CN101772744A - 由多个驱动装置组成的驱动设备以及用于总驱动装置的调节装置 - Google Patents

Abstract

本发明的任务在于，在具有大功率并且同时对精度或者动态性能具有高要求的、转速被调节的传动装置中，降低用于功率电子装置(高时钟频率)、电动机(高精密度)和机械传动(几乎无间隙的传动元件)的很高耗费。为此，提出了一种用于旋转类型和/或平移类型的运动的驱动设备。该驱动设备具有多个用于共同地、机械耦合地驱动一工作机械或者用于使一物质运动的驱动装置(10，20；30，34，34′，40)。此外，该驱动设备还具有一控制装置(24，14；44，44′)。至少一个驱动装置(10；34)被设置用于提供功率(作为功率驱动装置，10，30)。设置和机械耦合了作为调节驱动装置的、用于对总驱动装置的精度和/或动态性能进行控制或调节的至少一个另外的传动装置(20，40)。控制装置(24，14)对所述至少两个机械耦合的驱动装置(10，20)进行控制和调节。

Description

由多个驱动装置组成的驱动设备以及用于总驱动装置的调节装置

技术领域

本发明涉及一种用于旋转类型和/或平移类型的运动的驱动设备。该驱动设备具有多个驱动装置，尤其是用于共同驱动工作机械的装置或者用于使物质运动的装置，该驱动设备还具有一个控制装置。优选地，两个装置被耦合作为驱动装置。以下只要出现数字“两”，该数字就是以上所述多个驱动装置/装置的同义词。

背景技术

在现有技术中，在要求很高的情况下，使用直接驱动装置、例如直线电动机，以便消除机械传动的间隙和弹性。该高耗费尤其出现在直线驱动装置和慢速旋转的直接驱动装置中。除了高成本之外，所述驱动装置还具有大的体积和低的效率。

如今，在许多高精度的旋转运动的应用中，也使用机电的驱动装置。为了向工作机械提供所要求的小的转速，使用具有几乎无间隙的行星齿轮传动装置的电动机-传动装置组合，该电动机-传动装置组合是为了所要求的精度而设计的。

在通过传动装置间隙(Getriebelose)、传动带或者链条的弹性所产生的机械剩余误差过大的场合，如前所述，使用直接驱动装置。目前，为了实现机械的精密驱动装置，例如使用了以下用于改进精度的措施。

几乎无间隙的传动装置通过小公差的啮合元件和无齿隙的离合器，例如片式离合器、金属波纹管联轴器实现小的角度误差。

扭转刚性的传动元件和传动装置，例如行星齿轮传动装置、厚壁的壳体，提高可达到的增益并且必要时也达到小的角度误差。

直接驱动装置，例如慢速旋转的同步电动机避免通过机械传动所产生的误差。

当今的解决方案的共同点在于，所述驱动装置必须被设计用于全功率和所要求的精密度。由此使得驱动装置变得昂贵。尤其在大功率的情况下，所描述的措施成本巨大。一个另外的问题在于生产中的可靠的实现，例如在大转矩情况下，对用于几乎无间隙的传动装置的精密的啮合部件的选择是受到限制的。

发明内容

本发明的任务在于，在具有大功率并且同时对精度或者动态性能具有很高要求的、转速被调节的驱动装置中，降低用于功率电子装置(高时钟频率)、电动机(高精密度)和机械传动(几乎无间隙的传动元件)的非常高的耗费。

权利要求1或28提供了一种解决方案。至少一个驱动装置用于提供功率(功率驱动装置)，以及至少一个驱动装置用于调节精度和/或动态性能(调节驱动装置)。控制和调节装置控制和调节所述至少两个，尤其是多个驱动装置。

因此，本发明包括一个至少双驱动装置以及一个用于双驱动装置的调节装置，该双驱动装置由两个并行工作的、转速可变的驱动装置组成。在此，一个驱动装置负责低成本地提供功率，而另一驱动装置负责总驱动装置的精度。

在有很高要求的情况下，在现有技术中使用直接驱动装置，例如直线电动机，以便消除机械传动的间隙和弹性。该高耗费尤其出现在直线驱动装置和慢速旋转的直接驱动装置中。除了高成本之外，所述驱动装置还具有大的体积和低的效率。采用本发明可以解决这个问题。

所述总驱动装置由(至少)两个分离的驱动装置(驱动方案)组成。所述至少一个第一驱动装置(功率驱动装置)对于低成本地提供大功率是最优化的，例如通过用于变频器的、例如直至仅2kHz的小的开关频率，无传感器的运行，简单的电动机-例如具有标准转速的交流异步电动机，具有标准间隙的、用于使电动机转速与工作机械的转速相匹配的标准传动装置，用于将旋转运动转换为直线运动的齿形带。所述至少一个第二驱动装置(调节驱动装置)负责所述运动的精度。该至少一个第二传动装置补偿所述功率驱动装置的误差。

