Gegenstand der Arbeit sind Entwicklungsarbeiten an einem linearen Direktantriebs-Positioniersystem mit Luftlagerung für Die Bonding Maschinen. Es handelt sich bei diesem Antrieb um eine Neuentwicklung, welche bei kurzen Positionierzeiten und hoher Positioniergenauigkeit die zeitliche Konstanz gegenüber einer bisher eingesetzten Antriebslösung erhöhen soll. Die Untersuchungen und Optimierungsarbeiten werden an einem Prototyp-Positioniersystem durchgeführt.Ausgehend von den physikalischen Grundgleichungen wird das mathematische Modell des Positionierantriebes hergeleitet. Das Modell wird gemäss den im Bereich hochdynamischer Positionierantriebe vorherrschenden Randbedingungen angepasst und vereinfacht. Hieraus ergeben sich geeignete und handhabbare Modelle für den Regelungsentwurf.Im weiteren Rahmen der vorliegenden Arbeit wird das inkrementelle Vorgehen vom reinen Zustandsregler bis zur Realisierung der endgültigen Regelstruktur dargestellt. Die Richtigkeit der theoretischen und simulativ ermittelten Ergebnisse wird anhand messtechnischer Untersuchungen am realen Positioniersystem überprüft.Der luftgelagerte Direktantrieb weist eine vernachlässigbare Dämpfung auf. Um ein gutes Regelungsverhalten zu gewährleisten, ist die Rekonstruktion der Geschwindigkeit aus der Position notwendig. Die Geschwindigkeitsermittlung mittels Differentiation ist nahezu unmöglich, falls die Messsignale noch hohe Rauschanteile aufweisen. Die Einführung eines Tiefpassfilters im Rückführzweig der diskret differenzierten Geschwindigkeit geht auf Kosten der Beschleunigungsfähigkeit des Systems. Der Beobachter zeigt sich als vorteilhafte Alternative zur Nachbildung der Systemvariable Geschwindigkeit.Für den Anwender spielen nebst den technischen Eigenschaften die wirtschaftlichen Aspekte eines Antriebssystems eine wichtige Rolle.

Im Rahmen dieser Diplomarbeit wurde am TWI ein Programm für die Firma ABB Industrie AG entwickelt, das die Netzrückwirkungen von Stromrichtern berechnet. Auf den Ideen der vorangegangenen Projektarbeit aufbauend, wurden zwei völlig unterschiedliche Berechnungsmethoden verwendet. Bei der einen Methode werden die Differentialgleichungen für die einzelnen Abschnitte (Thyristoren leiten voll oder kommutieren) numerisch gelöst. Die andere Methode benützt ein Verfahren aus der Nachrichtentechnik, die sogenannte Modulationsmethode, bei welcher der Strom in den Zuleitungen mit Hilfe einer Konverterfunktion aus dem Gleichstrom berechnet wird.

Bei der Lösung mit der DGL-Methode können 6-pulsige und 12-pulsige Schaltungen (auch mit Überlappungswinkel > 30) simuliert werden. Mit der Modulationsmethode können 6-pulsige Schaltungen simuliert werden. Gewisse Spezialfälle von 12-pulsigen Schaltungen können auch berechnet werden. Es ist zu beachten, dass die 12-pulsigen Anlagen der Firma ABB Industrie AG keine Saugdrosseln enthalten.

Vergleichsmessungen mit einer Anlage am TWI zeigten keine system- oder berechnungstypischen Abweichungen zu den Simulationen. Die absoluten Werte weichen im max. um 5% voneindander ab. Der Vergleich der prozentualen Werte zeigt einen maximalen Unterschied von 1.5%.

Für den Benützer wurde eine einfach zu bedienende Oberfläche geschaffen, von welcher er alle wichtigen Eingaben tätigen kann. Alle Programme sind im Mathematikprogramm Matlab entwickelt worden.

Weiter wurde eine Funktion entwickelt, welche Parameter in bestimmten Grenzen variieren kann und jeweils die Fourierkoeffizienten berechnet. Die Ausgabe besteht aus den normalen, den maximalen und minimalen Werten der Koeffizienten jeder Ordnungszahl.

Beim Elektromechanischen Positioniersystem EMPS wurde die starre Kupplung zwischen Motor und Linearachsenspindel gegen eine elastische Kupplung ausgetauscht. Weiter kann der Schlitten der Linearachse mit Gewichten versehen werden. Es sind im Rahmen dieser Diplomarbeit alte Lösungen zu verbessern und mit diesem neuen System verschiedene Aufgaben zu lösen gewesen.

Die Geschwindigkeitsregelung war in der vorangegangenen Projektarbeit mit einem PI-Regler realisiert worden. Der Integrator des Reglers integrierte weiter, wenn das Stellsignal des Reglers in die Begrenzung lief.Wir haben eine Möglichkeit gefunden, mit Hilfe einer anti-reset-windup-Schaltung, dieses Problem in den Griff zu bekommen.

Da das System mit elastischer Kupplung im Bodediagramm bei einer bestimmten Frequenz eine starke Überhöhung aufweist, mussten für diesen Fall neue Regler ausgelegt werden.

Zum einen entwickelten wir einen kaskadierten Positionsregler. Dem unterlagerten PI-Geschwindigkeitsregler wurde ein Notchfilter vorgeschaltet. Zum anderen entwarfen wir einen Zustandsregler mit einem Reduzierten Beobachter zur Schätzung der nicht messbaren Zustände.

Da der Schlitten der Linearachse neu mit Gewichten beladen werden kann, ist es nötig, eine Adaption des Positionsreglers vorzunehmen, damit dieser für den jeweiligen Arbeitspunkt möglichst optimal eingestellt ist.

Wir haben dazu ein Verfahren zur dynamischen Lastmessung entwickelt, welches uns ohne zusätzliche Hilfsmittel, jeweils beim Beschleunigen des Schlittens, das Trägheitsmoment der Last bestimmt.Weiter haben wir einen Adaptiven Regler entwickelt mit Parameteradaption für unterschiedliche Lasten. Dabei wurden interessante Lösungen mit fuzzygesteuerter Adaption entwickelt.