DE102007049447B4

DE102007049447B4 - Grenzwertsensitive Elektronikkurvenscheibe

Info

Publication number: DE102007049447B4
Application number: DE102007049447.7A
Authority: DE
Inventors: Carsten Krämer; Reiner VOLK
Original assignee: Elau GmbH
Current assignee: Elau GmbH
Priority date: 2007-10-16
Filing date: 2007-10-16
Publication date: 2023-11-30
Anticipated expiration: 2027-10-17
Also published as: DE102007049447A1

Abstract

Grenzwertsensitive Elektronikkurvenscheibe zur elektronischen Nachbildung einer mechanischen Kurvenscheibe, bestehend aus- einem digitalen Leitsollwert 1 und- einer Steuerelektronik 2 und- wenigstens einem Folgeantrieb 4, jeweils bestehend aus einem Regler 41 mit einem Folgemotor 42, mit dem ein Folgewinkelgeber 43 mechanisch verkuppelt ist, wobei- der Leitsollwert 1 von der Steuerelektronik 2 auswertbar ist, welche je einen Antriebssollwert 3 an jeden Regler 41 vorgibt, durch den der zugeordnete Folgemotor 42 mit Strom versorgt wird und- jeder Folgewinkelgeber 43 von der Steuerelektronik 2 auswertbar ist, -wobei in die Steuerelektronik 2 je ein Bewegungsverhältniswert 5 für das winkelsynchrone Drehzahlverhältnis zwischen Leitsollwert 1 und jedem Folgewinkelgeber 43 eingegeben wird und- in der Steuerelektronik 2 der Leitsollwert 1 laufend extrapoliert wird und- auf der Basis dieses in der Zukunft zu erwartenden Leitsollwertes 1 sowie des zu diesem Zeitpunkt auszuführenden Bewegungsverhältniswertes 5 in einem Grenzwertsimulator 22 laufend berechnet wird,- ob in einem der Folgeantriebe 4 daraufhin einer von mehreren Werten eine parametrierte Grenze 7 überschreitet und- wie groß der Anstieg dieses Wertes sein wird und- bei einer drohenden Überschreitung von der Steuerelektronik 2 die Differenz zwischen dem Ausgangssignal des jeweiligen Folgereglers 42, das mit dem Bewegungsverhältniswert 5 bewertet ist, und dem Leitsollwert 1 in der Steuerelektronik 2 als Korrekturgröße 8 auf jeden Antriebssollwert 3 aufgeschaltet wird und- die der o.g. Differenz entsprechende, exakte Anzahl von Umdrehungen jedes Folgemotors 42 in einem Wegdifferenzspeicher 21 in der Steuerelektronik 2 gespeichert wird und- nach dem Unterschreiten des o.g. Grenzwertes dem Antriebssollwert 3 des jeweiligen Reglers 41 wieder aufgeschaltet wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine grenzwertsensitive Elektronikkurvenscheibe zur elektronischen Nachbildung einer mechanischen Kurvenscheibe, bestehend aus einem digitalen Leitsollwert und einer Steuerelektronik und wenigstens einem Folgeantrieb, jeweils bestehend aus einem Regler mit einem Folgemotor, mit dem ein Folgewinkelgeber mechanisch verkuppelt ist, wobei der Leitsollwert von der Steuerelektronik auswertbar ist, welche je einen Antriebssollwert an jeden Regler vorgibt, durch den der zugeordnete Folgemotor mit Strom versorgt wird und jeder Folgewinkelgeber von der Steuerelektronik auswertbar ist und in die Steuerelektronik je ein Bewegungsverhältniswert für das winkelsynchrone Drehzahlverhältnis zwischen Leitsollwert und jedem Folgewinkelgeber eingebbar ist.
Mit dem Begriff Elektronikkurvenscheibe ist hier ein Antriebssystem gemeint, das einen winkelsynchronen Gleichlauf mit einem bestimmten Übersetzungsverhältnis zwischen einem digitalen Leitsollwert (auch virtuelle Achse genannt) und wenigstens einem Folgeantrieb ermöglicht.
Im einfachsten Fall wird die Impulsfolge des Leitsollwertes mit der Impulsfolge aus einem Folgewinkelgeber am Motor des Folgeantriebes verglichen. Wenn eine Impulsdifferenz auftritt, wird ein entsprechender Korrektursollwert gebildet, der den Folgeantrieb entweder verzögert oder beschleunigt. Dieses Prinzip wird meist als „elektronische Welle“ bezeichnet.
Für ein Drehzahlverhältnis von 1 zu 2 wird jeder zweite Impuls aus dem Folgewinkelgeber ausgeblendet. Dadurch bildet sich eine große Impulsdifferenz, die einen entsprechenden, hohen Folgesollwert erzeugt, der dem Folgeantrieb zusätzlich zum Hauptsollwert vorgegeben wird. Dadurch läuft der Folgeantrieb mit doppelter Drehzahl.
Dieses Prinzip ist unter der Bezeichnung „elektronisches Getriebe“ oder auch „elektronische Königswelle“ bekannt und in vielen Steuerungen erfolgreich genutzt. Es ist die zeitgemäße Ausführungsform eines Antriebssystems mit mehreren, anzutreibenden Achsen, die im Verlauf des Maschinenprozesses verschiedene Drehzahlen einnehmen müssen. Dafür wurde in den ersten beiden Dritteln des 20. Jahrhunderts meist eine zentrale Welle, die sogenannten Königswelle, in der Maschine angeordnet, von der aus entweder über Getriebe mit einem festen Übersetzungsverhältnis oder über Getriebe mit Kurvenscheiben, also einem variierenden Übersetzungsverhältnis, die einzelnen Achsen angetrieben wurden.