为了补偿，仅需要小的功率，从而能够成本低地构造调节驱动装置。对于不同驱动装置的计算表明，所述调节驱动装置需要总功率的大约5％。所述两个驱动装置的共同作用是通过调节装置来进行，该调节装置测量所述功率驱动装置的误差并且控制用于补偿的所述调节驱动装置。这可以例如采用一个具有两个实际值输入端的伺服调节器来实现。

因此得到了以下有益效果。

在大驱动功率的情况下，可以通过由变流器、电动机和传动装置组成的成本低的机电驱动装置，例如通过可供使用的装置8200、MDEMA、GST、GKS来提供绝大部分的功率。小得多的伺服驱动装置提供精度和动态性能。在此，所述伺服驱动装置能够承担全部的给定值处理和调节以及向所述变流器提供给定值。

为了调节，使用一个相匹配的调节结构和两个实际值输入端，如它们在使用中的Lenze公司的驱动调节器ESC、9300或9400中存在的那样。总而言之，因此由标准组件得到了一种成本低并且轻便的驱动装置，该驱动装置的特性可以与昂贵并且沉重的直接驱动装置的性能相比较。根据本发明，高要求的驱动任务可以借助由标准组合构成的、成本低的组件来解决。

作为“双机器”(在多重驱动装置的意义上)的驱动装置由一个用于提供功率的、成本低的驱动装置和一个用于提供精度的、小的驱动装置组成。总而言之，得到了精确的驱动装置的解决方案，该驱动装置由成本低的标准组件组成，例如

●具有齿形带的直线驱动装置，以取代直线电动机。

●具有标准传动装置的驱动装置，以取代直接驱动装置或者高精度的机器人传动装置。

与常规的直接驱动装置的解决方案(如开头所描述的)相比，所述驱动装置(由两个或多个装置组成的双驱动装置)具有显著的优点：

●更低的成本(在例子中大约低50％)

●更小的重量(在例子中大约轻50％)

●由标准程序的、可获得的组件组成的功率路径结构

可使用多个第一驱动装置和/或多个第二驱动装置。所要求保护的是一种驱动设备和这样一种用于通过多个电动机来共同驱动一个“负载”的方法。在此，负载的概念应一般地理解为物体，该物体进行由所述驱动装置引起的运动(权利要求10)。

在此，精密度应理解为以下特性的一个特性或多个特性：驱动装置相对于干扰量和负载跃变的高刚度，具有高极限频率的快速调节，小的角度误差(或者在直线运动时的路径误差)，例如通过传动装置间隙、离合器间隙、调节偏差引起的误差。

用于旋转类型和/或平移类型的运动的所述驱动设备的所述控制装置或者由该控制装置执行的控制方法(权利要求28)控制和调节所述至少两个驱动装置。

所述调节驱动装置获得用于整个驱动装置的速度给定值(v，ω)与所述功率驱动装置的或者用于该功率驱动装置的传感器(或者观察器)的实际值之间的一个差值作为给定值(权利要求29)，其中，该差值乘以一个系数并且被作为给定值预先给予所述调节驱动装置。因此能够促使所述调节驱动装置完全地补偿，至少基本上补偿所述功率驱动装置(10)的旋转类型的误差和/或平移类型的误差。

所述驱动设备设有多个用于共同驱动一个工作机械或者用于使作为“负载”的物质运动的驱动装置。至少一个驱动装置实现功率的提供(功率驱动装置)。至少一个驱动装置作为调节驱动装置对机械精度和/或所要求的动态性能进行跟踪。采用所述控制装置来控制和调节所述至少两个驱动装置。

除了电机(电驱动装置)之外，所述驱动装置包括气动驱动装置、液压驱动装置、具有内燃机或者流体机械的驱动装置或者这些驱动装置的组合，尤其是装配有机械传动装置、液压传动装置或者耦合单元。

独立权利要求的特殊变形或者具体化如下。

优选地，所述驱动装置至少部分地具有电动机，这些电动机分别由功率电子装置馈电。至少一个功率传动装置为带齿轮传动装置电动机(Getriebemotor)。

所述驱动装置中的至少一个可以被构造为制动器，尤其被构造为具有一个在制动斩波器上馈电的变流器的电动机。至少一个功率驱动装置可以是一个气动缸或者液压缸。

所述至少一个调节驱动装置可以优选地是一个电动机或者直线电动机，尤其至少部分地装配有一个或多个永磁铁。

从旋转运动类型到直线运动的转换可以通过一个连杆、一个齿条、一个齿形带或者一个丝杠来进行。

可以设置一个弹性的联接元件，以便使所述至少两个驱动装置分别与所述工作机械或者所述物质进行耦合，该联接元件尤其作为空心轴或者从轴向的两端来从所述至少两个驱动装置，即功率驱动装置和调节驱动装置空间分离地引入驱动力。

