Positionsfehlerkorrektur in linearen Antriebssystemen

Dmitry Rozavsky, Produktmanager, Servotronix Motion Control

Mit den stetigen Fortschritten in der Servotechnologie erwarten Kunden, dass ihre servogeregelten Maschinen auf einem immer höheren Leistungsniveau arbeiten. Ein Leistungsmerkmal ist die Positionsgenauigkeit von Maschinen. Je höher die Positionsgenauigkeit ist, umso höher ist die Qualität der gefertigten Teile und Produkte. Daher ist bei der Auswahl und Entwicklung eines Servosystems eine präzise Positionierung ein entscheidendes Kriterium.

Servotronix hat insbesondere für lineare Antriebssysteme eine Reihe von Methoden entwickelt, um Positionsfehler zu beheben und die Leistungsfähigkeit von Maschinen zu optimieren.

Die Genauigkeit von Systemen kann im Betrieb durch eine Vielzahl von Bedingungen oder Faktoren beeinträchtigt werden und somit zu einer inakzeptablen Performance führen. Hier einige Beispiele:

Geber: Mechanische, elektronische oder optische Imperfektionen innerhalb des Gebers, die bei der Herstellung des Geräts eingestreut wurden, können zu Positionsfehlern führen. Umgebungsbedingungen, elektrische Störeinflüsse und sonstige externe Faktoren können das Gebersignal ebenfalls beeinträchtigen.

Last: Eine ungenaue Positionierung kann auf sich biegende Komponenten im mechanischen System zurückgeführt werden.

Orthogonalität: Um bei Kreuztischen eine präzise Positionierung zu erreichen, müssen die Verfahrwege auf der X und Y-Achse genau rechtwinklig (orthogonal) zueinander sein. Wenn die beiden Verfahrwege nicht orthogonal zueinander sind, entsteht beim Verfahren entlang der Y-Achse ein Positionsfehler in X-Richtung und umgekehrt.

Spiel: Das Spiel ist eine Funktion des Abstands zwischen ineinandergreifenden Zähnen in einem Getriebe. Gewöhnliches Spiel ermöglicht das Ineinandergreifen der Zahnräder ohne zu verklemmen und bietet den erforderlichen Raum für die Schmierung. Übermäßiges Spiel, das z. B. auftreten kann, wenn eine Leitspindelmutter oft die Richtung wechselt, führt zu Positionsfehlern.

Hysterese: Bei Hysteresefehlern handelt es sich um Abweichungen zwischen der Ist-Position und der Soll-Position, die durch inkonsistente Antworten des Systems auf ansteigende und abfallende Eingangssignale entstehen.

Um die jeweils effektivste Methode zur Korrektur von Positionsfehlern anwenden zu können, muss zunächst bestimmt werden, ob die Fehler reproduzierbar sind. Wenn die Abweichung von der Soll-Position messbar und reproduzierbar ist, können im Servoantrieb bestimmte Funktionen oder Algorithmenaktiviert , um die erforderliche Genauigkeit zu erreichen und aufrecht zu erhalten. Wenn Positionsfehler zufällig oder unregelmäßig auftreten, kann eine Korrektur am besten mit einem externen Gerät erreicht werden.

Wiederholgenauigkeit von Fehlern

Die Wiederholgenauigkeit ist die Fähigkeit des Antriebssystems wieder und wieder an eine bestimmte Position zurückzukehren. Die Präzision beschreibt den gemessenen Bereich, wenn das System an eine bestimmte Position zurückkehrt. Die Genauigkeit gibt an, wie nah das System an einen bestimmten Messwert oder eine genaue Position gelangt.

Generell kann die Wiederholgenauigkeit von Positionsfehlern durch Verfahren an eine definierte Position und entsprechende Messungen bestimmt werden. Dazu kann ein externes Präzisions-Rückführsystem wie ein Laser-Interferometer verwendet werden.

