Reglering av elmotorer

Reglerteknik och reglerkretsen i allmänhet

Grundläggande för reglering av en process är att man har ett önskat börvärde. Därefter behöver man en återkoppling från verkligheten, t.ex. en verklig hastighet eller position. Börvärdet jämförs med det återkopplade värdet och en styrsignal beräknas fram. Denna styrsignal skickas sedan till den process, ev. motor, som man vill reglera.
Exempel från verkligheten: Farthållaren i vår bil är ett bra exempel på hur reglerteknik fungerar i vår vardag. Vi ställer in en hastighet på 110 km/h när vi kör på motorvägen. Internt i bilens dator jämförs detta värde med den faktiska hastighet bilen förflyttar sig med. Styrsignalen som tas fram gör ändringar i bilmotorn för att vi ska forstätta hålla en hastighet så nära 110 som möjligt. Viktigt att notera, vi kommer aldrig att köra exakt i 110 km/h. Hela principen med reglerteknik bygger på att vi har ett fel mellan börvärde och återkopplat värde.

reglerkrets reglerteknik
Grundprincipen för reglering av en process eller motor. Genom att räkna fram felet mellan vårt börvärde som vi vill uppnå och vårt återkopplade värde, det verkliga värdet, så får vi ett fel. Detta fel behandlas i en algoritm som genererar en styrsignal. Styrsignalen skickas därefter till processen eller motorn.

Vridmomentet får en last att röra sig

vridmoment lastmoment
För att få en kropp eller last i rörelse måste vi övervinna det aktuella objektets egna masströghetsmoment.
Den maximala hastigheten i rörelsen hos en last begränsas av:
1) Spänningsgränsen hos servodriven. Det innebär att vid högt varvtal finns inte tillräcklig spänning för att åstadkomma tillräckligt vridmoment.
2) Det med varvtalet stignade lastmomentet (t.ex. friktion)

Momentet, Nm, är linjärt mot störmmen. Det som definierar en motors moment bestäms av rotor, stator och lindningsteknik. Allt kan sammanfattas i en konstant. Moment = Ström * Motorkonstant.
  • Skillnaden mellan drivmomentet, ma, och lastmomentet, mL, accelererar masströghetsmomentet J med (dω/dt)
  • Om ma != mL så kommer drivningen att accelerera tills ma = mL

Momentreglering grundprincip blockschema

blockschema momentreglering
Den innersta reglerkretsen hos en servodrive är momenregleringen, även kallad strömloopen. Denna reglerkrets har den allra kortaste cykeltiden jämfört med varvtalsregleringen och positionsregleringen.
I dagens servodrives finns parametrar för att skydda både elektriska komponenter och maskiner i form av max-värden. Dessa max-värden kan definiera vad servodriften får generera ut till motorn som mest. Ofta är servodriften starkare än både motor och växellåda och om man inte begränsar strömmen, linjärt förhållande till momentet, så kan man t.ex. förstöra växellådan vid alldeles för häftiga accelerationer, d.v.s. för starka strömmar.
  • Vridmomentregleringen av synkron och asnynkronmotorer skiljer sig endast på hur man beräknar flöde och vridmoment
  • Med synkronmotorer måste εRS vara absolut

Momentets reglertid och invängningsförlopp

reglertid insvängningsförlopp
Vårt mål är att på så kort tid som möjligt nå vårt börvärde. Det görs genom att trimma in de tre reglerparametrarna P, I och D. Beroende på lasten och dess mekanik kan detta vara en mer eller mindre utmanande uppgift.
Som specialist inom motion-control och reglerteknik är arbetet i huvudsak att trimma in reglerparametrarna P, I och D så att man så snabbt som möjligt når önskat börvärde utan för stor översläng. P är förstärkning och definierar lutningen på hur fort vi ska nå vårt börvärde. I är integraldelen och minimerar det stationära felet. Utan I-delen kommer vi aldrig att närma oss vårt börvärde. D är derivata delen och ser till framtiden. Derivata-delen försöker hela tiden att rikta in styrsignalen mot börvärdet.
  • Momentets reglertid är den tid det tar från att man lagt ett bördvärdessprång (0 till MN) och till momentets ärvärde nått 95% av märkvärdet MN
  • Reglertiden är beroende av servodröstärkarens dynamik och elektriska parametrar i den använda motorn, ex motorns elektriska tidskonstant

Vridmomentets reglernoggrannhet asynkronmotor

Asynkronmotorns vridmoment är beroende av ett par maskinparametrar som också är temperaturberoende. Det stationära relativa felet i momentregleringen är därför endast ±10%. Vridmomentet driver ca ±1% p.g.a. temperaturändringar.

Vridmomentets reglernoggrannhet synkron servomotor

Synkrona servomotorns moment beror, förutom av isq, också av konstanta maskinparametrar. Det stationära relativa felet är ca ±2%. Momentet driver inte. Med analogt börvärde får man en ökning av felet, 1% relativt och 1% absolut.

Varvtalsregleringens grundbrincip blockschema

varvtalsreglerin hastighetsreglering kaskadkoppling
Varvtalsregleringen kaskadkopplas efter momentreglering i vår reglertekniska struktur. Börvärdet är en hastighet. Ärvärdet är också en hastighet från vår vinkelgivare. Vår beräknade styrsignal är av typen moment, Nm.
Asynkronmotorn, i motsats till synrkonmotorn, kan köras i fältförsvagningsområdet med varvtal som vida överstiger märkvarvtalet.
Noggrannheten i varvtalsregleringen beror på ett par olika mekaniska parametrar. Vinkelgivartypen och driftens masströghetsmoment påverkar noggrannheten i driften. Noggrannheten för resolver och optiska givare beskrivs nedan
  • Resolver: +/-(60/p)*/(1/min) med enkelt masströghetsmoment, (p = antalet polpar)
  • Optisk givare: +/-(2/min) med enkelt masströghetsmoment

Grundprincipen för positionering

positionsreglering kaskadkoppling
Reglerkretsen för positionsregleringen är kaskadkopplad utanför vår varvtalsreglering. Vårt börvärde är en position. Likaså är vårt ärvärde en position. Vår beräknade styrsignal är av typen hastighet, rpm

Framkoppling, även kallat feed-forward

framkoppling feedforward
Framkoppling eller feedforward minimerar eftersläpningsfelet vid börvärdessprång
Eftersläpningsfelet, som uppkommer vid börvärdessprång, reduceras kraftigt med framkoppling av den underlagrade reglerkretsen, eftersom börvärdesbildning sker även innan man fått en regleravvikelse.