多个调节驱动装置也可以对所述至少一个功率驱动装置进行控制，尤其是其方式为由所述调节驱动装置中的一个调节驱动装置机械地操作液压驱动装置或者气动驱动装置的至少一个阀。

在所述至少一个功率驱动装置上可以存在至少一个用于对所述功率驱动装置的运动进行测量的传感器，其中，在所述至少一个调节驱动装置上也可以存在一个用于对所述调节驱动装置的运动进行测量的传感器。可以通过一个观察器来代替或者补充所述运动传感器中的至少一个。

一个调节单元分析所述(至少一个)功率驱动装置的运动并且使用该信号来控制所述(至少一个)调节驱动装置，优选地，这是通过一个设置在所述功率驱动装置的轴附近的运动传感器实现的。一个另外的调节单元分析所述调节驱动装置的运动并且调节该调节驱动装置。

所述用于运动测量的传感器优选是测速发电机、旋转变压器、加速度传感器、光学增量传感器、磁性增量传感器、光学绝对值传感器或者磁性绝对值传感器，优选地设置在所述功率驱动装置的轴上或者设置在所述功率驱动装置附近。

所述调节单元可以用线性的参量或者非线性的参量工作，尤其是与一个观察器一起工作或者与一个状态调节器一起工作。所述调节单元的参数被有利地这样选择，使得在一个确定的频率范围内几乎完全地补偿所述(至少一个)功率驱动装置的误差。但是，所述调节单元的参数也可以这样选择，使得在一个给定的频率范围内至少基本上补偿所述(至少一个)功率驱动装置的误差。

所述调节单元对作为所述至少两个驱动装置的所述(至少一个)功率驱动装置和所述(至少一个)调节驱动装置进行控制。

可以建立结构单元：所述功率驱动装置和所述调节驱动装置可以组合成一个这样的结构单元。所述调节驱动装置和所述调节装置可以组合成一个这样的结构单元。所述功率电子装置和所述调节单元可以组合成一个这样的结构单元。或者所有组件可以组合成一个结构单元。

附图说明

借助实施例来说明和补充本发明，其中，需要说明的是，以下说明涉及本发明的优选实施例的描述。

图1示出了一个具有双驱动装置的直线驱动装置的框图。

图1a为图1的略图，其中，整个驱动装置被划分为两个子驱动装置。一个子驱动装置10，即功率驱动装置，用于提供所需要的机械功率。第二子驱动装置20，即调节驱动装置，用于纠正所述功率驱动装置留下的误差。

图2示出了一个具有多重驱动的滚筒驱动装置的框图；

图3示出了一个放大的调节电路，其中，左边的驱动装置10受到控制并且右边的驱动装置20受到转速调节。该调节电路也可以用于其他方案，如图2所示的方案。

图4示出了用于选择一个直线驱动装置的驱动方案的例子。

图5示出了一个常规的直接驱动装置的组件汇总。

图6示出了双驱动装置和常规的驱动装置的价格比较。

图7示出了在一个功率驱动装置中，给定转速的时间变化曲线、实际转速的时间变化曲线以及转速偏差的时间变化曲线。

图8示出了在一个具有调节驱动装置参与的双驱动装置中，给定转速的时间变化曲线、实际转速的时间变化曲线以及转速偏差的时间变化曲线。

图9示例性地示出了一个具有传动装置间隙的滚筒驱动装置，用于在功率大于20kW的情况下说明图7和图8。功率驱动装置是一个具有变频器的带齿轮传动装置交流电动机。传动装置通过一个具有刚度C_LA的、扭转弹性的轴驱动滚筒。该轴与一个旋转传感器相连接。物理值被给出。

具体实施方式

借助一个直线驱动装置来说明所述结构。以下附图示出了所述驱动设备的结构，参见具有调节单元的图1和图3。

功率驱动装置10具有一个变频器11、一个交流电动机12和一个传动装置13。控制装置14控制变流器11。该控制装置14获得给定值V_soll作为调节量。传动装置为一直线运动v驱动齿形带Z。由于传动带预应力，齿形带无间隙地与齿形带轮连接。与该齿形带轮相连接的是一个旋转传感器(Drehgeber)TX或者25。可替换地，该旋转传感器能够通过一个自己的轮无间隙地与所述齿形带相连接。

调节驱动装置20驱动所述齿形带的另一端上的齿形带滚轮。该调节驱动装置20由一个具有伺服电动机22和变流器21的转速可调的伺服驱动装置组成。调节装置24由旋转传感器26控制。该旋转传感器与电动机22耦合。在调节装置24中设有作为n-调节器的调节器24’。该调节装置也包括经过系数A和减法器的给定值的预给定，调节器24’本身仅是按照图1的函数“n-调节器”，例如作为通用的积分调节器或者PI调节器或者(简化的)二阶低通滤波器。

