Optimierung des dynamischen Verhaltens von linearen Hybridschrittmotoren unter besonderer Betrachtung von Schwingungen und Geräuschen

Weiß, Heiko

Diese Arbeit befasst sich mit der Entwicklung von Methoden zur Reduzierung von Schwingungen und Geräuschen von linearen Hybridschrittmotoren (LHSM). Die Ursachen der Schwingungen und Geräusche sind Kraftschwankungen, die elektromagnetisch durch das Antriebsprinzip bedingt sind. Zunächst werden Methoden für einen herkömmlichen LHSM entwickelt und ausgewertet. Gegenstand der weiteren Untersuchungen ist ein Motor mit variabler magnetischer Erregung, dessen Systemverhalten durch ein physikalisches Modell nachgebildet wird. Dieses Modell dient dann dazu, eine Ansteuerfunktion hinsichtlich eines antriebseffizienten und geräuschreduzierenden Betriebs zu optimieren. Die Ansteuerfunktion wird im positionsgeregelten Betrieb angewendet und zeigt dabei eine Reduzierung der Schwingungen um ein Vielfaches, was zu einer Halbierung der wahrgenommenen Lautstärke führt. Zur weiteren Verbesserung der Betriebseigenschaften werden verschiedene Reglerstrategien entworfen, getestet und diskutiert.

This work addresses the development of methods and controllers to reduce vibrations and noise of a linear hybrid stepper motor (LHSM). The causes of vibrations and noise are force fluctuations resulting from the electromagnetic drive principle. The investigated actuator is a prototype provided by Pasim Direktantriebe GmbH. It is characterized by an additional coil system that allows variable magnetic excitation. This means that the motor can be operated with a constant magnetic excitation as well as with a changing magnetic excitation. These two operating modes are used as a basis for this work in order to achieve possible reductions in vibrations and noise. Three methods are investigated for the constantly excited LHSM, which is to be considered as a standard motor. These include load angle optimization, cogging force compensation and optimization of commutation. Among these methods, the best results, concerning horizontal vibrations of the carriage, can be attained with the optimized commutation. However, a noticeable reduction in noise cannot be achieved using this method. The aim of the variably excited LHSM is to reduce vibrations and noise. For this purpose, the properties of the LHSM that vary with the variable excitation component are exploited to achieve drive-efficient and vibration-reducing operating behavior. This requires modelling of the variably excited LHSM and identification of the associated parameters. Finally, a control function for the variable excitation component is developed on the basis of an optimization problem. The control function is applied in position-controlled operation and shows a multiple reduction of vibrations in all spatial directions. This means that the perceived noise level can be reduced by almost half compared to a motor operated with constant magnetic excitation. In order to further improve the operating characteristics, various controller strategies are developed and tested. For this purpose, the results show that an optimized PID controller with model-based feedforward control is most suitable.

iese Arbeit befasst sich mit der Entwicklung von Methoden und Reglern zur Reduzierung von Schwingungen und Geräuschen von linearen Hybridschrittmotoren (LHSM). Die Ursachen der Schwingungen und Geräusche sind Kraftschwankungen, die elektromagnetisch durch das Antriebsprinzip bedingt sind. Der untersuchte Motor ist ein Prototyp, der von der Firma Pasim Direktantriebe GmbH zur Verfügung gestellt worden ist. Dieser ist durch ein Zusatzspulensystem gekennzeichnet, das eine variable magnetische Erregung ermöglicht. Somit kann der Motor mit einer konstanten magnetischen als auch mit einer sich ändernden magnetischen Erregung betrieben werden. Diese beiden Betriebsmodi werden in dieser Arbeit als Ausgangssituationen verwendet, um damit mögliche Reduzierungen von Schwingungen und Geräuschen zu erzielen. Für den als Standardmotor zu betrachtenden konstant erregten LHSM werden drei Methoden untersucht. Dazu gehören die Lastwinkel-Optimierung, die Rastkraft-Kompensation sowie die Optimierung der Kommutierung. Unter diesen Methoden lassen sich mit der optimierten Kommutierung die Horizontalschwingungen am besten verringern. Wahrnehmbare Lautstärkeänderungen können damit allerdings nicht erreicht werden. Das Ziel des mit variabler Erregung betriebenen LHSM ist ebenfalls eine Reduzierung von Schwingungen und Geräuschen. Zu diesem Zweck werden die sich mit der variablen Erregerkomponente ändernden Eigenschaften des LHSM ausgenutzt, um ein antriebseffizientes und schwingungsreduzierendes Betriebsverhalten zu erhalten. Dafür ist es erforderlich, den variabel erregten LHSM zu modellieren und die dazugehörigen Parameter zu identifizieren. Schließlich wird eine Ansteuerfunktion für die variable Erregerkomponente auf der Grundlage eines Optimierungsproblems entwickelt. Die Ansteuerfunktion wird im positionsgeregelten Betrieb angewendet und zeigt dabei eine Reduzierung der Schwingungen um ein Vielfaches in allen Raumrichtungen. Das führt dazu, dass die wahrgenommene Lautstärke um annähernd die Hälfte gegenüber einem Motor mit konstanter magnetischer Erregung gesenkt werden kann. Zur weiteren Verbesserung der Betriebseigenschaften werden verschiedene Reglerstrategien entwickelt und getestet. Die Ergebnisse zeigen, dass sich für diesen Zweck ein optimierter PID-Regler mit modellbasierter Vorsteuerung am besten eignet.

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Weiß, Heiko: Optimierung des dynamischen Verhaltens von linearen Hybridschrittmotoren unter besonderer Betrachtung von Schwingungen und Geräuschen. Ilmenau 2019.

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