DE102004054212A1

DE102004054212A1 - Motorsteuerung

Info

Publication number: DE102004054212A1
Application number: DE200410054212
Authority: DE
Inventors: Ronald Siegrist
Original assignee: ProControl AG
Current assignee: ProControl AG
Priority date: 2004-08-25
Filing date: 2004-11-10
Publication date: 2006-03-30
Also published as: WO2006021114A1

Abstract

Die Motorsteuerung (2) verhindert hohe Temperaturen und große Temperaturschwankungen bei Halbleiterbauteilen, welche zur Ansteuerung bürstenloser Elektromotoren (1) benutzt werden. Wenn sich der unter Last stehende Elektromotor (1) zu langsam dreht, veranlasst die Motorsteuerung (2) Oszillationsbewegungen des Motors (1).

Description

Gegenstand der Erfindung ist eine Motorsteuerung, eine Spritzguss- oder Druckgussmaschine, ein Verfahren zum Ansteuern eines Elektromotors und ein Verfahren zum Einpressen von Füllgut gemäss den Merkmalen der Patentansprüche 1, 4, 5 und 6.

Elektromotoren werden zum Erzeugen von Drehmomenten, Ausüben von Kräften, Bewegen von Körpern, Fördern von Stoffen und dergleichen in unterschiedlichsten Ausführungsformen eingesetzt. Bei Druck- und Spritzgussvorrichtungen kommen in der Regel Servomotoren zum Einsatz. Dabei handelt es sich um Elektromotoren, die eine Einrichtung zum Erfassen der aktuellen Lage des Ankers (Drehwinkel bezüglich einer Referenzlage) umfassen. Servomotoren können über eine zugeordnete Ansteuerschaltung, auch Drive genannt, angesteuert werden. Dabei wird dem Drive ein Sollwert, beispielsweise eine Position oder eine Geschwindigkeit oder ein Drehmoment vorgegeben. Weicht der als Messgrösse erfasste Istwert von dieser Sollgrösse ab, so steuert der Drive den Motor bzw. die geeigneten Phasenwicklungen des Motors in der Weise an, dass die Messgrösse der Sollgrösse entspricht, dass sich also z.B. der Rotor soweit in die geeignete Richtung dreht, bis er eine vorgegebene Lage einnimmt. Bei Servomotoren sind die Wicklungen der einzelnen Spulen vorzugsweise am aussen liegenden Stator und die Permanentmagneten am innen liegenden Rotor ausgebildet. Abhängig von der jeweiligen Drehposition des Rotors und vom vorgegebenen Sollwert steuert der Drive über Halbleiterschalter in geeigneter Weise bzw. Abfolge jene Spulen bzw. Wicklungen des Stators an, deren Magnetfeld zusammen mit dem Magnetfeld der Permanentmagneten des Rotors das erforderliche Drehmoment erzeugt, um den Rotor in die vorgegebene Solllage zu drehen. Zur Erzeugung grosser Kräfte, Drehmomente oder Beschleunigungen werden üblicherweise drei- oder mehrphasige Servomotoren verwendet. Die einzelnen Phasenwicklungen sind als sog. Sternschaltung angeordnet und zentral miteinander verbunden. Die aussenliegenden Wicklungsenden bzw. Motorphasen sind über je zwei Leistungstransistoren, in der Regel IGTBs (Insulated Gate Bipolar Transistors), mit dem Pluspol und dem Minuspol der Betriebsspannung (Gleichspannung) verbindbar. Wie beispielsweise dem Datenblatt für den "Intelligent Power Module PM300DVA120" von Mitsubishi electric, Ausgabe Sept. 2000 zu entnehmen ist, ist bei jedem der Transistoren eine Freilaufdiode parallel zur Kollektor-Emitter-Strecke geschaltet.

