DE102006052434A1

DE102006052434A1 - Verfahren und Antriebssystem zum Betrieb eines Synchronmotors

Info

Publication number: DE102006052434A1
Application number: DE102006052434A
Authority: DE
Inventors: Ralph Burgstahler; Michael Klaus
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2006-11-07
Filing date: 2006-11-07
Publication date: 2008-05-29
Anticipated expiration: 2026-11-08
Also published as: US7492118B2; US20080106230A1; DE102006052434B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Synchronmotors (1) mit folgenden Verfahrensschritten: - Ermittelung eines elektrischen Drehwinkels (alpha') anhand einer Drehzahl (f), wobei der Synchronmotor (1) entsprechend dem elektrischen Drehwinkel (alpha') angesteuert wird, - Ermittelung einer Lage (alpha) eines Rotors (3) des Synchronmotors (1) anhand des elektrischen Drehwinkels (alpha') und - Bestimmung der Drehzahl (f) anhand der Lage (alpha) des Rotors (3). Weiterhin betrifft die Erfindung ein diesbezügliches Antriebssystem. Die Erfindung schafft ein Verfahren und ein Antriebssystem zum Betrieb eines Synchronmotors, wobei kein Lagegeber benötigt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und einen Antrieb zum Betrieb eines Synchronmotors.
Insbesondere Werkzeugmaschinen, Produktionsmaschinen, Transportmaschinen und/oder Handlingsmaschinen werden häufig mittels elektrischer Synchronmotoren angetrieben. Die Maschinen weisen dabei mehrere Antriebsachsen auf, die mittels eines jeweilig zugehörigen Synchronmotors angetrieben werden.
Im Allgemeinen ist es im Betrieb einer solchen Maschine erforderlich, dass die Lagen der Rotoren der Synchronmotoren und damit die mechanischen Drehwinkel der Motorwellen miteinander synchronisiert werden um zum Beispiel bei einer Transportmaschine die verschiedenen Laufbänder zum Transport eines Produkts miteinander synchronisiert anzutreiben.
In 1 ist ein aus dem Stand der Technik allgemein bekanntes Antriebssystem zum Betrieb eines Synchronmotors 1 dargestellt. Der Synchronmotor 1 weist eine Motorwelle 2, die drehfest mit einem Rotor 3 des Synchronmotors 1 verbunden ist, auf. Die Motorwelle 2 treibt eine Last 10 an, die z.B. in Form einer Antriebswalze zum Antreiben eines Transportbandes vorlegen kann. Mit Hilfe eines Lagegebers 4, der mit der Motorwelle 2 verbunden ist, wird die Lage α des Rotors 3, d.h. im Falle eines rotatorischen Synchronmotors, der mechanische Drehwinkel α des Rotors 3, der mit dem Drehwinkel der Motorwelle 2 übereinstimmt, gemessen. Die solchermaßen bestimmte Lage α des Rotors 3 wird handelsüblich einer Regelungseinheit 8 als Eingangsgröße zugeführt. Die Regelungseinheit 8 berechnet durch Ableitung der Lage α nach der Zeit t und Dividierung durch den Wert 2π einen Drehzahlistwert und subtrahiert diesen von einem vorgegebenen Drehzahlsollwert f_soll. Die solchermaßen ermittelte Differenz wird dann innerhalb der Reglungseinheit 8 z.B. einem Proportional-Integral regler als Eingangsgröße zugeführt, der als Ausgangsgröße eine Drehzahl f ausgibt. Die solchermaßen von der Regelungseinheit 8 bestimmte Drehzahl f wird handelsüblich einer Drehwinkelermittlungseinheit 6 als Eingangsgröße zugeführt, die gemäß der Beziehung