Da die häufige Änderung eines Übersetzungsverhältnisses stets ein Schaltgetriebe erfordert und die Veränderung einer Bewegungskurve stets eine neue Kurvenscheibe erfordert, sind solche mechanischen Getriebe sehr aufwändig in der Herstellung, bei der Inbetriebnahme und bei der Umstellung der Maschine auf ein neues Produkt mit anderen Größenverhältnissen, also auch anderen Drehzahlen in der Maschine.
Da der Markt immer häufiger kleine Stückzahlen der Produkte mit neuen Abmessungen fordert, müssen die Maschinen immer häufiger umgerüstet werden, was lange Stillstandszeiten bedeutet. Um den Zeitaufwand des Umrüstens zu reduzieren, werden immer mehr elektronische Getriebe und elektronische Kurvenscheiben im Maschinenbau verwendet.
Wie das obige Beispiel mit der Verdoppelung der Drehzahl des Folgeantriebes zeigt, ist es steuerungstechnisch verhältnismäßig einfach, dem Folgeantrieb einen verdoppelten Drehzahlsollwert für die Verdoppelung der Drehzahl des Motors aufzugeben. Eine wesentliche Grenze dieses Prinzips ist jedoch die physikalisch vorgegebene Höchstdrehzahl des Motors. Insbesondere wenn das Drehzahlverhältnis von einer elektronischen Kurvenscheibe vorgegeben wird, können kurzzeitige Drehzahlspitzen, Spitzenstromwerte, eine Spitze im Leistungsbedarf, in der Beschleunigung oder in der Beschleunigungsänderung sowie bei der Verzögerung oder der Verzögerungsänderung den Motor oder den Regler des Folgemotors überfordern. Ebenso wie beim Überschreiten von Temperaturgrenzen melden dann die entsprechenden Geber, Sensoren und Überwachungsschaltkreise eine Störung.
Wenn die Gleichlaufsteuerung nicht schon beim Überschreiten einer gewissen Differenz des Gleichlaufverhältnisses wegen Störung ausgeschaltet hat, dann führt in zweiter Instanz die Störungsmeldung aus dem Regler zum Stop der gesamten Maschine mit allen, denkbaren nachteiligen Konsequenzen bis hin zum aufwändigen Leerräumen der gesamten Maschine und mühevollem Wiederanlauf.
Um diesen Effekt zu vermeiden, ist es bei zyklischen Prozessabläufen und dadurch vorhersehbaren Grenzwertüberschreitungen in einem der Folgeantriebe erforderlich, den gesamten Prozess auf das dynamisch „schwächste“ Glied dieser Funktionskette abzustimmen. Die Grenzwertüberschreitung in nur einem von womöglich zahlreichen Folgeantrieben erfordert dann für die gesamte Maschine eine Absenkung der Geschwindigkeit des Arbeitsprozesses oder eine Verminderung der Beschleunigung oder der Verzögerung oder eine andere Verlangsamung des Prozesses.
Aus der DE 102 48 690 A1 ist eine Vorrichtung bekannt, bei der über eine zentrale Steuereinheit Leitsollwerte an mehrere Folgeantriebe synchron übermittelt werden. Die Ausführung der Steuerbefehle kann in jedem Folgeantrieb zeitversetzt erfolgen. Maßnahmen zur Korrektur des Leitsollwertes sind nicht vorgesehen.
Aus der DE 103 12 379 A1 sind Master-/Slaveantriebe bekannt, bei denen ausgehend vom Masterantrieb, der der Lieferung der Sollwerte dient, Synchronisationsfunktionen für jeden Slaveantrieb anhand mathematischer Modelle ermittelt werden, die zum Ziel haben, eine Synchronität von Drehzahl und Winkel der Antriebe herzustellen und entsprechende Korrektursteuerbefehle zu ermitteln.
Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, bei einer elektronischen Kurvenscheibe Maßnahmen zu ergreifen, die sicherstellen, dass kritische Grenzwerte in wenigstens einem Folgeantrieb nicht erreicht oder gar überschritten werden.
Als Lösung präsentiert die Erfindung eine grenzwertsensitive Elektronikkurvenscheibe mit den in den Ansprüchen angegebenen Merkmalen.
Die Kernidee der Erfindung ist die vorbeugende Verzögerung des Leitsollwertes falls in einem der Folgeantriebe die Überschreitung eines Grenzwertes droht. Dazu wird in der Steuerelektronik laufend im Voraus ermittelt, welcher Betrag der Leitsollwert zu einem bestimmten Zeitpunkt in der nächsten Zukunft haben wird. Der Leitsollwert wird also extrapoliert.
Für diesen Zeitpunkt wird für jede Folgeachse der dann gültige Bewegungsverhältniswert und der dann gültige Leitsollwert innerhalb der Steuerelektronik in einen Grenzwertsimulator eingegeben. Dieser Grenzwertsimulator ist ein virtuelles Modell des Verhaltens vom jeweiligen Folgeantrieb. Auf der Grundlage dieses Verhaltens wird berechnet, ob der Folgeantrieb bei bestimmten ausgesuchten Werten wie z.B. Motorstrom, Drehzahl oder Reglertemperatur, vorgegebene Grenzen überschreiten wird.