Bei wechselweiser getakteter Ansteuerung der antagonistischen Transistoren mit einer relativ hohen Taktrate von beispielsweise 10kHz oder 20kHz kann durch Vorgabe des Tastverhältnisses (duty cycle) ein mittlerer Spannungswert generiert werden, der am einen Ende der zugeordneten Spule anliegt. Die Ansteuerschaltung regelt bzw. koordiniert unter Einbezug der rückgekoppelten Messgrösse (Position bzw. Lage des Rotors) die Spannungen an (bzw. die Ströme in) jeder der Spulen bzw. Phasen des Motors. Bei relativ schnell drehendem Motor ändern sich die zu erzeugenden Spannungen bzw. Ströme durch die Spulen ständig mit relativ grosser Änderungsrate. Die Belastung der einzelnen Transistoren ändert sich zyklisch mit relativ grosser Frequenz. Bei sehr langsamen Bewegungen hingegen, oder wenn der Motor sich aufgrund einer grossen Last nicht mehr drehen kann, werden – abhängig vom jeweiligen Drehwinkel des Rotors – einzelne der Transistoren mit Spitzenströmen belastet. Eine Folge davon sind hohe Verlustleistungen und hohe Temperaturen. Je höher die Temperaturen und je höher die Temperaturschwankungen – insbesondere wenn sie auf hohem Temperaturniveau erfolgen – desto geringer sind Zuverlässigkeit und Lebenserwartung des Transistors. Dies ist verständlich, haben doch verschiedene im Transistor bzw. Power-Modul verwendete Materialien wie z.B. der Aluminium(legierungs)-Bonddraht, der Silizium-Chip, Keramiksubstrat und Kupfer-Basisplatte des Gehäuses unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten, sodass bei hohen Temperaturen und grossen Temperatursprüngen zwischen einzelnen Schichten bzw. Materialien grosse thermische bzw. mechanische Spannungen auftreten können.

Eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine Motorsteuerung für über Halbleiterschaltelemente ansteuerbare Elektromotoren sowie ein Verfahren zum Ansteuern der Elektromotoren zu schaffen, wobei diese Motorsteuerung Mittel zum Verhindern einer übermässigen thermischen Belastung der Halbleiterschaltelemente bzw. zur Erhöhung der Lebenserwartung dieser Leistungshalbleiterelemente umfasst. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Spritz- oder Druckgussmaschine mit dieser Motorsteuerung sowie ein Verfahren zum Einpressen von Füllgut mit dieser Spritz- oder Druckgussmaschine zu schaffen.

Diese Aufgaben werden gelöst durch eine Motorsteuerung, durch eine Spritzguss- oder Druckgussmaschine, durch ein Verfahren zum Ansteuern eines Elektromotors und ein Verfahren zum Einpressen von Füllgut gemäss den Oberbegriffen der Patentansprüche 1, 4, 5 und 6.