所述调节驱动装置获得用于整个驱动装置的速度给定值V_soll与在功率驱动装置10的齿形带滚轮上的传感器TX或25的实际值V_List之间的一个差值V_diff作为给定值。该差值与一个系数A相乘，并且被作为给定值给予调节驱动装置20，从而使得该调节驱动装置完全地，至少几乎或者基本上补偿所述功率驱动装置的误差，参见图3。

在图2中示出了一个具有一个印刷滚筒90和用于负载驱动装置和调节驱动装置的两个驱动端的滚筒驱动装置的框图。功率驱动装置30由两个带齿轮传动装置电动机34、34’组成。这两个带齿轮传动装置电动机中的每一个由一个交流电动机32、32’和一个附属的传动装置33、33’组成。每个电动机32、32’由一个被控制器44’控制的变频器31馈电。传动装置33、33’中的每一个的机械耦合分别通过一个扭转弹性的空心轴实现，这两个空心轴位于印刷滚筒90的一侧和在轴向上相对的另一侧。每个扭转弹性的空心轴具有一个刚度。用于传动装置33的空心轴的刚度为C_CL1，而用于传动装置33’的、相对的空心轴的刚度为C_CL2。

旋转传感器TX或者45与所述一个空心轴耦合。该旋转传感器将关于转速和/或必要时也将关于位置(在该实施例中为旋转位置或者角度)的信息输出到随后的调节电路。

图中的右边设置了一个调节驱动装置40。所述调节驱动装置具有一个电动机42和一个向该电动机馈电的变流器41。所述调节驱动装置通过电动机42驱动一个轴。该轴具有扭转刚度C_CR。调节驱动装置40不具有传动装置，但是与一个另外的旋转传感器46耦合，该旋转传感器将转速和/或必要时也将位置作为输出信号输出到调节电路44。该调节电路被构造用于通过一个转速调节器来控制变流器41。

调节驱动装置40获得来自调节器44的调节信号。调节器44获得一个与(用于整个驱动装置的)转速给定值n_soll与传感器45的实际值n_ist之间的差值成比例的值作为给定值n_diff。因为传感器45被耦合到所述功率驱动装置的空心轴上，所以所述实际值被称为n_List。通过将所形成的差值与一个放大系数A(大于或者小于1)相乘，产生比例关系A*n_diff作为调节器44的给定值。

根据该电路结构得到了对调节驱动装置40的调节，从而使得调节驱动装置几乎完全地补偿所述功率驱动装置，在这里为两个功率驱动装置34、34’的误差。在此，所述控制装置包括调节器44和控制器44’，该控制装置控制至少两个装置42、34，在此也控制一个第三装置34’。

在图2的左上方可见，所述功率驱动装置的控制器44’是通过变流器31实现的并且同样受(用于整个驱动装置的)转速给定值n_soll的控制。

计算表明，所述调节驱动装置所消耗的功率不大于所述功率驱动装置的功率的5％～10％。因此，所述调节驱动装置是小的和成本低的。

直线驱动装置的例子

具有以下数据的一个直线驱动装置的具体的例子说明了相互关系，参见图4。

采用该双驱动装置，所述总驱动装置获得了与通过无传动装置的直接驱动装置将65kW的大功率传输到齿形带上时大致相当的性能。

调节

为了使所述调节驱动装置能够完全地补偿所述功率驱动装置的误差，恰当地选择放大系数A。在直线驱动装置的例子中，可以求得该放大系数A。

由变流器、电动机和传动装置组成的所述功率驱动装置具有非线性的传递函数L，由变流器、电动机和调节装置组成的所述调节驱动装置具有线性的传递函数R：

${\underset{\‾}{n}}_{\mathrm{List}}=\underset{\‾}{L}\·\frac{i\·p}{\mathrm{\π}\·D_L}\·\frac{1}{i\·p}\·{\underset{\‾}{v}}_{\mathrm{soll}}$

(注意：尽管存在非线性关系，但对复杂的表述进行了简化)

${\underset{\‾}{n}}_{\mathrm{Rist}}=\underset{\‾}{R}\·\frac{1}{\mathrm{\π}\·D_R}\·\underset{\‾}{A}\·({\underset{\‾}{v}}_{\mathrm{soll}}-{\underset{\‾}{v}}_{\mathrm{List}})$

物质m的速度v由通过齿形带的、两个驱动装置的耦合从两个转速的叠加中得到。

v＝C _CL·π·D_L·n _List+C _CR·π·D_R·n _Rist

在此，C _CL和C _CR为齿形带轮与物质m之间的传递函数。

为了补偿所述功率驱动装置的误差，按以下方式选择放大系数A：

$\underset{\‾}{A}=\frac{{\underset{\‾}{C}}_{\mathrm{CL}}}{{\underset{\‾}{C}}_{\mathrm{CR}}}\·\frac{1}{\underset{\‾}{R}}$

采用该放大系数完全地调整了所述功率驱动装置的误差。在此，当仅观察有限的频率范围时，所必需的放大是有限的：

$\underset{\‾}{A^{\′}}=\frac{{\underset{\‾}{C}}_{\mathrm{CL}}}{{\underset{\‾}{C}}_{\mathrm{CR}}}\·\frac{1}{\underset{\‾}{R}}$ 在范围ω＝0...ω_grenz中