Wenn diese Gefahr besteht reagiert die Steuerelektronik sofort mit dem Ziel, ein zukünftiges Überschreiten dieses Grenzwertes zu vermeiden. Dafür wird ein Leitkorrektursollwert gebildet, der umso höher ist, je steiler der seine Grenze bald überschreitende Wert ansteigt.
Dieser Leitkorrektursollwert wird dann mit dem Leitsollwert überlagert. In den allermeisten Fällen wird dadurch der resultierende Wert gegenüber dem Leitsollwert reduziert, so dass die Maschine langsamer arbeitet, wodurch die befürchtete Überschreitung eines Grenzwertes ausbleibt.
Derweil verfolgt jedoch der Grenzwertsimulator kontinuierlich den kommenden Leitsollwert und die zugehörigen Bewegungsverhältniswerte und berechnet daraus den aktuell erforderlichen Leitkorrektursollwert. Sobald der kritische Bereich wieder verlassen wird sinkt deshalb auch der Leitkorrektursollwert wieder auf Null ab.
Dabei ist mit dem Begriff „Reduzieren“ gemeint, dass nicht nur die Drehzahl entsprechend reduziert wird, sondern je nach Art des erreichten Grenzwertes entweder der Ausgangsstrom verringert wird, und/oder die Leistung und/oder die Beschleunigung und/oder die Beschleunigungsänderung und/oder die Verzögerung und/oder die Verzögerungsänderung etwas zurückgenommen wird.
Mit dem hier gebrauchten Begriff der „Grenze“ ist nicht nur eine Obergrenze gemeint, also das Überschreiten eines Wertes nach oben hin, sondern auch eine Untergrenze. Es kann durchaus Anwendungsfälle geben, bei denen ein Folgeantrieb eine Mindestdrehzahl nicht unterschreiten darf. Wenn zum Beispiel ein vom Folgeantrieb bewegtes, viskoses Medium andernfalls erstarren würde und dann nur mit großem Aufwand aus der Maschine wieder heraus gebracht werden könnte. Der Übersichtlichkeit halber werden jedoch im Folgenden ausschließlich die - in der Praxis wohl bei weitem häufigeren - Fälle einer Überschreitung des Grenzwertes erläutert.
Als zusätzliche Sicherheit für das Überschreiten einer Grenze können die o.g. Werte noch durch geeignete Geber wie z.B. einen Temperaturfühler, einen Drehzahlgeber oder einen Messwiderstand von der Steuerelektronik direkt gemessen werden und für den - im Normalfall nicht erwarteten - Zustand einer tatsächlichen Überschreitung der vorgegebenen Grenzwerte für eine Intensivierung des Korrektursollwertes eingesetzt werden.
Auch für die Erfassung von Beschleunigungen sind Geber bekannt, die als kompakte Baugruppe üblich sind und daher ebenfalls als Sensor genutzt werden können, der das Erreichen einer Grenze überwacht. Nur die Leistung kann nicht direkt gemessen werden, sondern wird entweder als Produkt aus Geschwindigkeit und Beschleunigung oder als Produkt aus dem Quadrat des Stromwertes und der Zeitdauer dieses Stromflusses (i²t) erfasst.
Eine weitere Grenze kann vom Maschinenprozess vorgegeben sein, wie z. B. eine bestimmte Zeit, während derer bestimmte eingebbare Höchstwerte nicht überschritten werden dürfen oder sogar bestimmte, parametrierte Werte möglichst genau eingehalten werden sollen. Ein Beispiel ist bei einer Schlauchbeutelmaschine das Verschweißen des Beutels. Wenn für diesen Schweißvorgang eine stationäre Schweißeinheit vorgesehen ist, muss die Bewegung des Schlauches während dem Verschweißen stets unterbrochen werden. Wenn die Schweißbacken mit dem Schlauch mitfahren, aber ihre Geschwindigkeit nicht regelbar ist, muss dieser Geschwindigkeitswert vorübergehend der Leitsollwert für die anderen am Prozess beteiligten Antriebe werden.
Selbst dann, wenn die Schweißeinheit in ihrer Geschwindigkeit regelbar ist, ergeben sich daraus Grenzen. So ist z. B. der Verfahrweg für eine solche mitlaufende Bearbeitungseinrichtung grundsätzlich begrenzt, sodass in diesem Beispiel die Folie am Ende des Verfahrweges für die Schweißbacken auch mit Sicherheit verschweißt sein muss. Da die verfahrbaren Schweißbacken am Ende des Prozesses wieder zurück in den Ausgangspunkt gefahren werden müssen, ergibt sich auch aus dieser Verfahrzeit eine weitere Grenze für ein Elektronikkurvenscheibesystem, das eine solche Schlauchbeutelmaschine antreibt.
