DE102006052434B4 - Antriebssystem zum synchronisierten Betrieb mehrerer Synchronmotoren - Google Patents

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Abstract

Antriebsystem zum synchronisierten Betrieb mehrerer Synchronmotoren, aufweisend,
– eine Drehwinkelermittlungseinheit (6) zur Ermittelung eines elektrischen Drehwinkels (α') anhand einer Drehzahl (f)
– eine Stromrichtereinheit (5) zur Ansteuerung eines 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, wobei zur Bestimmung der Drehzahl (f) anhand der Lage (α) des Rotors die Regelungseinheit (8) durch Ableitung der Lage (α) nach der Zeit (t) und Dividierung durch den Wert 2π einen Drehzahlistwert berechnet und diesen von einem vorgegebenen Drehzahlsollwert (fsoll) subtrahiert, wobei die von der Regelungseinheit (8) bestimmte Drehzahl (f) der Drehwinkelermittlungseinheit (6) als Eingangsgröße zugeführt wird, wobei zur Synchronisation der Lage (α) des Rotors (3) des Synchronmotors 1 die Rotorlagen (αk) der anderen Synchronmotoren...

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Antriebssystem zum synchronisierten Betrieb mehrerer Synchronmotoren.
  • 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 fsoll. 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
    Figure 00030001
  • t:
    Zeit
    t0:
    Anfangszeitpunkt
    einen elektrischen Drehwinkel α' eines Spannungszeigers berechnet,
    wobei zusätzlich eine Moduloberechnung zur Begrenzung des Winkels α' auf den Wertebereich -π < α' ≤ πwenn α' < –π, dann α' := α' + 2π und
    wenn α' > π, dann α' := α' – 2π
    erfolgt. Der elektrische Drehrichtungswinkel α' des Spannungszeigers 11 ist dabei in 2 dargestellt. Der solchermaßen ermittelte elektrische Drehwinkel α' wird einer Stromrichtereinheit 5 als Eingangsgröße zugeführt, die aus dem elektrischen Drehwinkel α' mit Hilfe eines integrierten Stromrichters, die drei Ausgangsspannungen U1, U2, U3 zur Ansteuerung des Synchronmotors 1 erzeugt. Die Stromrichtereinheit 5 ist hierzu ausgangsseitig über Leitungen 12 mit dem Synchronmotor 1 verbunden.
  • 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 Synchronmotore 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 αk 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.
  • Aus der DE 102 48 690 A1 ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Synchronisation von an mehreren Einheiten ablaufenden Prozessen bekannt, wobei die Einheiten mit einer zentralen Steuereinheit über einen Datenbus verbunden sind.
  • Aus der DE 100 37 936 A1 ist eine Steuereinheit für einen Synchronmotor bekannt, welcher von einem mit einem Magnet versehenen Rotor gebildet wird. Die Steuereinheit weist dabei eine 180°-Leitungsansteuereinheit zum Ausführen einer 180°-Leitungsansteuerung des Synchronmotors auf.
  • Aus der DE 101 96 894 T5 ist eine sensorlose Steuervorrichtung eines Synchronmotors bekannt, die inkludiert einen Stromsensor zum Erfassen eines elektrischen Stroms eines Synchronmotors, eine Positions-und-Geschwindigkeitsschätzvorrichtung zum Berechnen einer geschätzten Geschwindigkeit des Synchronmotors und einer geschätzten Position eines Magnetpols durch Verwendung des Stroms, der von dem Stromsensor ausgegeben wird.
  • Aus der DE 10 2005 023 202 A1 ist ein Nockenwellenversteller mit einem in einem ersten Gehäuse angeordneten elektrischen Stellmotor und einem Elektronikmodul, welches einer elektrischen Beaufschlagung des Stellmotors dient, bekannt.
  • Aus der Veröffentlichung "Feldorientierte Regelung der Permanentmagnet-Synchronmaschine auf Basis des Drehzahlistwertes mit Winkelfehlerkorrektur", M. Glasl, B. Wittmann in e&i, Heft 1, Jänner 2003/120. Jahrgang ist ein Regelungskonzept für eine Permanentmagnet-Synchronmaschine bekannt.
  • Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Antriebssystem zum synchronisierten Betrieb mehrerer Synchronmotoren anzugeben, bei dem keine Lagegeber erforderlich sind.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Antriebsystem zum synchronisierten Betrieb mehrerer Synchronmotoren aufweisend,
    • – eine Drehwinkelermittlungseinheit zur Ermittelung eines elektrischen Drehwinkels anhand einer Drehzahl,
    • – eine Stromrichtereinheit zur Ansteuerung eines 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, wobei zur Bestimmung der Drehzahl anhand der Lage des Rotors die Regelungseinheit durch Ableitung der Lage nach der Zeit und Dividierung durch den Wert 2π einen Drehzahlistwert berechnet und diesen von einem vorgegebenen Drehzahlsollwert subtrahiert, wobei die von der Regelungseinheit bestimmte Drehzahl der Drehwinkelermittlungseinheit als Eingangsgröße zugeführt wird, wobei zur Synchronisation der Lage des Rotors des Synchronmotors die Rotorlagen der anderen Synchronmotoren der Regelungseinheit zugeführt werden und die Lage des Rotors des Synchronmotors an die anderen Regelungseinheiten innerhalb einer Recheneinrichtung weitergeleitet werden, wobei die Stromrichtereinheit und die Drehwinkelermittlungseinheit integraler Bestandteil einer Antriebseinrichtung sind, wobei die Antriebseinrichtung mit dem Synchronmotor über eine 3-phasige Leitung verbunden ist und mit der Recheneinrichtung verbunden ist, wobei die Regelungseinheit und die Rotorlagermittelungseinheit integraler Bestandteil der Recheneinrichtung sind, wobei die Antriebseinrichtung den elektrischen Drehwinkel der Rotorlagermittelungseinheit als Eingangsgröße zuführt.
  • Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
  • Es erweist sich als vorteilhaft, wenn die Stromrichtereinheit und die Drehwinkelermittlungseinheit integraler Bestandteil einer Antriebseinrichtung sind, wobei die Antriebseinrichtung 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:
    Figure 00080001
  • 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.
  • 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 (2)