t:: Zeit
t₀:: Anfangszeitpunkt

–π < α' ≤ π

11

2

5

1

5

12

1

Im Allgemeinen ist die Stromrichtereinheit 5 und die Drehwinkelermittlungseinheit 6 handelsüblich innerhalb einer Antriebseinrichtung 7 integriert, die z.B. in Form einer SINAMICS S120 der Firma Siemens vorliegen kann. Die Regelungseinheit 8 ist handelsüblich Bestandteil einer Recheneinrichtung 9, die im Allgemeinen in Form einer numerischen Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung, wie z.B. einer SIMOTION D4X5 der Firma Siemens, vorliegen kann. Der Lagegeber 4, die Regelungseinheit 8, die Drehwinkelermittlungseinheit 6, der Stromrichter 5 und der Synchronmotor 1 bilden einen Lageregelkreis zur Regelung der Lage α des Rotors 3 des Synchronmotors 1 und damit zur Regelung des mechanischen Drehwinkels der Motorwelle 2.
In 1 ist der Übersichtlichkeit halber nur ein einzelner solcher Lageregelkreis dargestellt. Bei einer handelsüblichen Maschine sind in der Regel mehrere Synchronmotor vorhanden, die mittels einer jeweilig zugehörigen Antriebseinrichtung 7 und einer jeweils zugehörigen Regelungseinheit 8 angesteuert werden. Die Regelungseinheit 8, die Antriebseinrichtung 7, der Synchronmotor 1, der Lagegeber 4 und die Last 10 sind also bei einer handelsüblichen Maschine mehrfach vorhanden, was durch entsprechende Pünktchen in 1 angedeutet ist, wobei in der Regel nur eine einzelne Recheneinrichtung 9, die ggf. mehrere Regelungseinheiten aufweist, vorhanden ist. Im Falle einer Maschine mit mehreren Antriebsachsen werden zur Synchronisation der Lage des Rotors 3 des Synchronmotors 1 die Rotorlagen α_k der anderen Synchronmotoren der Regelungseinheit 8 zugeführt und die Lage α des eigenen Rotors des Synchronmotors an die anderen Regelungseinheiten innerhalb der Recheneinrichtung 9 weitergeleitet, was in 1 entsprechend gestrichelt gezeichnet dargestellt ist.
Wie schon eingangs bemerkt sind die in 1 und 2 aufgezeigten Elemente und Funktionalitäten Stand der Technik und dem Fachmann allgemein bekannt.
Ein Nachteil dieses aus dem Stand der Technik bekannten Antriebssystems zum Betrieb von Synchronmotoren besteht darin, dass zum Betrieb des Synchronmotors ein physikalisch vorhandener Lagegeber, der die Lage α des Rotors des Synchronmotors ermittelt, vorhanden sein muss. Ein solcher Lagegeber ist aber einerseits teuer und andererseits eine Fehlerquelle im Falle eines Ausfalls des Lagegebers.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und ein Antriebssystem zum Betrieb eines Synchronmotors anzugeben, bei dem kein Lagegeber benötigt wird.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb eines Synchronmotors mit folgenden Verfahrensschritten:

– Ermittelung eines elektrischen Drehwinkels anhand einer Drehzahl, wobei der Synchronmotor entsprechend dem elektrischen Drehwinkel angesteuert wird,
– Ermittelung einer Lage eines Rotors des Synchronmotors anhand des elektrischen Drehwinkels und
– Bestimmung der Drehzahl anhand der Lage des Rotors.

Weiterhin wird diese Aufgabe gelöst durch ein Antriebssystem zum Betrieb eines Synchronmotors aufweisend,

– eine Drehwinkelermittlungseinheit zur Ermittelung eines elektrischen Drehwinkels anhand einer Drehzahl,
– eine Stromrichtereinheit zur Ansteuerung des Synchronmotors entsprechend dem elektrischen Drehwinkel,
– eine Rotorlagermittelungseinheit zur Ermittelung einer Lage eines Rotors des Synchronmotors anhand des elektrischen Drehwinkels und
– eine Regelungseinheit zur Bestimmung der Drehzahl anhand der Lage des Rotors.

Insbesondere wird durch die Erfindung die Synchronisation von Antriebsachsen einer Maschine ermöglicht, ohne dass hierfür Lagegeber erforderlich sind.
Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Vorteilhafte Ausbildungen des Verfahrens ergeben sich analog zur vorteilhaften Ausbildung des Antriebssystems und umgekehrt.
Es erweist sich als vorteilhaft, wenn die Stromrichtereinheit und die Drehwinkelermittlungseinheit integraler Bestandteil einer Antriebseinrichtung sind, wobei die Antriebeinrichtung mit dem Synchronmotor und einer Recheneinrichtung verbindbar ist, da die Stromrichtereinheit und die Drehwinkelermittlungseinheit handelsübliche Bestandteile einer Antriebseinrichtung sind.
Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Regelungseinheit und die Rotorlagermittelungseinheit integraler Bestandteil der Recheneinrichtung sind, weil dann zur Realisierung der Erfindung keine wesentlichen Veränderungen in der Antreibseinrichtung notwendig sind.
Ferner erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Regelungseinheit integraler Bestandteil der Recheneinrichtung ist und die Rotorlagermittelungseinheit integraler Bestandteil der Antriebseinrichtung ist, da dann innerhalb einer handelsüblich ausgebildeten Recheneinrichtung keine zusätzliche Rotorlagermittelungseinheit mehr integriert werden muss.
Ferner erweist es sich als vorteilhaft, eine Werkzeugmaschine, Produktionsmaschine, Transportmaschine und/oder eine Handlingsmaschine mit dem der erfindungsgemäßen Antriebssystems auszubilden, da bei solchen Maschinen häufig Synchronmotoren lagegeregelt betrieben werden müssen. Selbstverständlich ist die Erfindung aber auch bei anderen Maschinen einsetzbar.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher erläutert. Dabei zeigen:
1 ein Antriebssystem zum Betrieb eines Synchronmotors nach dem Stand der Technik,
2 ein elektrischer Drehwinkel α' eines Spannungszeigers 11 gemäß dem Stand der Technik und
3 ein erfindungsgemäßes Antriebssystem.
In 3 ist in Form eines Blockschaltbildes das erfindungsgemäße Antriebssystem dargestellt. Das in 3 dargestellte Antriebssystem entspricht dem Grundaufbau im Wesentlichen des vorstehend in 1 aus dem Stand der Technik bekannten Antriebssystems. Gleiche Elemente sind daher in 3 mit dem gleichen Bezugszeichen versehen, wie in 1. Der wesentliche Unterschied des erfindungsgemäßen Antriebssystems gemäß 3 gegenüber dem Antriebssystem gemäß 1 besteht darin, dass das Antriebssystem gemäß 3 keinen physikalisch vorhandenen Lagegeber mehr aufweist, sondern dass die Lage α des Rotors 3 aus dem ohnehin innerhalb der Antriebseinrichtung 7 verfügbaren elektrischen Drehwinkels α' ermittelt wird.
Hierzu weist im Rahmen des Ausführungsbeispiels die Recheneinrichtung 9 gegenüber dem Stand der Technik zusätzlich eine Rotorlageermittlungseinheit 11 auf. Die Rotorlageermittlungseinheit 11 berechnet aus dem elektrischen Drehwinkel α' die Lage α des Rotors 3 des Synchronmotors 1 gemäß der Beziehung:

