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Regelverfahren für elektrische Antriebe

Regelung mit Mikroprozessoren

Die Antriebssoftware besteht bei genauerer Betrachtung aus einer großen Anzahl von Unterprogrammen. Jedes Unterprogramm enthält eine bestimmte abgegrenzte Funktionalität.
Das Betriebssystem des Antriebes ruft die Unterprogramme innerhalb eines bestimmten Zeitraums (Zyklus) in einer definierten Reihenfolge auf. Diese Aufrufe werden zyklisch wiederholt. Auf diese Weise werden alle Antriebsfunktionen nacheinander und fortlaufend bearbeitet.
Geschieht die Bearbeitung sehr schnell, erscheint es so, als ob die in den Unterprogrammen hinterlegten Funktionen wie in einem analogen System parallel ablaufen. Tatsächlich arbeitet der Mikroprozessor des Antriebes jedoch seriell und arbeitet alle Funktionen nacheinander ab.
Durch Interrupts kann das Betriebssystem auf besondere Ereignisse reagieren, die normale Reihenfolge unterbrechen und spezielle Unterprogramme bzw. Funktionen "dazwischenschieben".

Das obenstehende Bild zeigt eine sehr stark vereinfachte Darstellung der in digitalen Antrieben benötigten Funktionen, die in den Unterprogrammen abgearbeitet werden. Es ist zu erkennen, dass neben den bereits bekannten Regelfunktionen für Strom, Drehzahl und Lage noch weitere Funktionen erforderlich sind. So müssen z. B.

• Sollwerte und Steuerkommandos eingelesen,
• Istwerte ausgegeben,
• interne Steuerungs- und Schutzfunktionen ausgeführt und eine
• Bedienerschnittstelle bereitgestellt

werden.

Zeitscheiben

Der Mikroprozessor eines digitalen Antriebes kann die in den Unterprogrammen abgelegten Funktionen nur seriell abarbeiten. Es wäre deshalb naheliegend, alle Unterprogramme durch das Betriebssystem in der erforderlichen Reihenfolge aufrufen zu lassen, dann bis zum Ende der festgelegten Zykluszeit zu warten und anschließend den nächsten Aufrufzyklus zu beginnen. Der Mikroprozessor müsste dann allerdings so leistungsfähig sein, dass er alle Funktionen in einer hinreichend kurzen Zeit bearbeiten kann. Praktisch ist dieser Ansatz nicht realisierbar wenn man bedenkt, dass die Stromregelung und der Steuersatz im Bereich von Mikrosekunden zyklisch bearbeitet werden müssen. Bei diesem Ansatz würde auch Unterprogramme mit weniger zeitkritischen Funktionen laufend aufgerufen und die Rechenleistung des Mikroprozessors nutzlos verschwenden.
Man geht daher den Weg, verschiedene Zyklen zu definieren. Man nennt diese Zyklen auch Zeitscheiben. Die Zeitscheiben bauen aufeinander auf und unterscheiden sich in ihrer Länge jeweils um den Faktor 2. Die Zeitscheibe T0 ist die schnellste Zeitscheibe. Die Zeitscheibe T1 ist doppelt so lang wie die Zeitscheibe T0. Die Zeitscheibe T2 ist wiederum doppelt so lang wie die Zeitscheibe T1 usw. Je nach Notwendigkeit kann ein digitaler Antrieb mehr als 10 Zeitscheiben enthalten.

Die verschiedenen Unterprogramme werden nun den verschiedenen Zeitscheiben zugeordnet und damit ihre Aufrufhäufigkeit festgelegt. Die Funktionen mit den höchsten dynamischen Anforderungen, insbesondere die Regelfunktionen müssen in den kürzesten Zeitscheiben bearbeitet werden. Funktionen mit geringeren Ansprüchen an die Bearbeitungshäufigkeit wie z. B. die Parametrierschnittstelle können in langsameren Zeitscheiben bearbeitet werden.