Eine weitere, denkbare Form der Vorgabe von Grenzwerten ist ein Programm in der Steuerelektronik, das den Spitzenbedarf an Energie begrenzt. Ein solches Programm könnte nicht nur bestimmte Stromgrenzen vorgeben, sondern z. B. bei einem bereits sehr schnell drehenden Antrieb, der dabei unter hoher Last läuft, eine nur noch sehr geringe Beschleunigung oder nur noch sehr kleine Beschleunigungsänderung zulassen. Damit die elektronische Kurvenscheibe jedoch trotz dieser Limitierung weiterhin alle Antriebe im geforderten, winkelsynchronen Gleichlauf mit dem jeweiligen Bewegungsverhältniswert zueinander hält, meldet das Energiesparprogramm das Erreichen eines Grenzwertes, woraufhin die Elektronikkurvenscheibe vorübergehend die Anlagengeschwindigkeit etwas zurück fährt.
Ebenso wie der Spitzenenergiebedarf durch ein Programm begrenzt werden kann, kann auch der mittlere Energiebedarf limitiert werden und dafür entsprechende Grenzen an die Elektronikkurvenscheibe ausgegeben werden.
Wenn beim drohenden Erreichen eines Grenzwertes die davon betroffenen Regelgrößen schlagartig reduziert werden müssen, wenn also z. B. der Strom eines Motors schlagartig auf Null gesetzt werden muss , erzeugt das einen Ruck, also eine hohe Beschleunigungsänderung. Derartige Unstetigkeitsstellen sind in jeder Maschine höchst unwillkommen, da sie eine unnötige Belastung nicht nur der Antriebe sondern auch der Maschine darstellen. In solchen Fällen schlägt die Erfindung vor, dass der zeitliche Abstand vom Beginn der Korrektur bis zum Erreichen der eigentlichen Grenze vergrößert wird, sodass eine Differenz für einen Regelhub verbleibt, innerhalb dessen der Übergang vom unbegrenzten winkelsynchronen Antrieb zum begrenzten winkelsynchronen Antrieb kontinuierlich verläuft. Es ergibt sich daraus die Notwendigkeit für eine weiter in die Zukunft vorauseilende Extrapolation des Leitsollwertes.
Zahlreiche Maschinenabläufe müssen in einigen Abschnitten - z. B. beim Aufsetzen und Verfahren einer empfindlichen Nutzlast - besonders ruckarm verfahren werden, in anderen Bereich des Zyklus jedoch mit möglichst hoher Dynamik und größeren Änderungen der Beschleunigung - z. B. wenn gerade kein Produkt in der Maschine ist, sondern die Maschine in eine neue Startposition verfahren werden muss. Für solche Prozesse ist es sinnvoll, dass der zeitliche Abstand zwischen Korrekturbeginn und dem vorausberechneten Zeitpunkt des Erreichens einer Grenze während des Betriebes in der Steuerelektronik auf verschiedene Werte umschaltbar ist.
In diesem Sinne sollte auch ein Leitkorrekturwert beim Übergang zwischen unbegrenztem und begrenztem Betrieb nicht schlagartig vorgegeben werden, sondern stufenlos oder zumindest stufenweise anwachsen und eine vorgegebene Beschleunigungsänderung nicht überschreiten.
Andere Gründe zur Vorgabe einer Grenze für einen Winkelsynchronantrieb können die höchstzulässige Beschleunigung und/oder Verzögerung eines Werkstückes oder einer Nutzlast in einer Maschine sein. Ein Beispiel sind Nutzlasten, die nur auf einem Transportband durch ihre Schwerkraft fixiert sind und nicht durch allzu heftige Beschleunigungen oder gar Beschleunigungsänderungen verrutschen dürfen.
Eine andere, mögliche Grenze für den Winkelsynchronantrieb wäre ein Programm in der Steuerelektronik, das eine hängende und pendelnde Last dämpft oder das Schwappen einer Flüssigkeit in einem offenen Behälter begrenzt, indem ein Sensor für das Pendeln bzw. das Schwappen von der Steuerelektronik ausgewertet wird und dem eigentlichen Sollwert für den Antrieb ein Korrektursollwert überlagert wird, welcher ihm bei einem großen Pendelausschlag in Bewegungsrichtung nachfährt und bei einem Ausschlag entgegen der Bewegungsrichtung sich ebenfalls entsprechend verzögert. Dadurch wird erreicht, dass das Seil der hängenden Last nur wenig von der Senkrechten abweicht und der Spiegel einer Flüssigkeit sich nicht viel von der Waagerechten entfernt.
Eine weitere, sinnvolle Ausführungsvariante der Erfindung ist die Vorausberechnung eines Korrekturwertes bei zyklischen Verläufen und die Einspeicherung eines entsprechenden Korrekturwertes als Vorauskorrektur, also als sogenannter Feed-Forward. Eine solche Regelungsstruktur ist insbesondere dann sinnvoll, wenn eine Maschine sehr straffe, zyklische Abläufe hat und die Unterschiede zwischen den einzelnen Zyklen nicht allzu groß sind.
