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Speed Acquisition Methods for High-Bandwidth Servo Drives

Bähr, Alexander :
Speed Acquisition Methods for High-Bandwidth Servo Drives.
[Online-Edition]
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2005)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Speed Acquisition Methods for High-Bandwidth Servo Drives
Language: English
Abstract:

A servo control needs the actual values of speed and position.Usually, the latter is computed from the signals of a position encoder; its 1st derivative is smoothed by a low-pass filter and used as actual speed signal. A number of enhanced and alternative methods is experimentally investigated in this thesis. Based on an equal steady-state behavior, the controlled servo's dynamic stiffness is used as the performance measure. The used setup has a special feature: because of its rather high resonant frequencies (870 and 1280Hz), the encoder's oscillation against the drive can no longer be neglected. The mechanical resonance can be met by using notch filters to damp the resonant frequencies out of the controller spectrum, leading to major improvements. By identifying and modeling the mechanical setup at different levels of precision, observers were designed to provide an alternative actual speed signal, leading to a further improvement; however, active damping was not possible due to the configuration of the resonant system. The use of a state controller allowed active damping, but at the expense of reducing control gain and thus dynamic stiffness. The signals of an optical position encoder show characteristic errors. Using measures to correct those errors, it was tried to improve steady-state speed quality and allow a higher control gain. Two table-based and one on-line adaptive method were investigated. As stated in previous works, the correction of signal records resulted in a considerable error reduction with all methods. However, the improvement due to correction used in the control loop is small, because the loop gain is quite low at the error signals' high frequencies. The use of an acceleration sensor for speed acquisition has the advantage that the signal is integrated instead of derived, reducing noise instead of amplifying it. The improvement in the experiments was only low, because oscillation and not noise is the problem limiting control gain. Another advantage of the acceleration sensor is a much easier fixing compared to the position encoder. By mounting the acceleration sensor at an optimal location concerning oscillation, it is possible to damp the oscillation considerably without any knowledge about the resonant frequencies. The thesis is completed by theoretical investigations of speed quality and dynamic stiffness, investigations of drive-side and load-side behavior and necessary computation power for the investigated algorithms.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Zur Regelung eines Servoantriebs ist die Information über die Istwerte von Drehzahl und Lage notwendig. Üblicherweise wird hierzu aus den Signalen eines Winkelgebers die Lage berechnet; deren 1. Ableitung, geglättet durch ein Tiefpassfilter, wird als Drehzahlsignal verwendet. Eine Reihe von erweiterten bzw. alternativen Verfahren werden in dieser Arbeit experimentell untersucht. Als Vergleichsgröße wird bei gleicher erreichter Drehzahlqualität die dynamische Steifigkeit der Regelung herangezogen. Der verwendete Versuchsstand weist eine wesentliche Besonderheit auf: durch die hohen mechanischen Eigenfrequenzen (870 und 1280Hz) kann die Schwingungsfähigkeit des Gebers gegenüber dem Antrieb nicht mehr vernachlässigt werden. Den mechanischen Eigenschwingungen des Versuchsstandes kann begegnet werden, indem mit Hilfe von Notch-Filtern die fraglichen Frequenzen aus dem Spektrum des Drehzahlsignals ausgeblendet werden. Dadurch ließen sich deutliche Verbesserungen erzielen. Weiter kann die schwingungsfähige Mechanik identifiziert und modelliert werden. Auf Basis unterschiedlich genauer Modelle wurden Beobachter ausgelegt, die eine Alternative zur Drehzahlermittlung darstellen. So wurde eine weitere Verbesserung erreicht; eine aktive Schwingungsdämpfung war jedoch aufgrund der ungünstigen Konfiguration des Mehrmassensystems nicht möglich. Diese kann erst mit einer Zustandsregelung erzielt werden, geht jedoch -bei gleicher erreichter Drehzahlqualität im Gleichlauf- auf Kosten der Regelverstärkung und somit der dynamischen Steifigkeit. Die Signale eines optischen Winkelgebers weisen charakteristische Fehler auf. Mit Hilfe von Verfahren zur Korrektur dieser Fehler wurde versucht, die Drehzahlqualität im Gleichlauf zu verbessern, um eine höhere Regelverstärkung zu erlauben. Zwei tabellenbasierte Verfahren und eines, das die Korrekturdaten in Echtzeit generiert, wurden untersucht. Es konnte zwar bei der Korrektur von aufgenommenen Zeitverläufen -wie in Vorarbeiten beschrieben- mit allen Verfahren eine wesentliche Verringerung des Drehzahlfehlers erreicht werden. Die Verbesserungswirkung bei Einsatz im Regelkreis blieb aber gering, da dieser die im hohen Frequenzbereich angesiedelten Fehlersignale ohnehin weitgehend ignoriert. Bei Verwendung eines Beschleunigungssensors wird dessen Signal zur Berechnung der Drehzahl integriert und nicht differenziert; dadurch verringert sich das enthaltene Rauschen wesentlich. Die Verbesserung im Experiment blieb jedoch gering, da die Schwingungsproblematik des Versuchsstands und nicht das Signalrauschen die Regelverstärkung begrenzt. Ein weiterer Vorteil des Beschleunigungsgebers ist jedoch die einfache Anbringungsmöglichkeit mit geringen Genauigkeitsanforderungen - dadurch ist eine Montage auch an anderen Stellen als der B-Seite des Antriebs möglich. Mit einem an der Kupplung zwischen Antrieb und Lastmaschine angebrachten Beschleunigungsgeber konnten deutliche Verbesserungen erzielt werden, ohne dass dazu eine Kenntnis der Resonanzfrequenzen notwendig ist. Die Arbeit wird abgerundet durch theoretische Überlegungen zu Drehzahlqualität und Steifigkeit, Untersuchungen des antriebsseitigen und lastseitigen Verhaltens sowie zur nötigen Rechenleistung für die untersuchten Verfahren.German
Uncontrolled Keywords: motion control; servo motor; mechatronics; oscillation damping; acceleration sensor; optical position encoder; observer; filter; predictive filter; automation
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
motion control; servo motor; mechatronics; oscillation damping; acceleration sensor; optical position encoder; observer; filter; predictive filter; automationEnglish
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:22
Last Modified: 10 Dec 2012 10:04
Official URL: http://elib.tu-darmstadt.de/diss/000553
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-5534
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Abele, Prof. Dr.- Eberhard
Advisors: Mutschler, Prof. Dr.- Peter
Refereed: 2 December 2004
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/553
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