Das Betriebssystem arbeitet zeitgesteuert. Seine Arbeitsweise wird anhand des oben stehenden Diagramms verdeutlicht.
Ein Timer sendet zyklisch einen Interrupt aus und startet damit eine neue Zeitscheibe T0. Das Betriebssystem beginnt die Unterprogramme (z. B. die Stromregelung) aufzurufen, die der Zeitscheibe T0 zugeordnet sind. Sind alle diese Funktionen bearbeitet, wechselt das Betriebssystem in die Zeitscheibe T1 und ruft die dieser Zeitscheibe zugeordneten Unterprogramme (z. B. Drehzahlregelung) auf. Sind diese Programme bearbeitet, geht die Bearbeitung in der Zeitscheibe T3 (z. B. Lageregelung) weiter. Irgendwann löst der Timer jedoch einen neuen Interrupt aus. Dann wird die Bearbeitung des laufenden Unterprogrammes unterbrochen und das Betriebssystem bearbeitet wieder die Unterprogramme in der Zeitscheibe T0. Ist die Bearbeitung abgeschlossen, wechselt das Betriebssystem jedoch nicht wieder automatisch in die Zeitscheibe T1. Da die Bearbeitung von T1 bereits nach dem vorherigen Timerinterrupt abgeschlossen wurde und das Betriebssystem nur in jedem 2. Durchlauf von T0 die Funktionen der Zeitscheibe T1 bearbeiten muss, setzt es nun seine Arbeit in dem zuvor unterbrochenen Unterprogramm (z. B. Lageregelung) der Zeitscheibe T3 fort. Der weitere Ablauf kann dem Diagramm entnommen werden. In Summe ergibt sich damit eine von Außen kaum zu durchschauende Bearbeitungsreihenfolge der einzelnen Unterprogramme. Der Mikroprozessor arbeitet die Funktionen insbesondere der langsameren Zeitscheiben "stückweise" ab.

Die Unterprogramme der einzelnen Zeitscheiben dürfen nur eine bestimmte Bearbeitungsdauer beanspruchen. Würde z. B. die Stromregelung in der Zeitscheibe T0 sehr lange dauern, wäre kaum noch Zeit für die Drehzahlregelung in Zeitscheibe T1. Diese könnte nicht innerhalb der Zeitscheibe T1 vollständig abgearbeitet werden. Das Betriebssystem würde diesen "Überlauf" der Zeitscheibe T1 bemerken und den Antrieb abschalten. In digitalen Antrieben ist deshalb immer eine Reserve an freier Rechenzeit erforderlich.
Durch besondere Funktionen wird sichergestellt, dass der Signalaustausch zwischen den Zeitscheiben immer konsistent bleibt. Es wir verhindert, dass z. B. der Drehzahlregler in der Zeitscheibe T1 einen unvollständig berechneten Sollwert vom Lageregler bekommt, weil die Zeitscheibe T2 gerade unterbrochen wurde.
Aufgrund der Bearbeitung der Unterprogramme in Zeitscheiben ergibt sich im Vergleich zu analog geregelten Antrieben ein verzögerter Signaldurchlauf. Eine Änderung des Lagesollwertes in der Zeitscheibe 1-2 wird in 2-3 am Lageregler, in 4-1 am Drehzahlregler und erst in 1-2 am Stromregler wirksam. Es dauert im obigen Beispiel also 4 Zyklen, bis eine Lagesollwertänderung auch tatsächlich am Stromregler eine Wirkung hervorruft. Hier liegt ein eindeutiger Nachteil der digitalen Antriebe gegenüber den Antrieben mit analoger Regelung. Durch immer kürzere Zykluszeiten (Zeitscheiben T0), Verschiebung der Funktionen in immer kürzere Zeitscheiben und durch eine geschickte Aufrufreihenfolge der Unterprogramme der soll dieser Nachteil verringert werden.

• x: Eingangsgröße des Übertragungsgliedes
• y: Ausgangsgröße des Übertragungsgliedes
• n: aktueller Zeitpunkt
• n-1: vergangener Zeitpunkt, ein Zyklus vor dem aktuellen Zeitpunkt
• T: Zeitdauer des Zyklus, in dem das Übertragungsglied berechnet wird

Der Verlauf der Ausgangsgrößen ist in digitalen Regelungen nicht kontinuierlich sondern weist aufgrund der zyklischen Berechnung Sprünge auf. Innerhalb eines Zyklus ist die Ausgangsgröße konstant.

Name	Berechnungsvorschrift	Signalverlauf bei sprungförmiger Anregung	Parameter	Symbol
P-Glied	y(n)=P*x(n)		Proportional- verstärkung P
I-Glied	y(n)=y(n-1)+T/Ti*x(n)		Integrations- zeitkonstante Ti
D-Glied	y(n)=(x(n)-x(n-1))Td/T		Differentiations- zeitkonstante Td
PT1-Glied	y(n)=y(n-1)+((x(n)-y(n-1))*T/T1		Zeitkonstante T1