte Drehzahlregler diese Aufgabe und um den Motor 
performanter und überlastfrei zu regeln, bedient man sich meist noch 
eines Stromreglers als unterste Schicht. Diese Struktur ist weit 
verbreitet, wirft aber Stabilitäts- und Abgleichsprobleme auf wie schon 
erwähnt. Eleganter ist das mit einem Beobachter für Last/Reibung in 
Verbindung mit einer Motor-/Lastmodellierung lösbar. PWM stellt übrigens 
keine Drehzahl, sondern über Motorkonstante 1 und Strom ein Moment. Die 
wirksame Spannung wird über Motorkonstsnte 2 und Drehzahl dann wieder 
reduziert, wobei sich ein Gleichgewicht bei einer gewissen Drehzahl 
einstellt. Beobachtet man jetzt z.B. das Losbrechmoment im Betrieb kann 
man das entsprechend vorhalten und somit die Nichtlinearität der Strecke 
entfernen. Genauso verhält es sich mit Antriebshysteresen etc. Es lassen 
sich dafür bestens MPC-Regelerstrukturen verwenden, da sich 
Antriebssysteme durchaus sehr gut modellieren lassen und die 
Motormomente zusätzlich meist deutlich über den zu erwartenden 
Lastmomenten liegt, was die Sache zusätzlich veteinfacht.

Grüsse

Autor: Thorsten O. (Firma: mechapro GmbH) (ostermann) Benutzerseite
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Kaskadenregelungen sind bei Servoantrieben seit Jahrzehnten bewährte 
Technik.  Die Regler müssen dabei von außen nach innen schneller werden. 
Der Lageregler ist üblicherweise ein reiner P-Regler, Drehzahl- und 
Stromregler sind PI- oder PID.

Schwingen tut da nichts, so lange man es mit den Reglereinstellungen 
nicht übertreibt. Dann wird das System instabil, das ist logisch und 
kann auch mit den bewährten systemtheoretischen Methoden (Bode-Diagramm, 
Pol-Nullstellendarstellung usw.) nachvollzogen werden.

Mit freundlichen Grüßen
Thorsten Ostermann

Autor: Ralph B. (rberres)
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Thorsten O. schrieb:
> Die Regler müssen dabei von außen nach innen schneller werden.

So sehe ich das auch. Der innere Regler muss der schnellste sein.


> Der Lageregler ist üblicherweise ein reiner P-Regler, Drehzahl- und
> Stromregler sind PI- oder PID.

Kannst du mir erklären warum das so ist?

Ich hätte es jetzt umgekehrt vermutet.


Ralph Berres

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Autor: A. Z. (donvido)
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Ralph B. schrieb:
> Kannst du mir erklären warum das so ist?

Da brauch es noch nichtmal viel Systemtheorie für.
Einfaches Beispiel:
Kaskadierter Lageregler mit unterlagertem asymptotisch stabilen 
Drehzahlregler.
Da steckt der geforderte I-Anteil schon in der Strecke.
Eingang = Drehzahl, Ausgang = Winkel
DC schrieb:
> dazu braucht es mindestens einen integralen Anteil in der
> Reglerstruktur.

Wenn der überlagerte Lageregler (P-Regler) nun einen verbleibenden 
Regelfehler hat resultiert das in einer Solldrehzahl, die (dank 
asymptotisch stabilen Regler) auch erreicht wird. Und diese Solldrehzahl 
wird erst zu Null wenn der Regelfehler gleich Null ist.

Autor: Framulestigo (Gast)
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Was gibt denn bei der Kaskadenregelung die Lageregelung (10ms) der 
Geschwindigkeitsregelung (2ms) für eine Geschwindigkeit vor, wenn die 
Abweichung vom Soll ein Inkrement ist?

Autor: Oszillator (Gast)
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Ralph B. schrieb:
> Thorsten O. schrieb:
>> Die Regler müssen dabei von außen nach innen schneller werden.
>
> So sehe ich das auch. Der innere Regler muss der schnellste sein.

Das gibt zumindest die sauberste Oszillation, ja.

Autor: Zitronen F. (jetztnicht)
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Allenfalls sollte man sich auch von DC Motoren loesen ... Und einen 
Schrittmotor oder einen BLDC einsetzen.

Autor: Test (Gast)
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Zitronen F. schrieb:
> Allenfalls sollte man sich auch von DC Motoren loesen ... Und einen
> Schrittmotor oder einen BLDC einsetzen.

Das sind natürlich genauso kaskadierte Regler. In der innen 
Regelschleife wird der Strom für jeden Strang individuell geregelt, in 
der äußeren die Drehzahl bzw. Positionierung.

Autor: Hans (Gast)
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Oszillator schrieb:
> Das gibt zumindest die sauberste Oszillation, ja.

