TC3: Motor in Drehmoment- oder Drehzahlregelung auf bestimmte Wellenleistung regeln

[oliver.tonn]

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Hallo,
ich benötige mal etwas (OK, viel) Nachhilfe was die Benutzung von Reglern angeht. Ich hatte damit während meiner Umschulung und später der Technikerschule reichlich zu tun, aber seit dem nie wieder und so habe ich praktisch alles vergessen. Ich weiß noch, dass ein Regler aus der Differenz von Soll und Istwert in Verbindung mit den Regelparametern eine Stellgröße ausgibt, aber das war es dann. Allgemeine Fragen zum Thema Regler wären erstmal, welche Einheit und welchen Wert hat die Stellgröße (Absolutwert oder Differenz)? Wenn ich eine Temperatur regeln will sind die Eingangswerte logischerweise Temperaturen, aber der Ausgangswert muss ja z.B. eine Heizerleistung oder ein Prozentwert werden der dann wieder in ein PWM-Signal gewandelt wird, wie läuft das ab.
Doch zum konkreten Fall. An einem Teststand für E-Motore werden die Prüflinge über einen weiteren Motor belastet. Dieser wird über einen Umrichter entweder auf eine Drehzahl oder ein Drehmoment eingestellt das er hält. Nun soll das System aber über einen überlagerten Regler auf eine bestimmte Wellenleistung geregelt werden. Die Leistung wird über 2µ * M * n, berechnet, soweit bin ich schon, aber dann verließen Sie ihn auch schon. Ich könnte jetzt aus OSCAT den Regler CTRL_PI oder CTRL_PID nehmen. An die Eingänge muss ja die Soll und Ist Leistung, das ist soweit wieder klar, aber was muss ich mit dem Ausgangswert anstellen, damit ich einen Sollwert für den Umrichter erhalte und zwar je nach Betriebsart einmal Drehzahl und einmal Drehmoment.

 

[Thruser]

Hallo,

entweder Du arbeitest mit zwei Reglern und schaltest zwischen diesen um oder mit einem, dann muß Du dort die Parameter umschalten. Mit einem Satz für beide Regelungen wirst Du nicht auskommen, da das Verhalten unterschiedlich sein sollte. Im Umrichter wirst Du ja auch den Parametersatz umschalten müssen für Drehzahlregelung und Momentenregelung.

Gruß

 

[oliver.tonn]

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Das mit dem Umschalten ist klar, vermutlich werden zwei Regler eingesetzt. Aber leider weiß ich nicht wie ich den Regler mit anderen Bausteinen verschalten muss, damit ich eine Drehzahl oder ein Drehmoment für den FU bekomme. Der Regler bekommt ja als Eingangswerte die Wellenleistung, aber für den FU brauch ich ja Drehmoment oder Drehzahl.

 

[Thruser]

Hallo,

Du hast die Gleichung doch oben angegeben. Die Leistung ist P = M * ω, mit ω = 2 * π * f = 2 * π * n / 60 (n in Umdrehungen/Min, f in Hertz bzw. 1/s)

Dann dementsprechend umstellen:

M = P * 60 / (2 * π * n)
n = P * 60 / ( 2 * π * M)

P (Vorgabe) und M bzw. n müssten ja jeweils bekannt sein (Messung oder aus dem Umrichter)

Ansonsten beschreib mal etwas mehr zu dem Prüfstand und der Anordnung. Ist separate Drehmomentmesswelle mit Drehzahlmessung vorhanden oder wird alles über den FU des Belastungsmotors bestimmt?

Für Drehmomentregelung verstehe ich es im Augenblick so der Test-/Antriebsmotor gibt über seinen Sollwert die Drehzahl vor, dann wird für die Messung die Leistung vorgegeben und der Belastungsmotor soll dann den Antriebsmotor mit dem entsprechenden Drehmoment belasten.

Auf jeden Fall benötigst Du entweder die aktuelle Drehzahl oder das aktuelle Moment.

