-
Die Erfindung betrifft einen AC(Wechselstrom)-Servotreiber für einen Servomotor.
-
Die 1 zeigt ein bekanntes AC-Servomodul mit einem AC-Servotreiber 1, der mit einem Servomotor 2 verbunden ist. Der Servomotor 2 verfügt über einen Codierer (nicht dargestellt). Der AC-Servotreiber 1 verfügt über einen PI(Proportional-Integral)-Regler 11, einen zweiten und einen dritten PI-Regler 12, 13 für die Achsen d und q, einen ersten Koordinatenwandler 14, einen Impulsbreitenmodulator 15, mehrere Stromsensoren 16 mit dreiphasigem Anschluss, einen zweiten Koordinatenwandler 17, einen Entkopplungskompensator 18, einen Zähler 19 und eine Drehzahl-Abschätzeinrichtung 20. Für die Spulentransformationsfunktion s gilt = 1/(Ls + R), wobei Ls die Induktivität der Spule und R ihren Widerstand kennzeichnen.
-
Beim oben angegebenen AC-Servotreiber 1 steht die Entkopplung nur mit dem Magnetisierungsstrom Id, dem Drehmomentstrom Iq und der Winkelgeschwindigkeit w in Beziehung. Der Entkopplungskompensator 18 bleibt in Aktion, und das Statorsystem kann gemäß der 2 vereinfacht werden. Es sind die Beziehung für den zweiten und den dritten PI-Regler 12, 13 für die Achsen d und q sowie die Spulentransformationsfunktion s = 1/(Ls + R) für den Servomotor 2 dargestellt. Der Servomotor 2 arbeitet mit Rückkopplung für den Statorstrom, den Magnetisierungsstrom Id, den Drehmomentstrom Iq, und er nutzt Entkopplungsstrom-Vorgabesignale Id* und Iq* als Eingangs-Stromsollsignale für den zweiten und den dritten PI-Regler 12, 13 für die Achsen d und q.
-
Die 3 zeigt die Frequenzantwort des bekannten AC-Servomoduls in der 1, wobei ein mit 2000 U/Min. arbeitender Motor mit einer Leistung von 3 kW dazu verwendet wird, eine Last mit dem fünffachen der Trägheitskraft anzutreiben. Die Kurve A im oberen Teil der 3 entspricht einem Drehzahl-Sollwert, und die Kurve B entspricht der ausgegebenen Ist-Drehzahl. Die Kurve C im unteren Teil der 3 entspricht dem Iq-Sollwert, und die Kurve D entspricht dem Rückkopplungsstrom. Da der Stromsensor den Rückkopplungsstrom erfasst, liegen die Kurven C und D sehr eng beieinander.
-
Bei diesem bekannten AC-Servomodul empfängt der Servomotor 2 über seinen Codierer ein Strom-Sollsignal, und er liefert einen Anfangswinkel für den Rotor, so dass der AC-Servotreiber 1 einen Statorstrom vertikal zum Rotor-Magnetfeld erzeugt. Die Eingangsspannung, der Strom und die Drehzahl des Servomotors 2 mit Permanentmagnet sind nichtlinear, und die Sensoren 18 erfassen den dreiphasigen Strom des Servomotors 2, und sie liefern diesen zur Entkopplung zurück, um für Linearisierung zu sorgen. Das Rückkopplungsschema zur Entkopplung ist bei fortschrittlicher AC-Servoarchitektur von Bedeutung. Bei einem herkömmlichen Stromsensor wird im Allgemeinen ein Element mit Hall-Effekt verwendet, um den Statorstrom bei einem AC-Servobauteil hoher Leistung zu erfassen. Jedoch zeigt ein derartiges Element eine Temperaturdrift, d. h., der Messwert nimmt zu, wenn die Temperatur zunimmt. Darüber hinaus sind mehrere Stromsensoren erforderlich, um den dreiphasigen Strom zu erfassen. Der Rückkopplungsstrom wird durch den zweiten Koordinatenwandler 17 gewandelt. Daher ist es schwierig, die Herstellung und die Wartung dieses Bauteils zu verbilligen.