Nehmen wir an, der Motion-Controller weist einen Linearantrieb an um an eine bestimmte Position zu verfahren. Sobald die Verfahrbewegung abgeschlossen wurde, misst die externe Einrichtung die Ist-Position des Linearantriebs. Dieser Zyklus aus Befehl, Bewegung und Messung wird wiederholt ausgeführt bis bestimmt werden kann ob Positionsfehler auftreten und wenn ja, ob diese gleich sind. Positionsfehler können über den Verfahrweg hinweg variieren, sodass der Prüfvorgang an mehreren Positionen im linearen Antriebssystem wiederholt werden muss.

Wenn Fehler wiederholbar sind, ist ihr Auftreten vorhersehbar und die Firmware des Servoantriebs kann die erforderlichen Korrekturen vornehmen sowie für ausreichend Genauigkeit sorgen und diese aufrecht erhalten, ohne dass dafür ein externes Rückführsystem erforderlich ist.

Lineares Antriebssystem

Oberschwingungskompensation

Die Oberschwingungskompensation ist im Servoregelkreis zu berücksichtigen, wenn Störungen über Motorzyklen hinweg einem konstanten Muster folgen. Dies deutet darauf hin, dass Oberschwingungen im System vorhanden sind. Das Rastmoment eines Motors wird z. B. durch den mechanischen Aufbau eines Motors verursacht. Rastmomente treten typischerweise in Linearmotoren mit Eisenkern auf und können daher durch eine Oberschwingungskompensation korrigiert werden.

Der Servoantrieb CDHD2 von Servotronix bietet einen Algorithmus zur Oberschwingungskompensation, der Drehmoment- und Rückführungsstörungen korrigiert, die durch eine mechanische Imperfektion im Motor und/oder einen Fehler in der Rückführung verursacht werden. Der Algorithmus zur Oberschwingungskompensation kann Störungen beheben, die einem reproduzierbaren Muster innerhalb eines Verfahrwegs bei Linearmotoren oder einer Umdrehung bei Drehmotoren folgen.

Bevor der Algorithmus angewendet wird, ist es wichtig, die Störquelle ordnungsgemäß zu bestimmen, damit die richtige Art der Oberschwingungskompensation verwendet werden kann. Wenn in einem System eine Resolverrückführung verwendet und ein Muster mit zwei Störungen pro Zyklus erkannt wird, ist mit hoher Wahrscheinlichkeit eine rückführungsbasierte Oberschwingungskompensation erforderlich.

Regelkreis zur Oberschwingungskompensation – Drehmomentbasiert

Korrektur per Fehlerzuordnung

Einige reproduzierbare Positionsfehler können nicht per analytischem Ausdruck korrigiert werden. Antriebssysteme verlieren ihre Genauigkeit möglicherweise nur an wenigen Punkten entlang des Verfahrweges und benötigen auch nur dort eine Korrektur. Für derartige Fehler kann eine externe Messeinrichtung dazu verwendet werden, eine Fehlerzuordnungstabelle zu generieren, die dann vom Antrieb dazu verwendet wird, Fehler an bestimmten Punkten zu korrigieren.

So kann z. B. die Position der Last auf einer linearen Achse mit einem Laser-Interferometer gemessen werden. Der Einfachheit halber wird für das Beispiel davon ausgegangen, dass der Verfahrweg entlang der Achse einen Meter beträgt. Die Antriebssoftware sendet einen Befehl, dass der Motor in Intervallen von 100 mm entlang der Achse verfahren soll, wobei er 10 Positionen durchläuft. Während der Motor die Last bewegt, misst das Interferometer die Strecke, die die Last zurückgelegt hat. Diese wird an jedem Punkt mit der Geberposition verglichen. Die Abweichung zwischen diesen beiden Werten ist der Positionsfehler.

Sobald eine Fehlerzuordnung generiert wurde, wird sie im nicht-flüchtigen Speicher des Antriebs gespeichert, und es kann eine Fehlerkorrekturfunktion im Antrieb aktiviert werden.