Gruß

 

[oliver.tonn]

Hallo,

Du hast die Gleichung doch oben angegeben. Die Leistung ist P = M * ω, mit ω = 2 * π * f = 2 * π * n / 60 (n in Umdrehungen/Min, f in Hertz bzw. 1/s)

Dann dementsprechend umstellen:

M = P * 60 / (2 * π * n)
n = P * 60 / ( 2 * π * M)

P (Vorgabe) und M bzw. n müssten ja jeweils bekannt sein (Messung oder aus dem Umrichter)

Ansonsten beschreib mal etwas mehr zu dem Prüfstand und der Anordnung. Ist separate Drehmomentmesswelle mit Drehzahlmessung vorhanden oder wird alles über den FU des Belastungsmotors bestimmt?

Für Drehmomentregelung verstehe ich es im Augenblick so der Test-/Antriebsmotor gibt über seinen Sollwert die Drehzahl vor, dann wird für die Messung die Leistung vorgegeben und der Belastungsmotor soll dann den Antriebsmotor mit dem entsprechenden Drehmoment belasten.

Auf jeden Fall benötigst Du entweder die aktuelle Drehzahl oder das aktuelle Moment.

Das heißt es ist tatsächlich so einfach? Der Regler wird einen Wert mit der "Einheit" Wellenleistung ausschmeißen, den rechne ich mit der Formel entweder in ein Drehmoment oder eine Drehzahl um und übergebe den Wert dann dem FU?

 

[Thruser]

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Eigentlich ja, ob Du die Umrechnung vor oder hinter dem Regler machst ist eigentlich egal.

Du mußt nur ein Punkte beachten. Da Du nach der Umstellung der Gleichung ~1/x hast, gehen die Werte für x->0 die resultierenden gegen unendlich. Bei Drehmomentregelung solltest Du daher eine Drehmomentbegrenzung haben. Auch für den Anlauf des Testmotors solltest Du die Belastungsmaschine im Freilauf bzw. Solldrehmoment = 0 Nm haben, um den Motor nicht unter last anlaufen zu lassen. Aber das solltest Du mit Deinem Auftrageber/Aufgabebsteller klären. Der sollte wissen wie die Maschinen zu betreiben sind.

Gruß

 

[zako]

vielleicht hat ja Dein Antrieb auch einen Eingang wo man die Leistungsgrenze direkt vorgeben kann (bei Bedarf auch von einem Regler, der z.B. den Drehmomentistwert direkt einliesst). Bei kleinen Drehzahlen könnte man dann mit einer Drehmomentgrenze arbeiten, die dann bei der entsprechenden Drehzahl von einer Leistungsgrenze abgelöst wird.

 

[oliver.tonn]

vielleicht hat ja Dein Antrieb auch einen Eingang wo man die Leistungsgrenze direkt vorgeben kann (bei Bedarf auch von einem Regler, der z.B. den Drehmomentistwert direkt einliesst). Bei kleinen Drehzahlen könnte man dann mit einer Drehmomentgrenze arbeiten, die dann bei der entsprechenden Drehzahl von einer Leistungsgrenze abgelöst wird.

Sah auf den ersten Blick gut aus, aber wenn ich den Hilfetext vom Starter richtig verstehe ist damit die elektrische Leistung gemeint, ich muss aber die Wellenleistung regeln, also die mechanische Leistung.

 

[zako]

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für den SINAMICS S120 gilt: addiere noch per Reibkennlinie die Verluste drauf, dann kommst Du auch auf die Katalogangaben bzgl. Drehmomentgenauigkeit (also mit 1PH8- Motor und entsprechenden Drehzahlbereich).
Oder hast Du eh eine Drehmomentmesswelle? Dann kann man es noch verrechnen (z.B. per Technologieregler im Antrieb)

 

[oliver.tonn]

Oder hast Du eh eine Drehmomentmesswelle? Dann kann man es noch verrechnen (z.B. per Technologieregler im Antrieb)

Vielleicht sind ein paar Details ganz hilfreich. Der Prüfling ist über eine Drehmomentmesswelle mit der Lastmaschine verbunden. Dem Prüfling soll nun über eine gewisse Zeit eine bestimmte mechanische Leistung abgefordert werden. Hier wollte ich die errechnete mechanische Leistung an einen PID-Regler von OSCAT geben und das Ergebnis, je nach Betriebsart, als neuen Drehmoment- oder Drehzahlsollwert an den S120.

