B&R High Precision Motion Control: Mit Präzision zum perfekten Druckbild

Für hochdynamische und präzise Prozesse müssen Bewegungen sehr schnell und exakt gesteuert werden. Mit seiner kurzen Abtastzeit von 50 µs eignet sich der B&R-Servoverstärker ACOPOS P3 besonders gut für fortschrittliche Regelungsfunktionen wie High Precision Motion Control.

Dr. Engelbert Grünbacher
Teamleiter Firmware-Entwicklung Motion bei B&R.

„High Precision Motion Control ermöglicht ein perfektes Druckbild bei modernem Hochgeschwindigkeitsdruck. Der neue B&R-Servoverstärker ACOPOS P3 eignet sich ideal für High Precision Motion Control. “

Für eine hohe Druckqualität bei Flexodruckwerken ist entscheidend, dass die Materialbahn auf dem Gegendruckzylinder und das Klischee auf dem Druckzylinder perfekt synchronisiert sind. Die Positionierung am Druckspalt muss hochgenau umgesetzt werden. „Bei bisherigen, starren Druckwerken waren die Informationen des Motorgebers ausreichend, um den Druckprozess zu regeln“, erklärt Dr. Engelbert Grünbacher, Teamleiter Firmware-Entwicklung Motion bei B&R.

Für moderne Druckmaschinen werden immer häufiger leichte Materialien und materialarme Konstruktionen eingesetzt. Bei den dadurch entstehenden elastischen Systemen ist die Motorposition im Betrieb nicht vollständig synchron mit der Zielposition am Druckspalt. Zudem wirken sich Störungen oder Vibrationen stärker auf das Druckbild aus.

Um diese Fehlerquellen zu minimieren, bieten die Servoverstärker von B&R mit High Precision Motion Control eine neue Art der Antriebsregelung. „Darunter verstehen wir drei Technologien: virtuelle Sensorik, modellbasierte Regelung und vorausschauende Störungsunterdrückung“, sagt Grünbacher. Jede dieser Funktionen kann unabhängig von den anderen eingesetzt und parametriert werden. Der neue B&R-Servoverstärker ACOPOS P3 eignet sich ideal für High Precision Motion Control. Seine kurze Abtastzeit von 50 µs ermöglicht die hochpräzise Umsetzung der fortschrittlichen Regelungsfunktionen.

Die modellbasierte Regelung mit Feedforward- und Feedback-Teil gliedert sich in den kaskadierten Standardregelkreis ein.

Störungen aktiv unterdrücken

Da das Klischee den Druckzylinder nicht nahtlos umschließt, entsteht eine Lücke. Dieser sogenannte Zylinderkanal erzeugt ein positionsfestes Störmoment, das in einem Schleppfehler resultiert. Auch das Druckprofil selbst kann Störmomente erzeugen. „Durch optimales Parametrieren des Antriebsreglers können solche Schleppfehler zwar minimiert, die Störung aber nicht vollständig vermieden werden“, betont Grünbacher.

Mit der Funktion Repetitive Control wird das Störmoment prädiktiv, also vorausschauend, kompensiert. Diese adaptive Methode zur aktiven Unterdrückung periodischer oder positionsfester Störungen steht in allen B&R-Servoverstärkern der Reihen ACOPOS P3 und ACOPOSmulti zur Verfügung. Das Störmoment wird aufgezeichnet, analysiert und anschließend über das Motormoment kompensiert. Die Kompensation erfolgt automatisch. Daher lässt sich der Schleppfehler ohne Parametrieraufwand und ohne mathematisches Modell minimieren. Das resultiert in einer stabileren Drehzahl und einem besseren Druckbild.

Durch modellbasierte Regelung wird die Schwingneigung eines flexiblen Systems wesentlich reduziert.

Zielposition virtuell messen

Die Unterdrückung periodischer Störungen setzt voraus, dass die Zielposition mit hoher Auflösung bestimmt werden kann. In flexiblen Systemen war das bisher nur mit einem zusätzlichen Sensor möglich. Durch virtuelle Sensorik ergeben sich nun neue Lösungsmöglichkeiten.

Unter einem virtuellen Sensor versteht man die Berechnung schwer messbarer Systemgrößen aus leicht messbaren Systemgrößen unter Verwendung eines Systemmodells. „Im Fall eines direkt angetriebenen Druckzylinders kann vereinfacht von einem 2-Massen-System ausgegangen werden“, erklärt Grünbacher. „Dabei sind Motor und Druckzylinder über eine Welle miteinander gekoppelt. Für die Berechnung wird angenommen, dass die Welle flexibel und masselos ist. In der Welle wird ein drehwinkelproportionales Wellenmoment erzeugt.“

Motordrehzahl und Motorposition sind leicht messbar, zudem ist das Motormoment bekannt. Werden aus den bekannten Größen die schwer messbaren Zustandsgrößen (Lastdrehzahl und Lastposition) berechnet, so handelt es sich um einen virtuellen Lastpositions-Sensor.

Für eine hohe Druckqualität bei Flexodruckwerken ist entscheidend, dass die Materialbahn auf dem Gegendruckzylinder und das Klischee auf dem Druckzylinder perfekt synchronisiert sind.

Antrieb hochdynamisch regeln

Mit einem virtuellen Sensor wird die Zielposition ohne reale Messung ermittelt. Dadurch können periodische oder positionsfeste Störungen gut unterdrückt werden. Dies gilt jedoch nur für quasi-stationäre Vorgänge. Oft muss ein Antriebssystem in der Druckindustrie hochdynamischen Anforderungen genügen. „An dieser Stelle kommt die modellbasierte Regelung zum Einsatz“, so Grünbacher.

Eine hochdynamische Regelung für flexible Systeme setzt sich aus einem modellbasierten Feedforward- und einem Feedback-Teil zusammen. Diese können je nach Anwendung unabhängig voneinander oder in Kombination verwendet werden. Die modellbasierte Regelung gliedert sich in den meist verwendeten kaskadierten Standardregelkreis ein.

Der modellbasierte Feedbackregler beinhaltet einen virtuellen Sensor sowie einen Zustandsregler. Dieser berücksichtigt den gesamten Streckenzustand bestehend aus Motorposition, Motordrehzahl, Lastposition und Lastdrehzahl. Dadurch ist es möglich, Torsionsschwingungen zu erkennen und aktiv zu unterdrücken. Die Schwingneigung eines flexiblen Systems wird dadurch wesentlich reduziert. „Die Beeinträchtigung der Druckqualität durch diese Störmomente wird minimiert“, verdeutlicht Grünbacher.

Schwingungen verhindern

Schwingungen können nicht nur als Folge einer Störung am Umfang auftreten, sondern auch in Folge einer schnellen Änderung des Sollprofils. Auch dabei führt die modellbasierte Regelung zu wesentlichen Verbesserungen: Auf Basis des mathematischen Models wird das Motormoment so geregelt, dass die Zielposition ohne Schwingung der Wunschposition folgt. Die Wunschvorgabe wird mit höchster Dynamik umgesetzt. Die B&R-Servoverstärker ACOPOS P3 und ACOPOSmulti bieten mit High Precision Motion Control ein breites Spektrum an Werkzeugen, mit denen hohe Performance auch bei flexiblen Antriebssystemen möglich wird. Dadurch können Druckmaschinen noch schneller und präziser arbeiten.