Fehlermodelle und Fehlerkorrektur für Inkrementalgeber bei Servoantrieben

Daaboul, Yaser

Um die hohen Anforderungen bezüglich Dynamik, und Genauigkeit bei Anwendungen von Servoantrieben erfüllen zu können, benötigt der Servoregler hochaufgelöste Lage- und Drehzahlsignale. Diese werden heutzutage überwiegend mit Hilfe von Sinus-Cosinus-Lagegebern realisiert. In der Praxis weisen die Gebersignale jedoch systematische Fehler und Rauschanteile auf. Die systematischen Fehler können grundsätzlich in zwei Kategorien eingeteilt werden: Feinlagefehler und Groblagefehler. Wenn sich das Drehzahlsignal regelungstechnisch im Rückkopplungszweig befindet, wirkt ihr Fehlersignal wie ein zusätzlicher Sollwert. Als Folge können Geräusche und Drehzahlschwankungen entstehen. In dieser Arbeit sind neue Verfahren zur Korrektur der systematischen und stochastischen Fehler entwickelt und untersucht worden, mit denen die Qualität der Korrekturverfahren konstant im gesamten Drehzahlbereich des Servomotors ist, insbesondere bei hohen Geschwindigkeiten. Die Hardware, die mit einer Kombination der DSP- und FPGA-Technik aufgebaut ist, wird für das Identifizieren der systematischen Fehler und für die Verifizierung der Korrekturverfahren eingesetzt. Um eine gleichförmige Bewegung während des Identifizierens der systematischen Fehler zu erreichen, wurde der verwendete AC-Motor mit einer zusätzlichen Schwungmasse an der Motorwelle versehen. Für die Unterdrückung der Groblage- und Feinlagefehler wurde ein zweistufiges Korrekturverfahren untersucht. Die Kompensation der beiden Fein- und Groblagefehler erfolgt durch die gleichen Korrekturtabellen im gesamten Drehzahlbereich. Um die Qualität der Korrekturverfahren bei den hohen Geschwindigkeitsbereichen bzw. die Änderungen systematischer Feinlagefehler mit der Geschwindigkeit verfolgen zu können, werden Multi-Tabellengestützte Verfahren oder Korrekturfunktion eingesetzt. Weiterhin ist ein neues Verfahren zur Unterdrückung des zufälligen Fehlers entwickelt worden. Dieses Verfahren basiert auf der linearen Regression für die Gesamtlage des Motors. Die Effektivität der untersuchten Korrekturverfahren wurde mit dem geschlossenen Geschwindigkeitsregelkreis geprüft. Somit ist das Gleichlaufverhalten im gesamten Drehzahlbereich deutlich verbessert worden. Bei den praktischen Versuchen wird ein Standard-Servo-Asynchronmotor mit optischem Drehgeber verwendet. Die Ergebnisse wurden durch einen Vergleich der gemessenen systematischen Fehler und des Geschwindigkeitssignals mit und ohne Korrekturverfahren dargestellt.

In high performance servo applications the optical encoder is the standard sensor for acquiring high-resolution position and speed signals. In reality, the encoder signals contain systematic errors in addition to superimposed stochastic noise. The systematic errors are classified into two types: coarse and fine position errors. If these errors are not compensated and the speed signal is used as a feedback for the speed control loop, the controller will try to smooth out these errors, thus generating acoustic noise or speed fluctuations. In this thesis, new methods are proposed to compensate the systematic error and reduce stochastic noise with the same performance over the whole speed range of the servomotor especially at high speeds. A hardware based on FPGA and DSP was developed in order to identify the process of the systematic error and to verify the proposed correction methods of the systematic error und stochastic noise. In order to have a uniform motion during the identification of the error, the AC motor is equipped with an additional large inertia (flywheel). Two correction stages are proposed for coarse and fine position errors correction. Compensation of the two errors was performed using the same lookup tables over the whole speed range. To improve the performance at high speeds and for tracking the changes of the fine error as the speed is increased, several correction tables or an error correction function for the fine error were developed. Furthermore, a novel approach to reduce the stochastic noise was proposed. This approach is based on linear regression for the high resolution position. The performance of the proposed correction methods has been proved using a closed speed loop, and the results show an improved smooth running over the whole speed range. The experimental results are based on an induction servomotor, which is equipped with an optical encoder. A comparison between the systematic errors and the speed signal with and without error correction were investigated.

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Daaboul, Yaser: Fehlermodelle und Fehlerkorrektur für Inkrementalgeber bei Servoantrieben. 2017.

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