-
EP 1 067 656 A2 bezieht sich auf einen bürstenlosen Elektromotor mit Permanentmagneten im Inneren des Rotors. Referenzwerte für Ströme für die Achsen d und q werden in eine Referenzspannungen konvertiert, wobei gemessene elektrische Parameter des Motors berücksichtigt werden. Ein Vektorumwandler wandelt die Referenzspannungen um in drei Spannungen für die drei Phasen.
-
DE 101 20 639 A1 bezieht sich auf ein Steuersystem für einen Permanentmagnetmotor. Die Motorquer- und Längsachsenstromsignale werden von einem Stromsensor gemessen, welcher mit den Statorphasenwicklungen verbunden ist. Die Motordrehzahl wird durch einen Drehzahldetektor gemessen und die DC-Spannung, die an den Wechselrichter angelegt wird, wird durch einen weiteren Sensor gemessen. Die Rechnereinheit kompensiert automatisch Änderungen in der Induktivität und dem Magnetfluss mit Last und Temperatur. Die einzige Ausnahme ist der Staturwiderstand, der sich mit der Temperatur ändert, was kleine Änderungen des Drehmoments zur Folge hat, die unkompensiert bleiben.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wechselstrom-Servotreiber ohne Stromsensor zu schaffen.
-
Diese Aufgabe ist durch den Wechselstrom-Servotreiber gemäß dem beigefügten Anspruch 1 gelöst. Es werden eine Steuerung und ein Strom-Sollwert, der vom Codierer im Stromsensor empfangen wird und als Rückkopplungs-Stromsignal verwendet wird, genutzt. Daher besteht ein Entkopplungseffekt, obwohl kein Stromsensor verwendet wird, wodurch Schwierigkeiten hinsichtlich einer Temperaturdrift gelöst werden können und die Kosten gesenkt werden können.
-
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von durch Figuren veranschaulichten Ausführungsformen näher erläutert.
-
1 zeigt ein bekanntes AC-Servomodul;
-
2 zeigt ein vereinfachtes Blockdiagramm zur 1;
-
3 zeigt die Frequenzantwort des bekannten AC-Servomoduls;
-
4 zeigt ein Blockdiagramm eines AC-Servotreibers ohne Stromsensor gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in einem Drehzahlmodus.
-
5 zeigt ein Blockdiagramm eines AC-Servotreibers ohne Stromsensor gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in einem Strommodus.
-
6 zeigt ein vereinfachtes Blockdiagramm für einen Zustand mit offener Steuerstrecke.
-
7 ist ein weiter vereinfachtes Blockdiagramm zur 6;
-
8 zeigt die Frequenzantwort des AC-Servomoduls gemäß der Ausführungsform der Erfindung.
-
Die in der 4 dargestellte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen AC-Servotreibers 4 ist mit einem Servomotor 3 verbunden. Der AC-Servotreiber 4 verfügt über einen PI-Regler 41, einen ersten und einen zweiten Regler 42, 43 erster Ordnung (Polarpunkt und Nullpunkt), einen Entkopplungskompensator 44, einen Koordinatenwandler 45, einen Impulsbreitenmodulator 46, einen Zähler 47 und eine Drehzahl-Abschätzeinrichtung 48, um eine offene Stromsteuerstrecke zu bilden. Durch den Drehzahl-Sollwert und den Codierer (nicht dargestellt) im Servomotor 3 wird zur Drehzahlabweichung eine Kopplungs-Drehzahl erzeugt. Das Strom-Sollsignal wird vom PI-Regler 41 erzeugt, um direkt einen Rückkopplungsstrom zur Entkopplung zu liefern, so dass die Stromschaltung selbst ohne Stromsensor immer noch über Entkopplungsfunktion verfügt. Dadurch kommt es zu keiner Beeinträchtigung der Servomotorregelung durch eine Temperaturdrift, und die Kosten können gesenkt werden.