所述功率及调节驱动装置与所述物质之间的传递函数是根据当前的位置由齿形带弹性得到的。齿形带弹性、质量和阻尼给出如下传递函数：

${\underset{\‾}{C}}_{\mathrm{CL}}=\frac{C_L}{c_L+c_R}\frac{1+D\frac{s}{{\mathrm{\ω}}_{0L}}}{1+D\frac{s}{{\mathrm{\ω}}_{0L}}+{\left(\frac{s}{{\mathrm{\ω}}_{0L}}\right)}^2},{\mathrm{\ω}}_{0L}=\sqrt{\frac{c_L+c_R}{m}}$

${\underset{\‾}{C}}_{\mathrm{CR}}=\frac{C_R}{c_L+c_R}\frac{1+D\frac{s}{{\mathrm{\ω}}_{0R}}}{1+D\frac{s}{{\mathrm{\ω}}_{0R}}+{\left(\frac{s}{{\mathrm{\ω}}_{0R}}\right)}^2},{\mathrm{\ω}}_{0R}={\mathrm{\ω}}_{0L}=\sqrt{\frac{c_L+c_R}{m}}$

所述弹性取决于当前的位置。如果坐标原点位于中心，那么对于所述弹性有：

$c_R=c\·\frac{l}{l-2x}$

$c_L=c\·\frac{l}{l+2x}$

因此得到了用于完全地消除所述功率驱动装置的误差的放大系数A：

$\underset{\‾}{A}=\frac{c_L}{c_R}\·\frac{1}{\underset{\‾}{R}}=\frac{l-2x}{l+2x}\·\frac{1}{\underset{\‾}{R}}$

即所述放大系数在有限的频率范围内是有限的，并且可以被达到而不出现稳定性问题。对当前位置的匹配是通过总归要被测量的(运动的物质m的)位置进行的。

那么，所述总驱动装置的传递函数G为：

$\underset{\‾}{G}={\underset{\‾}{C}}_{\mathrm{CL}}=\frac{c_L}{c_L+c_R}\frac{1+D\frac{s}{{\mathrm{\ω}}_{0L}}}{1+D\frac{s}{{\mathrm{\ω}}_{0L}}+{\left(\frac{s}{{\mathrm{\ω}}_{0L}}\right)}^2}$

v＝G·v _soll

(由34’、34组成的)调节驱动装置10或者30用于校正运动中/位置中的误差。因此，调节驱动装置所必需的功率取决于所述功率驱动装置的误差的大小。在此，误差的种类对所述调节驱动装置的校正功率起作用。以下将观察不同的误差机制和传动装置间隙的影响。

为了补偿转矩误差，可以进行功率分配。这样的误差可以在由变流器操作的驱动装置中由所述功率驱动装置的电磁偏差和对所述给定值的调节偏差产生。同样也可以由转矩-电流特征曲线的温度漂移或者电动机模型和电动机之间的偏差或者变流器的直流分量以及输出电流中的不对称性产生。

两个驱动装置10和20按照图1a通过弹性的传动元件C_CL和C_CR作用在负载上并且共同产生转矩M。所述功率驱动装置产生具有误差ΔM_LA的转矩M_LA。

如果涉及的是时间上恒定的偏差，那么在所述调节驱动装置的稳定工作中补偿所述误差并且提供转矩M_RA，该转矩(理论上)与转矩误差ΔM_LA一样大。实践中它们基本上是相同大小的。所述调节驱动装置提供了相应的功率。

然而，所述误差更多涉及周期性的转矩偏差。那么所述转矩误差近似地具有一个正弦形的时间变化曲线。

由于调节驱动装置和负载之间的弹性，所述调节驱动装置可以根据所述转矩误差附加地为所述负载保留一个角度。由此得到所述调节驱动装置的一个附加的角速度和加速度。为此，所述调节驱动装置提供用于加速的附加转矩，并且因此也要具有/输出比用于稳定的转矩误差的功率更大的功率。

当借助传动装置进行驱动时，常常出现分度误差形式的偏差。这可以被视为功率驱动装置和负载之间的角度误差。其原因在于齿轮的齿部和偏心度以及传动装置的轴中的偏差。在这种情况下，为了补偿所述角度误差进行功率分配。作为例子，可以观察一个具有60mm的分度圆直径以及30度的啮合角的小齿轮。该小齿轮的50μm的径向跳动会导致25μm的切线方向上的误差。由此得到±3acrmin的角度误差。总共6arcmin的误差可以被所述调节驱动装置补偿。