  1. Antriebsystem zum synchronisierten Betrieb mehrerer Synchronmotoren, aufweisend, – eine Drehwinkelermittlungseinheit (6) zur Ermittelung eines elektrischen Drehwinkels (α') anhand einer Drehzahl (f) – eine Stromrichtereinheit (5) zur Ansteuerung eines 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, wobei zur Bestimmung der Drehzahl (f) anhand der Lage (α) des Rotors die Regelungseinheit (8) durch Ableitung der Lage (α) nach der Zeit (t) und Dividierung durch den Wert 2π einen Drehzahlistwert berechnet und diesen von einem vorgegebenen Drehzahlsollwert (fsoll) subtrahiert, wobei die von der Regelungseinheit (8) bestimmte Drehzahl (f) der Drehwinkelermittlungseinheit (6) als Eingangsgröße zugeführt wird, wobei zur Synchronisation der Lage (α) des Rotors (3) des Synchronmotors 1 die Rotorlagen (αk) der anderen Synchronmotoren der Regelungseinheit (8) zugeführt werden und die Lage (α) des Rotors (3) des Synchronmotors (1) an die anderen Regelungseinheiten innerhalb einer Recheneinrichtung (9) weitergeleitet werden, wobei die Stromrichtereinheit (5) und die Drehwinkelermittlungseinheit (6) integraler Bestandteil einer Antriebseinrichtung (7) sind, wobei die Antriebseinrichtung (8) mit dem Synchronmotor (1) über eine 3-phasige Leitung (U1, U2, U3) verbunden ist und mit der Recheneinrichtung (9) verbunden ist, wobei die Regelungseinheit (8) und die Rotorlagermittelungseinheit (11) integraler Bestandteil der Recheneinrichtung (9) sind, wobei die Antriebseinrichtung (7) den elektrischen Drehwinkel (α') der Rotorlagermittelungseinheit (11) als Eingangsgröße zuführt.
  2. Werkzeugmaschine, Produktionsmaschine, Transportmaschine, und/oder Handlingsmaschine mit einem Antriebssystem nach Anspruch 1.
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