Warum so pauschal?

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Autor: Michael B. (laberkopp)
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pb1966 schrieb:
> Nehmen wir einen Lageregler der einen DC
> Motor steuert (PWM=Speed) und ein Poti das die Ist Position erfasst.

Während hier über Kaskadenregelung philosopiert wird:

> Dazu gibt es als Input eine Vorgabe der Solllage. Der Lageregler
> produziert je nach Soll/Ist Abweichung als Ausgangsgröße eine Drehzahl
> für den Motor. Wenn die Abweichung sehr klein ist wird eine kleine
> Drehzahl vorgegeben.

Das nennt man P-Regelung, effektive PWM Spannung und damit Drehzahl 
proportional zu Lageabweichung.

Der P-Anteil im PID Regler sorgt dafür, daß man nicht über's Ziel hinaus 
schiesst und drumrum pendelt.

> Nun wirkt am Motor aber ein Gegendrehmoment, d.h
> der Motor dreht sich nicht mit der kleinen Drehzahlvorgabe (was ja einer
> PWM Spg. am Motor entspricht. ) Damit der Motor in Bewegung kommt und
> das gegenmoment überwinden kann muss die Drehzahlvorgabe = Spg. am Motor
> steigen, das macht der Regler aber nicht selbständig. Was kann man
> Regelungstechnisch tun ?

Das macht der I-Anteil eines PID Reglers: Je länger eine Regelabweichung 
besteht, um so mehr dreht man auf, hier die Spannung am Motor damit er 
die Drehzahl erreicht die man braucht.

Der I-Anteil im PID sorgt dafür, daß der Sollwert EXAKT getroffen wird.

Man ist also bei dem einfachen Beispiel noch weit weg von einer 
Kaskadenregelung.

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Beitrag #5845871 wurde von einem Moderator gelöscht.
Autor: Ralph B. (rberres)
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Michael B. schrieb:
> Das nennt man P-Regelung, effektive PWM Spannung und damit Drehzahl
> proportional zu Lageabweichung.
>
> Der P-Anteil im PID Regler sorgt dafür, daß man nicht über's Ziel hinaus
> schiesst und drumrum pendelt.

du vergisst aber das es bei dem Motor eine Schwelle gibt , bei der er 
erst losläuft, und dabei dann schon viel zu schnell läuft.

Um das zu vermeiden wäre jetzt die innere Regelschleife vonnöten.

Ralph Berres

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Autor: Oszillator (Gast)
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Oh man, wenn ihr keine Ahnung von Mathematik habt und gerade einmal das 
Wort "Regelkreis" fehlerfrei copy&pasten könnt, dann beteiligt euch doch 
nicht an Diskussionen zum Thema Regelung.

Mit jedem Wort, das ihr tippt, verstrickt ihr euch in mindestens 2 
Widersprüche. Da kommt man einfach nicht gegenan.

@pb1966, glaub diesen Spinnern kein Wort. Nichts von alledem 
funktioniert. Du hast nichts von der Dimensionierung deines Systems 
verraten. Daher kann dir niemand seriös helfen. Wer das Gegenteil 
behauptet, hat von Regelungstechnik weniger Ahnung als ein 3-Jähriger, 
der immerhin schon mit einer Schaukel umgehen kann.
Wenn dir eine Lösung wichtig ist, vergib einen Auftrag an ein 
Ingenieursbüro, das erwiesenermaßen komplexe Regelungen beherrscht, die 
über PID und Kaskadenregler hinausgehen.

Autor: Martin S. (sirnails)
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Ich werde langsam das Gefühl nicht los, dass Du als High-Performer für 
11:10 verdammt viel Zeit zum Tippen von Forenbeiträgen hast.

Wenn ich jemanden mit Deiner Expertise anstellen würde, dann würde ich 
dafür sorgen, dass Deine Zeit durch produktive Arbeit ausgelastet ist.

11:00
11:10
11:59
13:28
15:00
15:42

Entweder hast Du also von 10:45 bis 11:30, dann von 11:45 bis 13:30 und 
von 14:45 bis 15:45 Pause, oder nichts zu tun (was Deinem Wissenstand 
nicht ensprechen würde), oder bist arbeitslos.

Bevor Du dich also zum Oberlehrer aufspielst, und allen an den Kopf 
wirfst, wie unfähig sie sind, könntest Du Deine Zeit vielleicht weitaus 
sinnvoller nutzen, wenn Du an Dir arbeitest - oder Dir eine neue Stelle 
suchen, die Deinem Wissenstand gerecht wird.

Aktuell scheinst Du ziemlich unter- oder überfordert.

Autor: Hans (Gast)
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Oszillator schrieb:
> glaub diesen Spinnern kein Wort. Nichts von alledem funktioniert.

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