 

[zako]

Ja kann man in der Steuerung machen, aber auch im Antrieb.
Im Antrieb nimmt man da den Technologieregler - der könnte auch im Stromreglertakt laufen, z.B. 0,125 ms. Oder DCC.
Nur mal aus Interresse - wie kommunizierst Du mit dem Antrieb (Profinet IRT, Ethercat, Profibus, ...?)

 

[Thruser]

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@zako wie viele Betriebsmodi kann man denn so im Umrichter hinterlegen?

Bei unserem Prüfstand fahren wir meistens mit fester Drehmomentvorgabe, zur Vermessung unserer PM Motoren treiben wir diese aber mit dem Belastungsmotor auch auf bestimmte Drehzahlen.

Ich weiß ja nicht, welche Betriebsarten in diesem benötigt werden.

Gruß

 

[oliver.tonn]

Hm, irgendwie begreife ich die Funktionsweise eines Reglers nicht mehr, bzw. wie ich ihn richtig einsetze. Ich habe jetzt mal einen Versuch gestartet mit KP von 0,1 KI und KD von 0, LL ist 0,0 und LH 99000, Zielleistung sollte 1400 Watt sein. Zunächst rufe ich den Regler mit RST = TRUE auf und der S120 bekommt eine Zieldrehzahl. Dann setze ich RST auf False und errechne aus Y über oben stehende Formel eine Drehzahl die ich an den S120 gebe. Mein Problem ist jetzt, dass die Leistung auf ca. 3800 Watt hochschießt und dann eine andere Begrenzung greift die ein Zerlegen des Teststandes verhindert und der Regler an Y eine 0 ausgibt. Stelle ich als Solleistung mal 4000 Watt ein kommt an Y ein Wert von ca. 38 raus, was ja auch nicht sein kann.
Ich vermute mal an Y kommt kein Absolutwert raus, sondern ein Relativwert, aber was fange ich mit dem an?

 

[oliver.tonn]

Leider muss ich mit wirklich vielen Fragen nerven.
Die Welle soll ja nur in eine Richtung drehen. Jetzt war es aber so, dass das Drehmoment minimal ins Minus rutschte und dann kommt bei der Formel ja auch eine negative Drehzahl raus, was, ohne die Sicherheitsbegrenzungen, hier zum Crash geführt hätte.
Meine Frage wäre jetzt, was ich sinnvolles tun muss, damit die Drehzahl nicht ins negative oder besser nicht in die andere Richtung läuft?

 

[Larry Laffer]

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Mal so ins Unreine gefragt :
warum machst du nicht eine generelle Drehzahl-Vorgabe mit einer Drehmoment-Begrenzung (oder Strom-Begrenzung) ?

 

[oliver.tonn]

Mal so ins Unreine gefragt :
warum machst du nicht eine generelle Drehzahl-Vorgabe mit einer Drehmoment-Begrenzung (oder Strom-Begrenzung) ?

Das Problem ist, das Maß aller Dinge ist die Drehmomentwelle die in der SPS ausgewertet wird.

 

[Larry Laffer]

... dann wirst du sehr wahrscheinlich nicht darum herumkommen, die einen eigenen Algorythmus zu erstellen, die solche Erscheinungen, wie von dir benannt, verhindern ... (also z.B.- negative Drehzahl ... oder ggf. Drehmoment < ein bestimmter Wert)

 

[oliver.tonn]

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Mein Problem ist ja leider schon, dass ich beim Regler scheitere. Der gibt an Y etwas aus, aber was mache ich mit dem Wert?
An die Eingänge des Reglers geht die mechanische Leistung (Soll und Ist).

