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Regelverfahren für elektrische Antriebe

 

Stromregelung für Gleichstrommotoren

Der Stromregelkreis besteht aus dem Stromregler und der Regelstrecke. Die Regelstrecke enthält das Leistungsteil und den Gleichstrommotor. Zur Anpassung des Stromreglers an die Regelstrecke muss ihre Struktur durch einen Signalflussplan beschreiben werden.

 

Die Regelstrecke

Die Eingangsgröße der Regelstrecke bildet die vom Stromregler ermittelte Sollspannung. Bei Gleichstromantrieben ist das der Sollwert der Ankerspannung. Dieser Sollwert wird dem Leistungsteil übergeben, das an seinem Ausgang die Ankerspannung für den Gleichstrommotor bereitstellt. Die komplexen Vorgänge und Strukturen im Leistungsteil werden zur Beschreibung des regelungstechnischen Verhaltens vernachlässigt. Es ist üblich, das Leistungsteil stark zu vereinfachen und durch ein PT1-Glied mit einer kleinen Verzögerungszeitkonstante anzunähern. Die Größe der Verzögerungszeitkonstante hängt von der technischen Realisierung des Leistungsteils ab. Sie liegt bei Thyristorbrücken bei ca. 1 Millisekunde und bei Pulsstellern im Bereich weniger Mikrosekunden. Die vom Leistungsteil bereitgestellte Ankerspannung ist begrenzt. Sie kann einen durch die technische Realisierung des Leistungsteils und die Netzspannung vorgegebenen Maximalbetrag nicht überschreiten.
An den Klemmen des Gleichstrommotors wird die vom Leistungsteil bereitgestellte Ankerspannung wirksam. Zusätzlich greift hier die durch den drehenden Anker induzierte Motor-EMK des Gleichstrommotors als Störgröße ein. Sie reduziert die tatsächlich wirksame Spannung.
Die wirksame Spannung ist für den Stromfluss im Anker des Gleichstrommotors verantwortlich. Wirksame Spannung und Ankerstrom sind über ein PT1-Glied mit proportionaler Verstärkung verkoppelt. Die Parameter dieser Übertragungsglieder werden durch die elektrischen Kenngrößen des Gleichstrommotors, den Ankerwiderstand und die Ankerinduktivität bestimmt. Die Ankerzeitkonstante ist als Quotient aus der Ankerdinduktivität und dem Ankerwiderstand definiert.

Aus dem Ankerstrom ergibt sich durch Multiplikation mit der Maschinenkonstante in einem P-Glied das Motordrehmoment. Die Maschinenkonstante ist eine Motorkenngröße, die von der Konstruktion des Gleichstrommotors und den im Läufer verwendeten Magnetmaterialien abhängt.
Das Motordrehmoment wird an der Motorwelle bereitgestellt. Gleichzeitig greift an der Motorwelle aber auch das Lastdrehmoment der Arbeitsmaschine als Störgröße an. Wirksam wird damit nur die Differenz aus Motor- und Lastdrehmoment.
Das wirksame Drehmoment beschleunigt oder bremst den Motor über ein nachgeschaltetes I-Glied und bestimmt den an der Motorwelle messbaren Drehzahlistwert. Als Integrationszeitkonstante wirkt die Summe aus dem Trägheitsmoment des Motors und dem Trägheitsmoment der angeschlossenen Mechanik. Zu beachten ist, dass das Trägheitsmoment der angeschlossenen Mechanik bezogen auf die Motorwelle von Bedeutung ist und damit die Übersetzungsverhältnisse der verwendeten Getriebe zu berücksichtigen sind. Grundsätzlich gilt, dass geringe Trägheitsmomente von Motor und Mechanik ein hohes Beschleunigungsvermögen und damit eine gute Dynamik des Antriebes bewirken.
Die Drehzahl ist die Eingangsgröße für eine weiteres I-Glied, an dessen Ausgang der Lageistwert des Antriebes zur Verfügung steht. Die Integrationszeitkonstante diese I-Gliedes ist das Summenübersetzungsverhältnis der zwischen Motorwelle und Lagemesssystem angeordneten Getriebe. Dient der Motorgeber bereits als Lagemesssystem, spielen Getriebeübersetzungen aus regelungstechnischer Sicht keine Rolle für den Lageistwert.