Die erfindungsgemässe Motorsteuerung und das erfindungsgemässe Verfahren für die Motoransteuerung nutzen die Erkenntnis, dass bei einem IGBT der Anstieg der Junction Temperatur bzw. deren Maximalwert verringert werden kann, wenn verhindert wird, dass der Motor unter Last zum Stillstand kommt oder sich nur noch sehr langsam bewegt. Häufig weist die Last eine gewisse Elastizität auf wie beispielsweise beim Spritzgussprozess. Bei Spritzgussmaschinen wird thermoplastischer Kunststoff in Form von Kunststoffgranulat mittels einer Plastifizierschnecke in einen Heizzylinder gefördert und dort erwärmt bzw. geschmolzen. Die derart aufbereitete Kunststoffmasse wird unter hohem Druck von bis zu 3000 bar durch eine geregelte axiale Längsverschiebung der Plastifizierschnecke in eine Form eingepresst. Während der anschliessenden Nachdruckphase kann sich der Motor wegen der grossen mechanischen Last und vorgegebener Parameter wie z.B. Solldruck, Sollgeschwindigkeit oder Sollposition nur noch sehr langsam oder gar nicht mehr drehen. Der Motor kann durch kurzzeitige Änderungen vorgegebener Parameter derart gesteuert oder geregelt werden, dass er innerhalb gewisser vorgebbarer Grenzen zyklische Vor- und Rückwärtsbewegungen ausführt. Die Frequenz dieser Rüttelbewegungen kann beispielsweise im Bereich von 5 Hz. bis etwa 250 Hz liegen. Der zeitliche Verlauf der Lageänderungen des Rotors bzw. der Füllschnecke um eine Mittelposition kann beispielsweise sinusförmig oder abschnittweise linear sein. Da die komprimierte Kunststoffmasse elastisch ist, werden die Stösse bzw. Impulsänderungen durch die schnellen Richtungswechsel abgefedert. Bei anderen Anwendungen, wo normalerweise eine starre Kraftübertragung vom Motor auf einen Massekörper erfolgt, kann zusätzlich zwischen Motor und Massekörper ein Federelement oder ein Stossdämpfer vorgesehen werden, damit der Motor kleine Pendelbewegungen um die jeweilige Soll- oder Mittelposition ausführen kann. Die mechanischen Pendelbewegungen gehen einher mit Oszillationen der elektrischen Phasenlage bei den einzelnen Windungen. Schon kleine Änderungen der elektrischen Phasenlage können eine Verringerung der Verlustleistung bei den Transistoren bewirken. Bei einer vollen Motordrehung, also bei einer Phasenänderung von 360° ist sichergestellt, dass alle Ansteuertransistoren für den Motor gleich behandelt werden. Die einseitige maximale Belastung einzelner Transistoren entfällt. Selbstverständlich führen aber auch kleinere Pasenänderungen von z.B. 90°, 120°, 180°, 240° oder 300° zu einer Verringerung der Verlustleistungen der Transistoren. Der Strom verteilt sich abwechselnd auf unterschiedliche Transistoren. Die Variationsfrequenz für die Oszillation der Sollparameterwerte wird vorteilhaft so gewählt, dass die Zyklusdauer einen Wert hat, der im Bereich der thermischen Zeitkonstante für die Temperaturänderung der Junction-Temperatur der Transistoren liegt oder kleiner ist als diese. Dadurch kann erreicht werden, dass die maximale Junction-Temperatur jedes der Transistoren deutlich kleiner als die Spitzentemperatur, die sich unter den gleichen Umgebungsbedingungen ohne Motorbewegung einstellen würde. Demzufolge ist auch die Höhe der Temperaturänderungen, welche wesentlichen Einfluss auf die mittlere Lebenserwartung des Bauteils hat, geringer. Als weiterer Effekt wird durch das Pulsieren des Drucks der Einspritzvorgang und die Verdichtung und gleichmässige Verteilung der Kunststoffmasse in der Spritzgussform bzw. des eingepressten Metalls in der Druckgiessform begünstigt.

In den Querschnittverengungen im Angussbereich beim Spritzgiessen bzw. im Anschnittbereich beim Druckgiessen stellt sich dabei eine stark oszillierende Strömung ein, die gegen den entsprechend erhöhten Widerstand in den Verengungen fliesst. Durch den Wärmeeintrag nach der Beziehung Massestrom mal Druckdifferenz wird der Füllmasse bei dieser engsten Stelle Wärmeenergie zugeführt. Der Angussbereich bzw. der Anschnittbereich wird damit länger offen gehalten, da die Füllmasse weniger schnell zufriert bzw. erstarrt. Der Formraum, der einen federelastischen Massespeicher bildet, kann damit länger unter Druck gehalten werden, was eine bessere Kompensation des Schwundes während der Abkühlung des Formteils bzw. eine homogenere Formfüllung bewirkt.