Eine weitere, für bestimmte Maschinenprozesse sinnvolle Variante eines erfindungsgemäßen Elektronikkurvenscheibe bezieht sich auf einen Leitsollwert, der nicht beeinflussbar ist, z.B. weil er nur mit massivem Aufwand geändert werden könnte oder der nur wegen einiger daran angeschlossener Folgeantrieben nicht beeinflusst werden soll. Wenn es der Prozess zulässt, dass nicht in jedem Augenblick ein exakt winkelsynchrones Drehzahlverhältnis zwischen dem Leitsollwert und sämtlichen Folgegebern einzuhalten ist, sondern kurzzeitige Abweichungen zulässig sind, die zu einem späteren Zeitpunkt wieder nachgeholt werden können und sollen, dann ist es beim Erreichen eines Grenzwertes sinnvoll, dass die Differenz zwischen dem Ausgangssignal des jeweiligen Folgereglers, das mit einem vorgegebenen Bewegungsverhältnis gewertet ist und dem Leitsollwert in der Steuerelektronik als verzögernde Korrekturgröße auf jeden Antriebssollwert aufgebbar ist und die der oben genannten Differenz entsprechende, exakte Anzahl von Umdrehungen jedes Folgemotors in einem Wegdifferenzspeicher in der Steuerelektronik speicherbar ist und nach dem Unterschreiten des oben genannten Grenzwertes dem Antriebssollwert des jeweiligen Reglers wieder aufschaltbar ist.
In dieser Variante wird also bei Erreichen der Grenze eines Folgeantriebes nicht etwa das gesamte miteinander verknüpfte Antriebssystem verzögert, sondern nur derjenige Teil, der von der Elektronikkurvenscheibe kontrolliert wird. Bei allen Antrieben, die durch die elektronische Kurvenscheibe miteinander verbunden sind, wird auch während des Erreichens des Grenzwertes jedes Drehzahlverhältnis der Antriebe untereinander weiterhin vorgabegemäß bleiben, jedoch vorübergehend auf ein anderes Niveau abgesenkt, sodass auch ein kurzzeitig überforderter Antrieb weiterhin mit im Verbund fahren kann. Wenn die Sollwertvorgabe für das gesamte Antriebssystem wieder soweit abgesunken ist, dass auch der zuvor an seine Grenze gelangte Antrieb wieder mit ausreichender Leistung in den gesamten Bewegungsverband einscheren kann, werden die bisher noch nicht absolvierten, aber gespeicherten Wegstreckenteile als zusätzlicher Sollwert kontinuierlich eingespeist, sodass am Ende dieses Korrekturvorganges der korrekte winkelsynchrone Lauf in Bezug auf den Leitsollwert vollständig durchgeführt ist, wenn auch mit vorübergehenden Abweichungen.
Damit die Korrektur der Bewegung nach dem Wiedereinscheren in die eigentlich geforderte Dynamik bei unverändert winkelsynchronen Drehzahlverhältnissen nicht zu heftig und mit einem Ruck abläuft, ist es sinnvoll, dass die Wiederaufschaltung der im Wegdifferenzspeicher gespeicherten Umdrehungen auf eine bestimmte Anzahl von Umdrehungen verteilbar ist. Dabei sollte der jeweilige Wert der Aufschaltung von Null aus kontinuierlich gesteigert werden, aber einen bestimmten, einstellbaren Höchstwert nicht überschreiten und bis zur vollständigen Entleerung des Wegdifferenzspeichers wieder kontinuierlich auf Null absinken.
Im Folgenden sollen weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung anhand von Beispielen näher erläutert werden. Diese sollen die Erfindung jedoch nicht einschränken, sondern nur erläutern. Es zeigt in schematischer Darstellung:

1 Dreidimensionales Blockschaltbild einer Steuerelektronik und zwei Folgeantrieben mit einem Leitsollwert und einem Leitkorrektursollwert
2 Blockschaltbild wie vor, jedoch mit Leitsollwert von einem realen Leitantrieb
3 Blockschaltbild wie 1, jedoch mit einem zusätzlichen Wegdifferenzspeicher anstelle des Leitkorrektursollwertes
4 Blockschaltbild wie 2 mit einem realen Leitsollwertgeber, jedoch mit einem zusätzlichen Wegdifferenzspeicher für einen kumulierenden Winkelsynchronlauf mit vorübergehender, teilweiser Entkopplung.

Die Figuren zeigen im Einzelnen:
Die 1 zeigt in dreidimensionaler Darstellung das Gehäuse der Steuerelektronik 2, neben dem die Gehäuse der beiden Regler 41 zur Versorgung jeweils eines Folgemotors 42 angeordnet sind. Von jedem Regler 41 führt ein dickes Kabel zur Einspeisung des Stromes in den Folgemotor 42, an dem je ein Folgewinkelgeber 43 angeflanscht ist, der seine jeweilige Winkelstellung dem Regler 41 sowie der Steuerelektronik 2 mitteilt.
In 1 ist die zentrale Aufgabe der Steuerelektronik 2 gut nachzuvollziehen, nämlich den Leitsollwert 1 zu erfassen und dessen Signale, z. B. eine Impulsfolge, mit den Signalen der Folgewinkelgeber 43 an den Folgeantrieben 4 zu vergleichen und in ein bestimmtes, winkelsynchrones Drehzahlverhältnis zueinander zu bringen, das vom Bewegungsverhältniswert 5 für jeden Folgeantrieb 4 vorgegeben wird.
In der Ausführungsvariante gemäß 1 erfolgt die Vorgabe des Bewegungsverhältniswertes 5 entweder durch den festen Verhältnissollwert 51, hier symbolisiert durch einen dreistelligen Daumenradschalter oder durch die Bewegungskurve 52, hier symbolisiert durch die Grafik einer mechanischen Nocke. Ein Umschalter soll verdeutlichen, dass entweder ein fester Verhältnissollwert 51 oder eine Bewegungskurve 52 der Steuerelektronik 2 vorgegeben wird, damit dieser jeweilige Bewegungsverhältniswert 5 als Faktor für das Verhältnis der Bewegung des Folgemotors 42 in Abhängigkeit vom Leitsollwert 1 eingesteuert wird.
