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Regelverfahren für elektrische Antriebe

 

Drehzahlregelung

Der Drehzahlregelkreis

Der Drehzahlregelkreis besteht aus dem Drehzahlregler und der Regelstrecke. Die Regelstrecke enthält das Leistungsteil, den Motor mit der angekoppelten Mechanik der Arbeitsmaschine sowie den unterlagerten Stromregelkreis.
Die Ausgangsgröße des Drehzahlreglers und damit Eingangsgröße der Regelstrecke ist der Drehmomentsollwert. In der praktischen Realisierung wird jedoch anstelle des Drehmomentsollwertes ein Stromsollwert verwendet, der dem Drehmoment proportional ist. Der unterlagerte Stromregelkreis sorgt für eine schnelle Einprägung des Stromes und damit des gewünschten Motordrehmomentes. Für die Betrachtungen zur Drehzahlregelung kann der Stromregelkreis vereinfacht und durch ein PT1-Glied mit einer kleinen Verzögerungszeitkonstante nachgebildet werden. Die Besonderheiten der verwendeten Motoren, Leistungsteile und Stromregelalgorithmen spielen auf der Ebene des Drehzahlregelkreises keine Rolle mehr. Deshalb ist auch eine getrennte Darstellung für Gleichstrom- und Drehstromantriebe nicht erforderlich.
Dem Motordrehmoment entgegen wirkt das Lastdrehmoment. Die Differenz aus Motor- und Lastdrehmoment wirkt beschleunigend auf die Motorwelle und die angeschlossene Mechanik. Diese werden mit einem I-Glied beschrieben, an dessen Ausgang die Winkelgeschwindigkeit bzw. die Drehzahl wirksam wird.

Der Drehzahlregler wird wie der Stromregler 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 das Solldrehmoment, das anschließend entsprechend den Gegebenheiten des Antriebes und der angeschlossenen Arbeitsmaschine auf einen Maximalwert begrenzt wird.

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

• 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 des Solldrehmomentes und damit eine unverzögerte Reaktion des Drehzahlreglers. Das P-Glied ist damit für die Dynamik der Drehzahlregelung entscheidend.
• Das I-Glied dient zur Kompensation von stationären Störgrößen. Eine typische Störgröße stellt das Lastmoment dar.

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

 

Die Sollwertaufbereitung

Drehzahlgeregelte Antriebe sind im allgemeinen sehr dynamisch und reagieren schnell auf Änderungen des Drehzahlsollwertes. Es gibt jedoch eine Reihe von Anwendungen, in denen häufige Änderungen des Drehzahlsollwertes nicht erforderlich sind. Die Dynamik des Antriebs wird dann ausschließlich für die schnelle Ausregelung von Störgrößen benötigt.
Um den Antrieb definiert auf seine Betriebsdrehzahl hochzufahren bzw. von dieser wieder stillzusetzen, wird ein rampenförmiger Drehzahlsollwert benötigt. Dieser wird mit Hilfe eines Hochlaufgebers gebildet. Er begrenzt den Anstieg des Drehzahlsollwertes in positiver und negativer Richtung und wandelt einen sprungfömigen Sollwert in einen rampenförmigen Sollwert um. Die Steilheit der Drehzahlrampen ist je nach Anwendungsfall einstellbar.
 

 

Name	Beschreibung	Signalverlauf bei Sprung auf positiven Sollwert	Signalverlauf bei Sprung auf 0	Parameter	Symbol
Hochlauf- geber	Das Eingangssignal wird in seinem Anstieg begrenzt.			Hochlauf- zeit Th Rücklauf- zeit Tr

 

Hinweis: Ist dem Drehzahlregler noch ein Lageregelkreis überlagert, kommt kein Hochlaufgeber zum Einsatz.

 

Vorsteuerung des Drehmomentes

Wird der Drehzahlregler mit einem rampenförmigen Drehzahlsollwert beaufschlagt, stellt sich nach einer gewissen Zeit am Ausgang des Drehzahlregler ein konstanter Sollwert für das Motordrehmoment ein. Dieser Sollwert wird mit Hilfe des Stromreglers eingeprägt und beschleunigt den Motor und die angeschlossene Mechanik. Betrachtet man die Signale innerhalb des Drehzahlreglers während der Beschleunigungsphase, so stellt man fest, dass nach einer kurzen Anlaufphase lediglich das I-Glied wirksam ist und das P-Glied nahezu kein Ausgangssignal liefert. Dieser Zustand ist ungünstig, da nach Erreichen der Solldrehzahl das I-Glied immer noch ein Solldrehmoment abgibt, der Antrieb weiter beschleunigt und der Drehzahlistwert überschwingt. Dann tritt am Eingang des Drehzahlregler eine negative Soll-Ist-Differenz auf, die schließlich zum Abbau des im I-Glied "gespeicherten" Drehmomentsollwertes führt.
Diese Verhalten kann durch eine Vorsteuerung des Drehmomentsollwertes deutlich verbessert werden. Dazu wird der wirksame Drehzahlsollwert über ein D-Glied geführt. Die Zeitkonstante des D-Glieds entspricht der mechanischen Trägheit des Motors und der angeschlossenen Mechanik. Unter dieser Bedingung steht am Ausgang des D-Glieds genau das Solldrehmoment zur Verfügung, das für die Beschleunigung des Antriebes benötigt wird. Schaltet man diesen Sollwert zusätzlich auf den Ausgang des Drehzahlreglers, wird das I-Glied im Drehzahlregler praktisch nicht mehr wirksam. Das für die Beschleunigung erforderliche Drehmoment wird über die Vorsteuerung hervorgerufen. Es verschwindet in dem Augenblick, in dem keine Beschleunigung des Antriebes mehr gefordert wird. Das Überschwingen der Drehzahl tritt nicht mehr auf.

Bei Bremsvorgängen wirkt die Vorsteuerung in gleicher Weise aber mit umgekehrten Vorzeichen. Sie erzeugt dann den Sollwert für das erforderliche Bremsmoment.