-
Der Codierer im Servomotor 4 ist ein Winkelcodierer, wie ein Drehgeber oder ein Lichtkommutator, der dazu verwendet wird, die Absolut- oder die Relativposition des Rotors zu messen und ein Winkelgeschwindigkeits-Messsignal an die Treiberschaltung zu liefern.
-
Der PI-Regler 41 ist ein Stromwandler, und er empfängt ein Sollsignal, das durch das Winkelgeschwindigkeitssignal des Servomoduls und das Drehzahl-Rückkopplungssignal von der Drehzahl-Abschätzeinrichtung 48 erzeugt wird. Das Sollsignal wird durch den PI-Regler 41 gewandelt, der dann durch den Codierer des Servomotors 3 ein Drehmomentstrom-Sollsignal Iq* zur Rückkopplung liefert.
-
Der erste und der zweite Regler 42, 43 erster Ordnung werden zur Spannungswandlung für die vertikalen Achsen d, q verwendet, wobei der erste Regler 42 erster Ordnung ein Strom-Sollsignal vom Servomodul empfängt und ein Strom-Rückkopplungssignal durch den in den Servomotor 3 eingebauten Codierer erzeugt wird, um als Eingangsmagnetisierungs-Sollsignal Id* zu fungieren. Darüber hinaus werden auch die Ausgangsspannungssignale Vd, Vq erzeugt. Der zweite Regler 43 erster Ordnung empfängt das Drehmomentstrom-Sollsignal Iq* vom PI-Regler 41.
-
Der Entkopplungskompensator 44 nutzt ein Strom-Sollsignal des Servomoduls und das Entkopplungsstromsignal vom eingebauten Codierer des Servomotors 3 als Rückkopplungsstrom, wie er zur Entkopplung erforderlich ist, und er enthält das Magnetisierungsstromsignal Id und das Drehmomentstromsignal Iq. Das Ausgangssignal des Entkopplungskompensators 44 bildet, gemeinsam mit den Spannungs-Sollsignalen des ersten und des zweiten Reglers 42, 43 erster Ordnung ein Steuerungssignal zur Entkopplungskompensation.
-
Der Koordinatenwandler 45 nutzt die obigen Steuerungssignale für die Achsen d, a zur Entkopplungskompensation, um die Koordinaten der Achsen d, q in einen Dreiphasenspannungs-Sollwert zu wandeln, der an den Impulsbreitenmodulator 46 ausgegeben wird, der daraufhin diesen Sollwert moduliert, um den modulierten Wert zur Erzeugung eines Drehmoments an den Servomotor 3 auszugeben.
-
Der Zähler 47 ist mit dem Codierer des Servomotors 3 verbunden, um ein Winkelgeschwindigkeits-Messsignal auszugeben, das als triggerndes Timingsignal für den Koordinatenwandler 45 und den Impulsbreitenmodulator 46 sowie als Eingangssignal für die Drehzahl-Abschätzeinrichtung 48 verwendet wird.
-
Die Drehzahl-Abschätzeinrichtung 48 schätzt die Drehzahl des Servomotors auf Grundlage des Winkelgeschwindigkeits-Messsignals 47 ab, und sie gibt ein Winkelgeschwindigkeits-Rückkopplungssignal an den Entkopplungskompensator 44 aus und erzeugt mit dem Winkelgeschwindigkeits-Sollsignal w des Servomoduls ein Sollsignal für den PI-Regler 41.