Zur Steuerung der Folgeantriebe 4 bildet die Steuerelektronik 2 unter Berücksichtigung des Leitsollwertes 1 und des Bewegungsverhältniswertes 5 für jeden Folgeantrieb 4 einen Antriebssollwert 3, der in die Regler 41 der Folgeantriebe 4 eingespeist wird.
In 1 ist die Hardware für die erste Methode gemäß Anspruch 1 von den beiden unterschiedlichen Korrekturmethoden einer erfindungsgemäßen, grenzwertsensitiven Elektronikkurvenscheibe dargestellt, die Folgeantriebe davor bewahrt, Grenzwerte zu erreichen: In dieser Variante hat die Steuerelektronik 2 einen Zugriff auf den Leitsollwert 1. Dafür wird in dem Grenzwertsimulator 22 - in 1 als Block in der Steuerelektronik 2 dargestellt - laufend der Leitsollwert extrapoliert und mit dem dann gültigen Bewegungsverhältniswert 5 beaufschlagt und für den so ermittelten Sollwert eines jeden Antriebes im Grenzwertsimulator 22 geprüft, ob der Folgeantrieb von diesem Sollwert zum Überschreiten einer bestimmten, vorgeschriebenen Grenze gezwungen werden würde. Sobald erstmals die drohende Überschreitung einer solchen Grenze errechnet wird, wird ein Leitkorrektursollwert 9 gebildet, der nach einer Überlagerung mit dem Leitsollwert, die Dynamik des gesamten Systems soweit reduziert, dass das Überschreiten des Grenzwertes vermieden wird.
Parallel dazu empfängt die Steuerelektronik 2 jedoch weiterhin den unveränderten Leitsollwert 1, verrechnet ihn mit den dann zutreffenden Bewegungsverhältniswerten 5 und prüft, wann der zuvor überschrittene, kritische Grenzwert wieder unterschritten wird.
Sobald vom Grenzwertsimulator 22 dieser Punkt errechnet wird, wird der Leitkorrektursollwert 9 wieder kontinuierlich reduziert, so dass das gesamte System wieder direkt dem Leitsollwert folgt.
Für den Fall, dass trotz der Vorausberechnung von Grenzüberschreitungen dennoch in einem Regler 41 und/oder einem Folgemotor 42 eine - dort ebenfalls zuvor definierte und hinterlegte - Grenze erreicht wird, löst der Regler 41 eine Meldung über das Erreichen einer Grenze 7 aus, so dass die Steuerelektronik 2 den Leitkorrektursollwert 9 entsprechend deutlich verstärken kann.
2 zeigt das gleiche Blockschaltbild wie vor, jedoch ergänzt um einen realen Leitantrieb 6, bestehend aus einem Leitregler 61 und einem Leitantrieb 62. Am Leitantrieb 62 ist ein Drehimpulsgeber angeflanscht, der den Leitsollwert 1 erzeugt und an die Steuerelektronik 2 weiterleitet.
Die Steuerelektronik 2 kombiniert diesen Leitsollwert 1 für jeden Folgeantrieb mit einem Bewegungsverhältnis 5. In diesem Beispiel ist das einmal ein fester Verhältnissollwert 51 und eine Bewegungskurve 52 mit einem winkelabhängigen, kurvenförmigen Verlauf des Bewegungsverhältniswertes 5.
Im Grenzwertsimulator 22 wird laufend der Leitsollwert 1 extrapoliert und für den einen Folgeantrieb 4 mit dem Verhältnissollwert 51 kombiniert und für den anderen Folgeantrieb 4 mit dem jeweils geltenden Bewegungsverhältniswert 5 aus der Bewegungskurve 52 zusammengesetzt und auf dieser Basis berechnet, ob eine Grenze 7 überschritten wird. Sobald eine Grenzüberschreitung vorausberechnet wird, wird im Ausführungsbeispiel gemäß 2 ein Leitkorrektursollwert 9 an den Leitregler 61 gegeben, der daraufhin die Geschwindigkeit oder die Beschleunigung entsprechend reduziert.
Derweil arbeitet der Grenzwertsimulator 22 weiter, wobei er sich nicht auf den korrigierten Leitsollwert 1 stützt, sondern nur für seine Berechnungen die vom rotierenden Geber am Leitmotor 62 empfangenen Impulse um den jeweiligen Leitkorrektursollwert 9 wieder erhöht. Dadurch kann er vorausberechnen, wann der Leitkorrektursollwert 9 wieder reduziert werden kann.
In 3 ist das Blockschaltbild aus 1 wiederholt, jedoch mit dem Unterschied, dass kein Leitkorrektursollwert 9 zur Beeinflussung des Leitsollwertes 1 erzeugt wird, sondern die Korrekturmethode gemäß Anspruch 2 angewandt wird. Sie gilt für den Fall, dass die Steuerelektronik 2 keinen Zugriff auf den Leitsollwert hat oder haben soll und der Prozess der angetriebenen Maschine vorübergehende Abweichungen bei der Befolgung des Leitsollwertes zulässt.