对此，所述调节驱动装置可以这样地加速整个驱动装置，从而去除角度误差。为此所使用的转矩与惯量和角度误差成比例并且与转速平方地相关。

在负载变换时(在转矩反向或者力反向时)传动装置间隙可以被视为角度误差。在一个(第一)功率驱动装置与一个(第一)调节驱动装置机械耦合时，在由于所述(第一)功率驱动装置的间隙而导致没有转矩能够传输期间，所述调节驱动装置提供全部的转矩。然后，为了补偿传动装置间隙，进行功率分配。

在技术和成本方面与直接驱动解决方案的比较

所述双驱动装置-作为具有多个主动装置或者“驱动装置”的驱动装置的例子-具有与通过一个没有传动装置的直接驱动装置将65kW的大功率传输到齿形带上时大致相当的性能。

在这种情况下，作为直接驱动装置，例如以下组件是必不可少的，参见图5。

因此，常规的驱动装置的重量几乎是所述双驱动装置的四倍并且具有比所述双驱动装置小30％的固有频率。

在图6中示出了用于实现双驱动装置(两个驱动装置)和用于实现常规的直接驱动装置的价格对比。总的来说，该例子的双驱动装置几乎比常规的驱动装置便宜50％。

所述双驱动装置(所述多重驱动装置也同样)具有以下重要优点：

●更低的成本(在例子中几乎低50％)

●更小的重量(在例子中轻70％)

●更高的固有频率(在例子中高40％)

●由标准组件组成的功率路径的结构

在此，在具有齿形带的一个直线驱动装置(和一个滚筒驱动装置)的例子中所说明的方法可以用于完全不同的机械驱动装置。

取代                           现在

●直线电动机-＞                具有齿形带和两个旋转驱动装置

                               的直线驱动装置

●直线电动机-＞                具有一个旋转电动机和一个用于

                               调节驱动装置的小的直线电动机

●直接驱动装置-＞              具有标准传动装置的驱动装置

●高精度的机器人传动装置-＞    标准传动装置

综上所述，产生了用于由低成本的标准组件组成的精确驱动装置的解决方案。应用场合例如为：

●横切割机(与轨道速度同步)

●印刷机(与印刷标记同步)

●用于大物质，例如工件安装和固定装置的定位驱动装置

所述双驱动装置可以与其他的驱动装置组合，所述其他的驱动装置在必要时可以一同参与所述调节。在所述驱动装置中也可以包括制动的驱动装置，作为直接的制动器或者作为进行制动的驱动装置，尤其是具有制动斩波器或者以具有直流电压级间耦合电路以及熵产生器的电反馈驱动装置的形式。

其他的实施例

具有伺服驱动装置和带齿轮传动装置交流电动机的驱动装置

a)应用实例

具有单个驱动装置的印刷机的印刷滚筒。

b)功率驱动装置

在具有带有间隙的传动装置的电网中的交流电动机，在传动装置的输出端上对旋转进行测量，与工作机械的弹性连接。

c)调节驱动装置

无传动装置的伺服电动机，采用具有转速和/或位置调节的功率电子装置进行控制，在伺服电动机中对旋转进行测量，与工作机械的弹性连接。

d)说明

带齿轮传动装置交流电动机在刚性的电网中运行。由此该带齿轮传动装置交流电动机低成本地提供了大功率。然而，转速是取决于负载的，并且运动与印刷机的其他驱动装置不同步。

调节驱动装置将在传动装置输出端上的带齿轮传动装置交流电动机的旋转角的偏差与旋转角给定值进行比较。所述偏差被用于对校正所述旋转角的伺服驱动装置进行控制。因为为了调节，在传动装置输出端上获得受到带齿轮传动装置电动机的角度误差影响的信号，所以带齿轮传动装置交流电动机的误差可以被伺服电动机完全地补偿。

具有气动缸和伺服电动机的驱动装置

a)应用实例

机器人手臂。

b)功率驱动

气动缸，其中，该气动缸的阀由调节驱动装置控制。气动缸通过机器人手臂的柔韧性弹性地与该手臂的末端相连接。对机器人手臂的旋转角进行测量。

c)调节驱动装置

永磁铁励磁的同步伺服电动机，具有角度调节器的功率电子装置，伺服电动机中的旋转角测量，伺服电动机通过一个连杆与机器人手臂的末端弹性的连接。气动阀由电动机驱动。

d)说明

气动缸向手臂的运动提供了绝大部分的动力或者功率。因为该运动仅仅是不精确的，所以伺服电动机纠正该运动。在此，机器人手臂的旋转角通过气缸提供了有误差的运动，通过伺服驱动装置来纠正该运动。因为对气动缸的控制是通过伺服电动机进行的，所以不需要电磁阀或者根本不需要被调节的阀。在此，伺服电动机不仅改善了定位精确度而且改善了例如对于干扰量的响应速度。