Motorgeber-
position
Extern gemessene
Position
Korrekturwert
0 0 0
100 99 1
200 202 -2
300 300 0
400 400 0
500 500 0

Ein Algorithmus interpoliert zwischen Punkten. Um den Linearantrieb in diesem Beispiel an einen 275 mm vom Ursprung entfernten Punkt zu verfahren, wählt der Regler die beiden nächstgelegenen Datenpunkte (200 und 300 mm) in der Nachschlagetabelle aus, und berechnet den Korrekturwert für den Punkt bei 275 Millimetern.

Der Vorteil dieser Methode zur Fehlerkorrektur, die von den Servoantrieben CDHD2 ausgeführt werden kann, besteht darin, dass der Antrieb basierend auf der Ist-Position einen Korrekturwert in Echtzeit abrufen und die Korrektur während des laufenden Betriebs anwenden kann. Sobald die Korrektur implementiert wurde, wird der Fehler vernachlässigbar, und ein zusätzliches Positionsrückführsystem ist nicht mehr erforderlich.

Laser-Interferometer misst zurückgelegte Strecke

Regelung mit zwei Regelkreisen

Um zufällige, nicht-reproduzierbare Fehler auszugleichen, benötigt das linear Antriebssystem eine Methode zum Erkennen von Fehlern und zum Melden der Fehler an den Antrieb während des Betriebs. Eine effektive und relativ kostengünstige Methode zum Beheben von nicht-reproduzierbaren Fehlern ist das Installieren eines zweiten Gebers im Antriebssystem – und zwar an der Last. Der zweite Geber ermöglicht eine präzise Positions-Rückführung in Echtzeit, sodass Abweichungen im Antriebssystem korrigiert werden können.

Die Servotronix-Firmware im Servoantrieb CDHD2 bietet einen Regelkreis mit dualer Rückführung. Bei einer Anwendung mit zwei Regelkreisen wird die Motorrückführung für den Geschwindigkeitsregelkreis und die Kommutierung verwendet, während die sekundäre Rückführung für den Positionsregelkreis verwendet wird.

Der Antrieb CDHD2 unterstützt divers-sekundäre Rückführsysteme wie Inkrementalgeber und serielle Geber sowie analoge Positionsrückführungsysteme

Bei der Konfiguration mit zwei Regelkreisen ist eine Skalierung der sekundären Rückführung relativ zur Motorrückführung erforderlich zudem wird eine Optimierungsmethode, wie in der Abbildung dargestellt, eingesetzt.

Regelkreis mit doppelter Rückführung

Der Regelkreis mit doppelter Rückführung von Servotronix wurde in einer Reihe von PET-/CT-Scannern zur klinischen Bildgebung von GE Healthcare implementiert, in denen der Patiententisch mechanisch über eine Kugelumlaufspindel angetrieben wird.

Um den Auswirkungen des Spiels in dem Scannersystem entgegenzuwirken, wurden zwei Geber in die Achse eingebunden. Der Geber für die Positionsrückführung ist am Motor montiert, während ein zweiter Rückführungsgeber die Last überwacht. Durch die Regelung mit zwei Regelkreisen konnte ein sanfterer Betrieb und eine genauere Positionierung des Bildgebungssystems erreicht werden. Zudem ermöglicht die Regelung eine Sicherheitsfunktion durch Erkennen eines Lastwegfalls oder einer Kollision.

Jede Maschinenanwendung mit linearem Antrienssystem stellt einzigartige Herausforderungen dar und erfordert einzigartige Lösungen. Dank der Vielseitigkeit der CDHD2-Antriebe können Kunden eine Methode zur Fehlerkorrektur – wie die Regelung mit zwei Regelkreisen, die Oberschwingungskompensation oder die Fehlerzuordnung – implementieren, mit der die höchste Genauigkeit und Leistungsfähigkeit von Maschinen erreicht werden kann.

Wenn Sie weitere Informationen benötigen, wenden Sie sich an Servotronix (E-Mail), oder besuchen Sie die Website www.servotronix.com.

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