Deshalb entfällt die Darstellung der Kabelverbindung zur Übertragung des Leitkorrektursollwertes 9 wie in 1. Stattdessen ist in 2 in der Steuerelektronik 2 ein Wegdifferenzspeicher 21 eingebaut. Diese zusätzliche Baugruppe speichert während des Betriebes an der Grenze 7 die gegenüber der Bewegung des Leitsollwerts 1 fehlenden Weginkremente und gibt sie nach Beendigung dieser Phase wieder ab.
Dafür wird eine Korrekturgröße 8 gebildet, die als ein zusätzlicher Sollwert aus dem Wegdifferenzspeicher 21 zurück in die Steuerelektronik 2 und dort in die Bildung des Antriebssollwertes 3 für die Regler 41 eingespeist wird. Die Korrekturgröße 8 ist damit der Betrag, um den die Folgeantriebe 4 allesamt langsamer bewegt werden müssen, damit derjenige Folgemotor 42 und/oder Regler 41, der das Erreichen der Grenze 7 verursacht hat, aus diesem Bereich herauskommt.
Sobald das gelungen ist, sobald also sämtliche Folgeantriebe 4 in der Lage sind, wieder dem Leitsollwert 1 zu folgen und zwar unter Beaufschlagung des jeweiligen Bewegungsverhältniswerts und der aktuelle Betriebszustand einen Sicherheitsabstand zu den einprogrammierten Grenzen 7 hat, können die im Wegedifferenzspeicher 21 gespeicherten Weginkremente noch „nachträglich abgearbeitet“ werden.
Während dieser Korrekturphase wird die Korrekturgröße 8 nicht mehr von den Antriebssollwerten 3 abgezogen sondern vielmehr daraufaddiert, sodass die Folgeantriebe wiederum etwas von der Bewegung des Leitsollwerts abweichen, jedoch in dieser Phase etwas schneller bewegt werden, und zwar mit dem Ziel, dass nach Abarbeitung beider Phasen wieder der winkelsynchrone Gleichlauf unter Berücksichtigung des Bewegungsverhältniswertes 5 erreicht ist.
Es ist ohne weiteres einleuchtend, dass diese Funktionsart nur dann sinnvoll ist, wenn der Prozess der mit einer solchen Elektronikkurvenscheibe bewegten Maschinen kurzzeitige Abweichungen der Folgeantriebe 4 vom Leitsollwert 1 zulässt und stattdessen erfordert, dass nur am Ende des Zyklus keine kumulierenden Winkelabweichungen auftreten.
In 3 ist ebenso wie in 1 dargestellt, dass der Bewegungsverhältniswert 5 auf verschiedene Weise vorgegeben werden kann. Für jeden Folgeantrieb kann entweder ein fester Verhältnissollwert 51 oder eine Bewegungskurve 52 vorgegeben werden. Zwischen diesen beiden Vorwahlarten kann auch während des Betriebs umgeschaltet werden, was durch je einen Umschalter symbolisiert wird.
Bei Betrachtung von 3 wird schnell klar, dass während des Umschaltens kein undefinierter Zustand herrschen darf und dass ein eventueller Sprung beim Umschalten in seinen Auswirkungen gedämpft werden muss.
In 4 wird ein einfaches Ausführungsbeispiel für das Korrekturverfahren gemäß Anspruch 2 dargestellt Hier wird der Leitsollwert 1 von einem Drehimpulsgeber erzeugt, der an einem realen Motor angekuppelt ist, welcher zwar der Leitantrieb 62 ist, aber in diesem Beispiel nur mit einem einfachen Schütz an das Netz angeschlossen wird und deshalb nicht regelbar ist. Seine Drehzahl könnte sich dennoch deutlich ändern, z.B. durch eine stark wechselnde Belastung und/oder eine Polumschaltung des Motors selbst.
Im Beispiel von 4 sind zwei Folgeantriebe 4 über eine erfindungsgemäße Steuerelektronik 2 auf den Leitsollwert 1 angekoppelt, wovon der eine mit dem jeweils fest eingestellten Verhältnissollwert 51 dem Leitsollwert folgt und für den anderen die Bewegungskurve 52 dem Leitsollwert 52 überlagert wird.
Auch hier wird das Korrekturverfahren gemäß Anspruch 2 angewandt. Im Grenzwertsimulator 22 wird rechtzeitig vor dem Erreichen einer Grenze 7 der Gesamtsollwert für die Folgeantriebe 4 entsprechend reduziert. Dadurch fehlende Weginkremente der Folgeantriebe 4 werden im Wegdifferenzspeicher 21 zwischengespeichert. Sobald die Grenze 7 wieder mit gebührendem Sicherheitsabstand unterschritten ist, werden die im Wegdifferenzspeicher „wartenden“ Impulse dem Gesamtsollwert für die Folgeantriebe 4 wieder hinzu geschlagen. Am Ende dieser Korrekturschritte ist dann die direkte Kopplung zwischen Leitsollwert 1 und Folgeantrieben 4 wieder erreicht.
Bezugszeichenliste

1: Leitsollwert
2: Steuerelektronik 2, wertet Leitsollwert 1 aus
21: Wegdifferenzspeicher, speichert fehlende Weginkremente während des Betriebs mit Grenzwert und gibt sie nach Beendigung dieser Phase wieder ab
22: Grenzwertsimulator, prüft laufend mit extrapoliertem Leitsollwert 1 und den dann gültigen Bewegungsverhältniswerten 5, ob dann eine Grenze 7 in einem Folgeantrieb 4 erreicht wird.