Anhand einiger Figuren wird die Erfindung im Folgenden näher beschrieben. Dabei zeigen
1 eine schematische Darstellung einer Motorsteuerung mit Servomotor,
2 ein Schema der Ansteuerung eines dreiphasigen Servomotors,
3 ein Diagramm eines zeitlichen Verlaufs der Junction-Temperatur bei einem Powermodul in einer Spritzgiessmaschine
4 einen Ausschnitt der Temperaturkurve aus 3,
5 ein Schema einer elastisch gefederten Last bei einer Druckgiessmaschine,
1 zeigt einen Servomotor 1 bzw. eine bürstenlosen Elektromotor mit einer durch eine strichpunktierte Linie umrandeten Motorsteuerung 2 in schematischer Darstellung. Die Motorsteuerung 2 oder Bestandteile davon können als eigenständige Komponenten oder alternativ als Bestandteil des Servomotors 1 ausgeführt sein. In weiteren alternativen Ausgestaltungen können die Motorsteuerung 2 oder Teile davon einer übergeordneten Steuerung, beispielsweise einer CNC oder SPS-Steuerung zugeordnet sein. Eine solche übergeordnete Steuerung kann in einer weiteren alternativen Ausgestaltung auch die Motorsteuerung 2 umfassen.
Der Rotor 3 des Servomotors 1 ist permanentmagnetisch. Die Windungen 5 des Stators 7 umhüllen den Rotor 3 zylindermantelförmig. Ein optischer Encoder 9 oder ein Resolver bzw. allgemein ein Positions- oder Drehwinkelsensor erfasst als Messgrösse X1 die jeweilige Drehposition oder -lage des Rotors 3. Der Encoder 9 ist mit einem Eingang eines Sollgrössenvariators 11 verbunden. Die übergeordnete Steuerung berechnet und aktualisiert Werte einer Sollgrössen X2 und macht diese an einem weiteren Eingang des Sollgrössenvariators 11 verfügbar. Ein Ausgang des Sollgrössenvariators 11 ist mit einer Ansteuerelektronik 13 für die sechs Transistoren Tr1 bis Tr6 verbunden. Der Sollgrössenvariator 11 umfasst beispielsweise eine Microcontroller (nicht dargestellt). Er erfasst die Messgrösse X1 und ermittelt daraus eine Grösse, welche die Drehgeschwindigkeit des Motors 1 repräsentiert. Zusätzlich kann der Sollgrössenvariator 11 weitere Parameter wie beispielsweise das aktuell wirkende Drehmoment erfassen oder von der Motorsteuerung 2 mitgeteilt erhalten. Solange der Motor 1 wenig belastet ist und/oder verhältnismässig schnell rotiert, gibt der Sollgrössenvariator 11 eine effektive Sollgrösse X2', die der unveränderten Sollgrösse X2 entspricht, an die Ansteuerelektronik 13 weiter. Sobald die Drehgeschwindigkeit bei belastetem Motor 1 unter einen z.B. durch die übergeordnete Steuerung vorgegebenen Minimalwert sinkt, oder allgemein, wenn gewisse Vorgabekriterien erfüllt sind, wechselt der Sollgrössenvariator 11 in einen anderen Betriebsmodus. Anstelle der unveränderten Sollgrösse X2 berechnet der Sollgrössenvariator 11 eine effektive Sollgrösse X2', die mit einer vorgegebenen Frequenz von beispielsweise 20Hz um einen Mittelwert oszilliert. Der Mittelwert ist vorzugsweise die Sollgrösse X2 selbst. Selbstverständlich kann der Mittelwert auch ein von der Sollgrösse X2 abweichender oder ableitbarer Wert sein. Die Schwingungsamplitude der effektiven Sollgrösse X2' wird so vorgegeben oder berechnet, dass der elektrische Phasenwinkel des Motors 1 innerhalb eines vorgegebenen Bereichs von beispielsweise 120°, 240° oder 360° hin- und herpendelt.
Zur weiteren Illustration ist in 2 dargestellt, wie die Windungen 5 bzw. Wicklungen oder Spulen eines dreiphasigen Servomotors 1 als Sternschaltung zentral miteinander verbunden sind. Die gegenüberliegenden Spulenenden bzw. Phasen A,B,C sind je mit einem der antagonistischen Transistorpaare Tr1-Tr4, Tr2-Tr5 und Tr3-Tr6 verbunden.
3 illustriert in einem Diagramm eine Simulation des Temperaturverlaufs der Junction-Temperatur Tj bei einem herkömmlichen Powermodul. Das dargestellte Beispiel bezieht sich auf ein Powermodul IPM300DVA120 von Mitsubishi electric, welches bei einer Spritzgussachse eingesetzt ist. Es fliesst jeweils ein Spitzenstrom von 280A. Während den Nachdruckphasen von ca. 1s Dauer steigt die Junction-Temperatur Tj regelmässig auf über 110°C. Während der daran anschliessenden Erholungsphasen sinkt die Temperatur jeweils wieder auf eine durch die Temperatur des Gehäuses und der Umgebung mitbestimmte Temperatur von etwa 44°C. Dieser Vorgang wiederholt sich bei der Produktion von Spritzgussteilen periodisch. 4 zeigt den Temperaturanstieg aus 3 mit grösserer zeitlicher Auflösung. Daraus ergibt sich eine thermische Zeitkonstante von etwa 64ms.
5 zeigt in schematischer Darstellung eine Anwendung eines Servomotors 1, wobei eine Motorwelle 15 über ein Ritzel 17 eine Zahnstange 19 antreibt. Die Zahnstange 19 ist mit dem Kolben 21 einer Pressvorrichtung verbunden. Der Kolben 21 ist innerhalb eines Druckzylinders 23 verschiebbar und kann ein Füllgut 25 in eine Giessform 27 pressen. Symbolisch ist eine Feder 29 zwischen der Zahnstange und dem Kolben 21 ausgebildet. Diese repräsentiert die Federwirkung des elastischen Füllgutes 25. Selbstverständlich kann bei anderen Anwendungen, welche nur eine ungenügende Elastizität aufweisen, ein echtes Federelement eingesetzt werden.

