Modellgleichungen auf FPGA

 Projekttitel

Untersuchung und Umsetzung von Algorithmen für die Berechnung von Modellgleichungen der elektrischen Antriebstechnik auf programmierbaren Logikbausteinen

Thematische Stichwörter

• Modellierung, Mess-, Regelungs-  und Automatisierungstechnik, Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen, Antriebsregelung, Hardwareentwicklung.

Kurzbeschreibung/Abstract

In der Antriebstechnik zeichnet sich die Tendenz ab, komplexe Funktionalitäten in Antriebsregler zu integrieren. Zahlreiche erfolgreiche und aus der Literatur bekannte Verfahren arbeiten modellbasiert, wie zum Beispiel Prozesskraftbeobachter oder fortgeschrittene Reglerstrukturen, die auch nachgiebige Strukturen hochdynamisch zu regeln erlauben. Eine besondere Herausforderung stellt die praktische Implementierung dieser Verfahren dar. Insbesondere die Nutzung der speziellen Vorteile von FPGAs (Field Programmable Gate Array), die immer öfter zum Einsatz in den Antriebsreglern kommen, wird aktuell wenig unterstützt.

Im Fokus dieses Forschungsvorhabens steht daher die Schaffung von Methoden zur Umsetzung von modellbasierten Ansätzen der Antriebs- und Steuerungstechnik auf einer FPGA Plattform.

Zunächst werden aus beispielhaften Modellen, die in der Regelungstechnik von elektrisch angetriebenen Achsen zu Einsatz kommen, Musterimplementierungen entwickelt. Sie werden auf die erforderlichen Rechenoperationstypen, Berechnungskomplexität, Genauigkeits- und Zeitanforderungen hin untersucht. Anschließend werden optimale Umsetzungs-Schemata für die dabei verwendeten Algorithmen erarbeitet. Damit werden Methoden geschaffen, die den Aufbau eines Baukastens erlauben, der eine effiziente und performante Umsetzung  modellbasierter Verfahren der elektrischen Antriebstechnik in FPGA ermöglicht. Dieser Methoden-Baukasten wird es zukünftig ermöglichen, die Ergebnisse von zahlreichen Entwicklungs- und Forschungsprojekten im Bereich der Antriebstechnik vorab analysieren und systematisch umsetzen zu können.

Vorgehenswe

• Modelle der Antriebstechnik charakterisieren
• Berechnungsmethoden in einzelne Algorithmen zerlegen
• Anforderungen der Antriebstechnik auf die Algorithmen projizieren
• Algorithmen unter Berücksichtigung der Anforderungen der  Antriebstechnik in FPGA realisieren

 Zu untersuchende beispielshafte Verfahren

• Prädiktive Regelung (MPC)
• Geberlose Regelung auf Basis des Grundwellenmodells
• Kalman-Filter (modellbasierte Verbesserung der Messsignale)
• Prozesskraftbeobachter
• Achsübergreifende Regelung

Das Forschungsvorhaben hat das Ziel, die Produktivitätssteigerung von Werkzeugmaschinen durch die Verbesserung der Antriebseigenschaften zu ermöglichen. Dazu eignen sich am besten die modellbasierten Verfahren der Antriebstechnik. Nach Projektende werden die Methoden geschaffen, diese Verfahren schnell und vor allem effizient auf FPGA zu realisieren. Dadurch wird den Forschern und Entwicklern die Möglichkeit gegeben, neue modellbasierte Verfahren der Regelung, Beobachtung und Systemidentifikation zu erproben, ohne sich tief in die Hardware einarbeiten zu müssen. Die beispielhaft implementierten modellbasierten Beobachter können direkt weiterverwendet werden. Des Weiteren können auf der Basis dieser Realisierungen und unter Verwendung der Projektergebnisse erweiterte Reglerstrukturen wie z.B. erweiterte Kalmanfilter oder robuste MIMO-Regelung realisiert werden. Die in der Literatur bekannten Beobachtungs- und Regelverfahren können nun schnell und einfach in der Praxis umgesetzt werden.

Ferner werden im Projekt die Anforderungen an die Modelle der Antriebstechnik definiert. Da diese Definition allgemeingültig ist, wird dadurch die Implementierung beliebiger neuer antriebstechnischer Modelle erleichtert.

Ansprechpartner

• Dipl.-Ing. I. Laptev