 

[Thruser]

KP von 0,1 KI und KD von 0

Das sollte ja ein reiner P Regler sein. Der verstärkt natürlich nur die Differenz von Soll- und Istwert. Ist diese 0, dann ist auch das Ausgangssignal 0. Du benötigst noch einen I Anteil, damit das Ausgangssignal den Wert des Sollwertes annimmt, unter der Annahme, daß das Stellglied (FU) den Wert 1:1 stellt. Sollte hier aber so sein, Du gibst eine Solldrehzahl an und der FU fährt diese an, entsprechend Drehmoment. Es ist ja nich so, daß Du eine Beschleunigung oder Drehzahländerungsgeschwindigkeit vorgibst.

Aber jetzt nenne uns mal bitte mehr Informationen.

Du hast einen Prüfling, den steuerst Du auch schon mittels FU an. Was gibst Du dem als Sollgröße, Drehzahl oder auch Drehmoment?
Der Prüfling ist gekoppelt mit einem Belastungsmotor. Mit dem kannst Du den Prüfling belasten indem Du den FU des Belastungsmotors als Drehmomentsteller verwendest. Du kannst natürlich dem Belastungsmotor eine Drehzahl vorgeben, wodurch der Belastungsmotor versucht den Prüfling herunterbremst oder beschleunigt. Bei herunterbremsen wird natürlich auch ein entsprechendes Belastungsmoment erzeugt. Diese Lösung finde ich persönlich aber nicht sehr schön.

Beschreibe also mal Deine Anwendungsfälle. Gibt es auch einen Regler für den Prüfling? Soll auch bei Drehzahl 0 ein Moment anliegen.

 

[oliver.tonn]

OK, vielleicht habe ich teilweise etwas mit Informationen gegeizt, sorry. Dann das Ganze mal etwas ausführlicher. Holt Euch einen Kaffee, das könnte dauern. An einem Motorteststand ist ein Prüfling mit einem Lastmotor verbunden. Dazwischen ist noch ein Drehmomentsensor. Die Lastmaschine wird über einen S120 gesteuert und normalerweise auf Drehzahl oder Drehmoment direkt aus dem S120 geregelt. Ist die Lastmaschine eingeschaltet wird der Prüfling dazu geschaltet. Durch eine Änderung der Drehzahl oder des Drehmoments wird der Prüfling jetzt belastet. Nun soll der Prüfling über die Lastmaschine so belastet werden, dass eine bestimmte (vorgegebene) mechanische Last abgefordert wird, dabei soll die mechanische Last aus der IST-Drehzahl vom S120 und dem IST-Moment vom Sensor errechnet werden. Nun hat sich ein Techniker gedacht, er schreibt da einfach ein Programm mit einem Regler und gut ist. Moment, verdammt, der Techniker bin ja ich und gut ist gar nichts. Ich hatte ein Programm geschrieben wo der CTRL_PID von OSCAT genutzt wird. Solange das Programm kein Startsignal erhält wird der Regler mit RST = TRUE ausgeführt. Nun wird die Lastmaschine auf eine Drehzahl gefahren die minimal unter der Solldrehzahl des Prüflings liegt, dann wird der Prüfling zugeschaltet. Nun wird der Regler dazugeschaltet. Der Regler erhält am Eingang die mechanische Leistung als Soll- und Istwert und gibt am Ausgang einen Wert Y aus. Hier ist jetzt meine erste Frage, was fange ich mit dem Wert an? Ich habe ihn jetzt mal zur aktuellen mechanischen Leistung dazu addiert, was nicht so schlecht aussieht. Ohne I Teil kann ich natürlich nie auf die Zielleistung kommen, das ist klar. Das Ergebnis der Rechnung habe ich dann mit der passenden Formel unter Verwendung des aktuellen Drehmoments in eine neue Solldrehzahl umgerechnet. Hier lauert nun das nächste Problem, sollte aufgrund von großen Schwankungen beim Einstellen der Reglerparameter das Drehmoment ins Negative rutschen würde die Berechnung eine negative Drehzahl ergeben was nicht passieren darf. Hier wäre die Frage wie man am Besten auf diesen Fall reagiert? Die Solldrehzahl auf den vorherigen Wert lassen oder das Drehmoment auf einen sehr kleinen Wert begrenzen, aber das wäre nicht so schön für die Achse.
Dem Prüfling wird nie bei Drehzahl 0 ein Drehmoment abgefordert, immer nur bei > 0.