1: Servomotor, bürstenloser Elektromotor
2: Motorsteuerung
3: Rotor
5: Windungen
7: Stator
9: Encoder
11: Sollgrössenvariator
13: Ansteuerelektronik
15: Motorwelle
17: Ritzel
19: Zahnstange
21: Kolben
23: Druckzylinder
25: Füllgut
27: Giessform

Claims

Motorsteuerung (2) für über Halbleiterschaltelemente ansteuerbare bürstenlose Elektromotoren (1) mit mehreren versetzt zueinander angeordneten Wicklungen (5), wobei die Motorsteuerung (2) einen ersten Steuereingang zum Rückführen einer Messgrösse (X1) und einen zweiten Steuereingang zum, Vorgeben einer Sollgrösse (X2) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sollgrössenvariator (11) vorgesehen ist.
Motorsteuerung (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sollgrössenvariator (11) wirkungsmässig mit dem ersten Steuereingang und dem zweiten Steuereingang verbunden ist.
Motorsteuerung (2) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sollgrössenvariator (11) wirkungsmässig mit einer Ansteuerelektronik (13) für die Halbleiterschaltelemente verbunden ist.
Spritzguss- oder Druckgussmaschine mit einer Pressvorrichtung zum Einpressen von Füllgut (25) in eine Giessform (27), dadurch gekennzeichnet, dass die Pressvorrichtung von einem Motor mit einer Motorsteuerung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 antreibbar ist.
Verfahren zum Ansteuern eines bürstenlosen Elektromotors (1) mit mehrphasigen Windungen (5), dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (1) zur Ausführung von Pendelbewegungen um eine Mittelposition angeregt wird.
Verfahren zum Einpressen von Füllgut (25) bei einer Druckguss- oder Spritzgussmaschine gemäss Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Pressvorrichtung mindestens während eines Teils des Einpressvorganges Druckschwankungen aufgezwungen werden.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass dem Angussbereich bzw. dem Anschnittbereich der Giessform (27) durch Strömungsoszillationen des Füllgutes (25) Wärme zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Erstarren des Füllgutes (25) im Angussbereich bzw. Anschnittbereich durch die Wärmezufuhr mindestens während eines Teils des Abkühlens des Formteils verhindert wird.