Jahrbuch 2008 - IALB - Universität Bremen

Beanspruchungsgerechte Regelung elastisch
gekoppelter Mehrmassensysteme
Viele technische Systeme, wie z.B. Produktionsanlagen,
Fertigungsstraßen oder Windenergieanlagen enthalten
Antriebsstränge mit mehreren bewegten Einzelmassen,
die über mechanische Koppelelemente, wie Kupplungen
und Getrieben, etc., elastisch miteinander gekoppelt sind.
Um diese mechanischen Koppelelemente nicht zu großen
dynamischen Beanspruchungen auszusetzen und Schäden
zu vermeiden, werden die Antriebsstränge in der Praxis
nur mit niedriger Dynamik betrieben.
Zur Erzeugung der Bewegung in langsam laufenden Arbeitsmaschinen
werden gegenwärtig überwiegend Getriebemotoren
eingesetzt. Um die geforderten Kräfte bei
einem akzeptablen Gesamtgewicht der Antriebe realisieren
zu können, werden dabei schnell laufende Elektromotoren
mit stark untersetzenden Getrieben kombiniert.
Allerdings weisen Getriebe signifikante Elastizitäten auf,
die die Steifigkeit des Antriebsstrangs beschränken und
ihn zu einem elastisch gekoppelten Mehrmassensystem
machen.
Abb.1: Beispiel eines Mehrmassensystems
Ziel des Forschungsvorhabens am IALB ist es, neue Regelungskonzepte
für elastisch gekoppelte Mehrmassensysteme
zu erforschen, die den Betrieb mit möglichst hoher
Dynamik ermöglichen, dabei aber die Belastungsgrenzwerte
in den Koppelelementen einhalten, so dass eine Beeinträchtigung
der Lebensdauer vermieden wird.
Dazu wird das Torsionsmoment nicht nur zur aktiven
Schwingungsdämpfung zurückgeführt, sondern es wird
zur Regelgröße einer unterlagerten Torsionsmomentregelung
gemacht. Damit eröffnet sich eine Möglichkeit, über
die Form, bzw. Begrenzung des Torsionsmoment–Sollwertes
eine Begrenzung der Belastungen im Getriebe bei
maximaler Dynamik des Antriebsstrangs zu erreichen.
Abb. : Prinzip der Torsionsmoment-Regelung
Für ein elastisch gekoppelte Zweimassensystems ohne
Lose als einfachsten Fall ist eine Torsionsmoment–Regelung
entworfen und simuliert worden.
Der Sollwert für den inneren Regelkreis ist der geforderte
Ruck an der Welle. Der Sollwert wird zunächst auf den
Maximalwert begrenzt und dann über ein Vorfilter auf
eine Zustandsrückführung aufgeschaltet. Diesem inneren
Regelkreis kann nun der Regler für das tatsächliche Torsionsmoment
der Welle überlagert werden. Der Sollwert
des Torsionsmomentes wird dabei ebenfalls auf einen
Maximalwert begrenzt.
Abb. : Simulierte Sprungantwort
Wie zu erkennen ist, können mit diesem Konzept sowohl
das Wellenmoment, als auch dessen Ableitung gezielt
geregelt und begrenzt werden. Damit eröffnet sich eine
Perspektive zur Verbesserung der dynamischen Eigenschaften
von Antrieben mit Getrieben unter Einhaltung
mechanischer Belastungsgrenzen.
Ein großer Vorteil dieses Ansatzes gegenüber einer Führungsgrößen-Formung
liegt darin, dass die Regelung
des Torsionsmomentes nicht nur bei Änderungen der
Führungsgröße greift, sondern auch bei Belastungsänderungen.
Die Torsionsmoment-Regelung wirkt also so auf
das Antriebsmoment, dass auch bei Laständerungen die
maximal zulässigen Werte des Torsionsmoments und seiner
zeitlichen Ableitung eingehalten werden.
IALB Jahrbuch 2008 18