由具有变频器的带齿轮传动装置电动机和伺服电动机组成的驱动装置作为无传动装置的直接驱动装置

a)应用实例

印刷滚筒驱动装置。

b)功率驱动装置

具有标准传动装置和变频器的带齿轮传动装置交流电动机，在传动装置的输出端上对旋转角进行测量，与印刷滚筒的弹性连接。

c)调节驱动装置

伺服电动机，伺服变流器，在伺服电动机中对旋转角进行测量，与印刷滚筒的弹性连接。

d)说明

具有变频器的带齿轮传动装置交流电动机低成本地提供功率。在此，能够通过变频器使转速与所期望的设备速度相匹配。由于标准传动装置的扭转间隙和传动比误差，印刷滚筒的运动对于良好的印刷结果来说是不够的。在此，伺服电动机参与作用，其方式是它纠正带齿轮传动装置交流电动机的运动。因为伺服电动机也改善了动态性能，所以印刷滚筒能够在有动态要求的情况下也被调节并且例如在多彩印刷时跟踪配线控制的信号。

具有37kW额定功率的驱动装置的实施例应说明20kW以上的结果。采用180l/min和2000Nm来示例性地仿真所述驱动装置。该驱动装置用作同步运行驱动装置并且必须尽可能好地跟踪平均转速周围的小的给定值变化。一个具有变频器的异步-带齿轮驱动装置电动机被用为功率驱动装置。一个具有伺服变流器的、无齿轮的永磁铁伺服电动机被用为调节驱动装置。其他数据从图9中得到。

图7示出了在功率驱动装置中，给定转速的时间变化曲线、实际转速的时间变化曲线以及转速偏差的时间变化曲线。在图7中示出了不具有调节驱动装置的功率驱动装置的转速的时间变化曲线。给定转速在升速到180l/min后具有鞍形，该鞍形代表了叠加的角度同步运行调节的参与。可以清晰地看到，功率驱动装置仅非常延迟地跟踪给定值并且几乎不对给定值的变化做出响应。相应地，给定值与实际值之间的差值示出了4.5l/min的波动。

图8示出了具有调节驱动装置的参与以及根据附加的驱动装置的上述例子的转速变化曲线。在此，调节驱动装置通过一个非常简化的传递函数集成有二阶低通滤波器。通过该非常简单的调节，转速偏差已经能够减少到小于原始值的一半，即减小到大约2l/min。

公式标记列表

n_List    功率驱动装置的实际转速

L        功率驱动装置的传递函数

i        传动比

p        电动机的极对数

D_L       功率驱动装置的滚轮的直径

v_soll    给定速度

n_Rist    调节驱动装置的实际转速

A        用于完全补偿的调节器的传递函数

D_R       调节驱动装置的滚轮的直径

A′      用于在一有限频率范围内尽可能补偿的调节器的传递函数

v        速度

C _CL      功率驱动装置与负载的弹性连接的传递函数

C _CR      调节驱动装置与负载的弹性连接的传递函数

ω       角频率

ω_grenz  传动范围的最高角频率

D        阻尼量

c        刚度

c_L       功率驱动装置与负载之间的刚度

c_R       调节驱动装置与负载之间的刚度

ω₀      固有角频率

ω_0L     功率驱动装置与负载的弹性连接的固有角频率

ω_0R     调节驱动装置与负载的弹性连接的固有角频率

l        长度

x        当前位置

s        拉普拉斯变换

m        质量

G        驱动装置的总传递函数

Claims (29)

1.一种用于旋转类型和/或平移类型的运动的驱动设备，该驱动设备具有多个用于共同驱动一工作机械或者用于使一物质运动的驱动装置(10，20；30，34，34’，40)并且具有一控制装置(24，14；44，44’)，其特征在于，

设置至少一个用于提供功率的驱动装置(10；34)(功率驱动装置)，以及

设置至少一个用于控制或者调节精度和/或动态性能的驱动装置(20，40)(调节驱动装置)，以及

所述控制装置(24，14)控制和调节所述至少两个、尤其是更多个驱动装置(10，20)。

2.根据权利要求1所述的驱动设备，其中，所述驱动装置为电驱动装置、气动驱动装置、液压驱动装置、具有内燃机或者流体机械的驱动装置或者这些驱动装置的组合，尤其是装配有机械的传动装置、液压传动装置或者一耦合单元。