-
Der in der 5 dargestellte AC-Servotreiber 4 ist mit einem Servomotor 3 verbunden, und er verfügt über einen ersten und einen zweiten Regler 42, 43 erster Ordnung, einen Entkopplungskompensator 44, einen Koordinatenwandler 45, einen Impulsbreitenmodulator 46, einen Zähler 47 und eine Drehzahl-Abschätzeinrichtung 48, um eine offene Steuerstrecke für den Strom zu bilden. In ähnlicher Weise wird das Strom-Sollsignal des Servomoduls durch den eingebauten Codierer des Servomotors 3 im Entkopplungs-Stromsignal verarbeitet, das aus einem Magnetisierungsstromsignal Id und einem Drehmomentstromsignal Iq besteht, die, wie auch das Winkelgeschwindigkeits-Rückkopplungssignal der Drehzahl-Abschätzeinrichtung 48, verarbeitet werden, um ein Entkopplungsstromsignal zu bilden. Dieses Entkopplungsstromsignal und das Ausgangsspannungs-Sollsignal Vd, Vq bilden Steuerungssignale zur Entkopplungskompensation, und sie werden in den Koordinatenwandler 45 eingegeben, der ein Dreiphasenspannungssignal erzeugt und dieses zur Erzeugung eines PWM-(Impulsbreitenmodulations)-Signals an den Impulsbreitenmodulator 46 liefert. Das erzeugte PWM-Signal wird zum Erzeugen eines Drehmoments an den Servomotor 3 geliefert.
-
Die in den 4 und 5 dargestellten AC-Servotreiber benötigen keinen Stromsensor zum Rückkoppeln eines Statorstromsignals, und sie werden direkt mit einer Architektur mit offener Steuerstrecke gesteuert. Der in den Servomotor 3 eingebaute Codierer erzeugt einen Rückkopplungsstrom. Wenn für die in der 1 dargestellte Schaltung eine Bandbreite BW (Hz) bei offener Steuerstrecke erforderlich ist, werden der zweite und der dritte PI-Regler 12, 13 für die Achsen d und q auf (π*BW*(Ls + R)/s eingestellt. Auf diese Weise kann das in der 2 dargestellte Blockdiagramm auf das in der 6 dargestellte Blockdiagramm vereinfacht werden, bei dem der zweite und der dritte PI-Regler 12, 13 für die Achsen d und q auf 2π*BW*(Ls + R)/s eingestellt sind und die Wicklungsübertragungsfunktion s = 1/(Ls + R) gilt. Darüber hinaus werden, aufgrund des Weglassens des Stromsensors, die Induktivität L und der Widerstand R des Servomotors 3 nicht durch eine erhöhte Temperatur beeinträchtigt. Der zweite und der dritte PI-Regler 12, 13 für die Achsen d und q können 2π*BW*(Ls + R)/(s + 2π*BW) entsprechen. Wie es in der 7 dargestellt ist, können der zweite und der dritte PI-Regler 12, 13 für die Achsen d und q ferner 2π*BW*(Ls + R)/(s + 2π*BW) entsprechen, und die Wicklungsübertragungsfunktion des Servomotors ist s = 1/(Ls + R), wobei kein Rückkopplungs-Statorstrom eine Rolle spielt.
-
Die 8 zeigt die Frequenzantwort des AC-Servomoduls dieser Ausführungsform, wobei ein Servomotor mit 2000 U/Min. und 3 kW dazu verwendet wird, eine Last mit dem fünffachen der Trägheit anzutreiben. Im unteren Teil der 8 entspricht die Kurve G dem Iq-Sollwert, und die Kurve H entspricht dem Rückkopplungsstrom. Daher zeigt der Iq-Sollwert einen kleinen Unterschied zum ausgegebenen Strom-Istwert. Im oberen Teil der 8 entspricht die Kurve E dem Drehzahl-Sollwert, und die Kurve F entspricht dem ausgegebenen Drehzahl-Istwert, die nahezu identisch mit denen in der 3 sind, bei denen ein durch den Sensor gelieferter Rückkopplungs-Statorstrom eine Rolle spielt. Die Widerstände und Induktivitäten des Motorstators zeigen einen kleinen Unterschied, jedoch kann eine Kompensation der Drehzahlschaltung erfolgen.