 

Der Stromregelkreis

Für dynamische Antriebe ist die schnelle Einprägung des Drehmomentes erforderlich. Das Drehmoment ist praktisch jedoch nur mit hohem Aufwand messbar. Aus diesem Grund greift man auf den Ankerstrom als Ersatzregelgröße zurück, da dieser proportional zum Motordrehmoment ist.

Der Stromregler wird typischer Weise als PI-Regler ausgelegt. Er besteht aus einem P-Glied und einem I-Glied, die parallel geschaltet sind. Die Summe der Ausgangssignale ergibt die Sollspannung.

Das P-Glied und das I-Glied übernehmen unterschiedliche Aufgaben im Stromregler:

• Das P-Glied dient zur unverzögerten Reaktion auf Sollwertänderungen bzw. das Einwirken von Störgrößen. Treten aufgrund dieser Vorgänge Regelabweichungen auf, bewirkt das P-Glied eine sofortige Änderung der Sollspannung und damit eine unverzögerte Reaktion des Stromreglers. Das P-Glied ist damit für die Dynamik der Stromregelung entscheidend.
• Das I-Glied dient zur Kompensation von stationären Störgrößen. Eine solche Störgröße stellt z. B. die Motor-EMK des Gleichstrommotors dar. Ohne I-Glied würde die Motor-EMK zu einer dauerhaften drehzahlabhängigen Abweichung des Stromistwertes vom Stromsollwert führen.

Die Verwendung eines PI-Reglers ist mit dem Nachteil verbunden, dass dynamische Regelvorgänge im Stromregelkreis immer mit einem Über- bzw. Unterschwingen des Stromistwertes verbunden sind. Durch entsprechende Wahl der Reglerparameter muss ein Kompromiss zwischen einer hohen Dynamik und einer akzeptablen Überschwingweite gefunden werden.

Hinweis:
Die Begrenzung der Ankerspannung wurde zum Zwecke der Vereinfachung nicht dargestellt. In der praktischen Realisierung muss sie jedoch berücksichtigt werden. Im allgemeinen wird deshalb bei Eintritt des Spannungssollwertes in die Begrenzung das I-Glied angehalten und so ein starkes Aufintegrieren der Regelabweichung vermieden.

 

Vorsteuerung der Motor-EMK

Die Kompensation der Motor-EMK durch das I-Glied im Stromregler erfolgt aufgrund des erforderlichen Integrationsvorganges zeitlich verzögert. Diese Verzögerung kann durch eine Vorsteuerung des Spannungssollwertes reduziert oder sogar vollständig kompensiert werden. Die Vorsteuerung arbeitet parallel zum I-Glied des Stromreglers und entlastet dieses bei der Ausregelung der Motor-EMK.

Die Vorsteuerung erhält als Eingangsgröße den Drehzahlistwert. Dieser ist aufgrund der überlagerten Drehzahlregelung in der Signalelektronik ohnehin vorhanden. Sind der Signalelektronik die entsprechenden Kenngrößen des angeschlossenen Gleichstrommotors bekannt, kann sie aus der aktuellen Drehzahl in einem internen Motormodell die zu erwartende Motor-EMK berechnen. Dieser Wert wird zusätzlich auf den Summationspunkt des Stromreglers aufgeschaltet. Die im Stromregelkreis auftretende Störgröße wird damit bereits kompensiert bevor das I-Glied im Stromregler wirksam wird.

 

Adaption des Stromreglers im Lückbetrieb bei Thyristorstellern

Besteht das Leistungsteil aus einer Thyristorbrücke, muss das Verhalten im Lückbetrieb berücksichtigt werden. Bei kleinen Ankerströmen kommt es vor, dass während einer Zündperiode der Stromfluss versiegt und die zuvor leitenden Thyristoren in den Sperrzustand übergehen. Die mittlere vom Leistungsteile abgegebene Ausgangsspannung entspricht dann nicht mehr der Sollspannung sondern ist betragsmäßig kleiner. Regelungstechnisch bedeutet das, dass sich die Proportionalverstärkung der Regelstrecke verringert. Damit sinkt auch die Dynamik des gesamten Stromregelkreises.

Durch Anpassung der Parameter des Stromreglers (Adaption) kann das Absinken der Proportionalverstärkung in der Regelstrecke kompensiert werden. In hochwertigen Stromreglern sind deshalb die Reglerparameter nicht konstant sondern werden in Abhängigkeit vom Ankerstrom verändert.

Besteht das Leistungsteil aus einem Pulssteller, tritt kein Lückbetrieb auf und eine stromabhängige Adaption der Reglerparameter ist nicht erforderlich.