3.根据以上权利要求中任一项所述的驱动设备，其中，所述驱动装置至少部分地由电动机(33，33’，12，22)组成，所述电动机分别由一功率电子装置馈电。

4.根据以上权利要求中任一项所述的驱动设备，其中，所述至少一个功率驱动装置(10，34)为带齿轮传动装置电动机。

5.根据以上权利要求中任一项所述的驱动设备，其中，所述驱动装置中的至少一个被构造为制动器，尤其被构造为一电动机，该电动机具有一在一制动斩波器上馈电的变流器。

6.根据以上权利要求中任一项所述的驱动设备，其中，所述至少一个功率驱动装置(10，34)为一气动缸或者液压缸。

7.根据以上权利要求中任一项所述的驱动设备，其中，所述至少一个调节驱动装置(20，40)为电动机或者直线电动机。

8.根据权利要求3至7中任一项所述的驱动设备，其中，所述至少一个具有电动机的驱动装置至少部分地装备有永磁铁。

9.根据以上权利要求中任一项所述的驱动设备，其中，存在或者进行通过一连杆、齿条、齿形带或者丝杠将旋转运动类型转换到直线运动的转换。

10.根据以上权利要求中任一项所述的驱动设备，其中，所述至少两个驱动装置分别通过一弹性的联接元件与所述工作机械或者所述物质(90)耦合。

11.根据以上权利要求中任一项所述的驱动设备，其中，一个或多个调节驱动装置(40)对所述至少一个功率驱动装置进行所述控制，尤其是其方式为由所述调节驱动装置中的一个调节驱动装置机械地操作一液压驱动装置或者气动驱动装置的至少一个阀。

12.根据以上权利要求中任一项所述的驱动设备，其中，在所述至少一个功率驱动装置(10，34)上具有至少一个用于对所述功率驱动装置的运动进行测量的传感器(25，45)。

13.根据以上权利要求中任一项所述的驱动设备，其中，在所述至少一个调节驱动装置(20，40)上具有一用于对所述调节驱动装置的运动进行测量的传感器(26，46)。

14.根据以上权利要求中任一项所述的驱动设备，其中，一调节单元(24，44)对所述(至少一个)功率驱动装置(10，34)的运动进行分析并且将其用于所述(至少一个)调节驱动装置(20，40)的控制。

15.根据权利要求12或13所述的驱动设备，其中，所述用于所述运动的测量的传感器(25，45)为测速发电机、旋转变压器、加速度传感器、光学增量传感器、磁性增量传感器、光学绝对值传感器或者磁性绝对值传感器。

16.根据以上权利要求中任一项所述的驱动设备，其中，一调节单元(24，44)对所述调节驱动装置的运动(26，46)进行分析并且对所述调节驱动装置(20，40)进行调节。

17.根据权利要求16所述的驱动设备，其中，所述调节单元用线性和非线性的参量工作。

18.根据权利要求16或17所述的驱动设备，其中，所述调节单元包括一观察器。

19.根据权利要求16至18中任一项所述的驱动设备，其中，所述调节单元包括一状态调节器。

20.根据权利要求16至19中任一项所述的驱动设备，其中，所述调节单元的参数被这样选择，使得在一确定的频率范围中几乎完全地补偿所述(至少一个)功率驱动装置的误差。

21.根据权利要求16至19中任一项所述的驱动设备，其中，所述调节单元的参数被这样选择，使得在一给定的频率范围中至少基本上补偿所述(至少一个)功率驱动装置的误差。

22.根据权利要求1至15中任一项所述的驱动设备，其中，所述调节单元(14，24)对所述(至少一个)功率驱动装置和所述(至少一个)调节驱动装置进行控制。

23.根据以上权利要求中任一项所述的驱动设备，其中，所述功率驱动装置和所述调节驱动装置被组合成一结构单元。

24.根据以上权利要求中任一项所述的驱动设备，其中，所述调节驱动装置和所述调节装置被组合成一结构单元。

25.根据以上权利要求中任一项所述的驱动设备，其中，所述功率电子装置和所述调节单元被组合成一单元。

26.根据权利要求23至25中任一项所述的驱动设备，其中，所有组件被组合成一结构单元。

27.根据以上权利要求中任一项所述的驱动设备，其中，所述调节驱动装置(20)获得用于整个驱动装置的速度给定值(v，ω)与所述功率驱动装置的一传感器(TX)的实际值之间的差值(V_diff)作为给定值，其中，该差值乘以一系数A并且被作为给定值预先给予所述调节驱动装置(20)，使得所述调节驱动装置完全地补偿、至少基本上补偿所述功率驱动装置(10)的误差。

28.一种用于一驱动设备的控制装置或者控制方法，所述驱动设备用于旋转类型和/或平移类型的运动，该驱动设备具有多个用于通过所述控制装置(24，14)来共同驱动一工作机械或者使一物质运动的驱动装置(10，20，30，34，34’)，其特征在于，

所述控制装置对所述至少两个驱动装置(20，34，34’；10，20)进行控制和调节，以及

至少一个驱动装置实现所述功率的提供(功率驱动装置)，

至少一个驱动装置作为调节驱动装置对机械精度和/或动态性能进行所述控制或调节，并且利用所述控制装置来控制和调节所述至少两个驱动装置。

29.根据权利要求28所述的方法，其中，所述调节驱动装置(20，40)获得用于整个驱动装置的速度给定值(v，ω)与所述功率驱动装置(10；34，34’)的传感器(TX，25，45)的实际值之间的差值(V_diff)作为给定值，其中，该差值乘以一系数(A)并且被作为给定值预先给予所述调节驱动装置(20，40)，以促使所述调节驱动装置完全地补偿、至少基本上补偿所述功率驱动装置(10)的旋转类型和/或平移类型的误差。

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