p:: Polpaarzahl des Synchronmotors
t:: Zeit
t₀:: Anfangszeitpunkt

Dabei kommt ebenfalls eine Moduloberechnung zum Einsatz, um die Lage α auf –π < α ≤ π zu begrenzen.
wenn α < –π, dann α := α + 2π
wenn α > π, dann α := α – 2π
Der elektrische Drehwinkel α' wird von der Antriebseinrichtung 7, insbesondere von der Drehwinkelermittlungseinheit 6, der Rotorlageermittlungseinheit 11 als Eingangsgröße zugeführt. Alternativ kann die Rotorlageermittlungseinheit 11 anstatt innerhalb der Recheneinrichtung 9 auch integraler Bestandteil der Antriebseinrichtung 7 sein, wobei in diesem Falle die Lage α des Rotors 3 des Synchronmotors 1 von der Antriebseinrichtung 7 direkt der Regelungseinheit 8 als Eingangsgröße zugeführt wird.
Die Erfindung ist sowohl bei einem Antriebssystem zum Betrieb nur eines einzeln Synchronmotors als auch bei einem Antriebssystem zum Betrieb von mehreren Synchronmotoren verwendbar.
Bei dem erfindungsgemäßen Antriebssystem kann jedoch auch, falls mehrere Synchronmotoren betrieben werden sollen, eine Mischung derart stattfinden, dass z.B. bei zwei Synchronmotoren die Lagen der Rotoren der jeweiligen Synchronmotoren mit Hilfe von Lagegebern ermittelt wird, während die Lagen der übrigen Synchronmotoren, die betrieben werden sollen, mittels des jeweiligen elektrischen Drehwinkels α' bestimmt werden. Somit können Synchronmotoren mit und ohne Lagegeber zusammen betrieben, insbesondere miteinander synchronisiert betrieben, werden.

Claims

Verfahren zum Betrieb eines Synchronmotors (1) mit folgenden Verfahrensschritten: – Ermittelung eines elektrischen Drehwinkels (α') anhand einer Drehzahl (f), wobei der Synchronmotor (1) entsprechend dem elektrischen Drehwinkel (α') angesteuert wird, – Ermittelung einer Lage (α) eines Rotors (3) des Synchronmotors (1) anhand des elektrischen Drehwinkels (α') und – Bestimmung der Drehzahl (f) anhand der Lage (α) des Rotors (3).
Antriebsystem zum Betrieb eines Synchronmotors aufweisend, – eine Drehwinkelermittlungseinheit (6) zur Ermittelung eines elektrischen Drehwinkels (α') anhand einer Drehzahl (f), – eine Stromrichtereinheit (5) zur Ansteuerung des Synchronmotors (1) entsprechend dem elektrischen Drehwinkel (α'), – eine Rotorlagermittelungseinheit (11) zur Ermittelung einer Lage (α) eines Rotors 3 des Synchronmotors (1) anhand des elektrischen Drehwinkels (α') und – eine Regelungseinheit (8) zur Bestimmung der Drehzahl (f) anhand der Lage (α) des Rotors.
Antriebssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromrichtereinheit (5) und die Drehwinkelermittlungseinheit (6) integraler Bestandteil einer Antriebseinrichtung (7) sind, wobei die Antriebeinrichtung (7) mit dem Synchronmotor (1) und einer Recheneinrichtung (9) verbindbar ist.
Antriebsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelungseinheit (8) und die Rotorlagermittelungseinheit (11) integraler Bestandteil der Recheneinrichtung (9) sind.
Antriebsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelungseinheit (8) integraler Bestandteil der Recheneinrichtung (9) ist und die Rotorlagermittelungseinheit (11) integraler Bestandteil der Antriebseinrichtung (7) ist.
Werkzeugmaschine, Produktionsmaschine, Transportmaschine, und/oder Handlingsmaschine mit einem Antriebssystem nach einem der Ansprüche 2 bis 5.