3: Antriebssollwert aus Steuerelektronik 2 für einen Regler 41
4: Folgeantrieb
41: Regler, versorgt einen Folgemotor 42 mit Strom
42: Folgemotor, von Regler 41 versorgt und geregelt
43: Folgewinkelgeber, angeflanscht an Folgemotor 42.
5: Bewegungsverhältniswert, Drehzahlverhältnis zwischen Leitsollwert 1 und jedem Folgewinkelgeber 43
51: Verhältnissollwert, fester Wert für Bewegungsverhältniswert 5
52: Bewegungskurve, winkelabhängiger, kurvenförmiger Verlauf des Bewegungsverhältniswertes 5
6: Leitantrieb
61: Leitregler, versorgt den Leitmotor 62 mit Strom
62: Leitmotor, mit Leitsollwert 1 mechanisch verkuppelt
7: Grenze für bestimmte Werte in Regler 41 und/oder Folgemotor 42
8: Korrekturgröße für Verzögerung aller Folgeantriebe 4 bei Erreichen eines Grenzwertes
9: Leitkorrektursollwert für Verzögerung des Leitreglers 61 bei Erreichen eines Grenzwertes

Claims

Grenzwertsensitive Elektronikkurvenscheibe zur elektronischen Nachbildung einer mechanischen Kurvenscheibe, bestehend aus - einem digitalen Leitsollwert 1 und - einer Steuerelektronik 2 und - wenigstens einem Folgeantrieb 4, jeweils bestehend aus einem Regler 41 mit einem Folgemotor 42, mit dem ein Folgewinkelgeber 43 mechanisch verkuppelt ist, wobei - der Leitsollwert 1 von der Steuerelektronik 2 auswertbar ist, welche je einen Antriebssollwert 3 an jeden Regler 41 vorgibt, durch den der zugeordnete Folgemotor 42 mit Strom versorgt wird und - jeder Folgewinkelgeber 43 von der Steuerelektronik 2 auswertbar ist, -wobei in die Steuerelektronik 2 je ein Bewegungsverhältniswert 5 für das winkelsynchrone Drehzahlverhältnis zwischen Leitsollwert 1 und jedem Folgewinkelgeber 43 eingegeben wird und - in der Steuerelektronik 2 der Leitsollwert 1 laufend extrapoliert wird und - auf der Basis dieses in der Zukunft zu erwartenden Leitsollwertes 1 sowie des zu diesem Zeitpunkt auszuführenden Bewegungsverhältniswertes 5 in einem Grenzwertsimulator 22 laufend berechnet wird, - ob in einem der Folgeantriebe 4 daraufhin einer von mehreren Werten eine parametrierte Grenze 7 überschreitet und - wie groß der Anstieg dieses Wertes sein wird und - bei einer drohenden Überschreitung von der Steuerelektronik 2 die Differenz zwischen dem Ausgangssignal des jeweiligen Folgereglers 42, das mit dem Bewegungsverhältniswert 5 bewertet ist, und dem Leitsollwert 1 in der Steuerelektronik 2 als Korrekturgröße 8 auf jeden Antriebssollwert 3 aufgeschaltet wird und - die der o.g. Differenz entsprechende, exakte Anzahl von Umdrehungen jedes Folgemotors 42 in einem Wegdifferenzspeicher 21 in der Steuerelektronik 2 gespeichert wird und - nach dem Unterschreiten des o.g. Grenzwertes dem Antriebssollwert 3 des jeweiligen Reglers 41 wieder aufgeschaltet wird.
Elektronikkurvenscheibe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wiederaufschaltung der im Wegdifferenzspeicher 21 gespeicherten Umdrehungen auf eine bestimmte Anzahl von Umdrehungen verteilbar ist, wobei der jeweilige Wert der Aufschaltung von Null aus kontinuierlich steigerbar ist und einen einstellbaren Höchstwert nicht übersteigt und bis zur vollständigen Entleerung des Wegdifferenzspeichers 21 wieder kontinuierlich auf Null absinkt
Elektronikkurvenscheibe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Grenzen 7, die vom Grenzwertsimulator 22 überwacht werden, zusätzlich durch einen auf die Erfassung des jeweiligen Wertes spezialisierten Sensor überwachbar ist, der von der Steuerelektronik 2 erfassbar und auswertbar ist und von der Steuerelektronik 2 bei Überschreiten einer Grenze 7 der Leitkorrektursollwert 9 entsprechend erhöht oder erniedrigt wird.
Elektronikkurvenscheibe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor ein Temperaturfühler oder ein Drehzahlgeber oder ein Messwiderstand ist.
Elektronikkurvenscheibe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitsollwert 1 durch einen Geber erzeugbar ist, der mechanisch mit einem Leitmotor 62 verbunden ist,
Elektronikkurvenscheibe nach den der vorhergehenden Ansprüchen 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitkorrektursollwert 9 auf einen Leitregler 61 aufschaltbar ist, der den Leitmotor 62 mit Strom versorgt und Leitregler 61 und Leitmotor 62 zusammen den Leitantrieb 6 bilden.
Elektronikkurvenscheibe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bewegungsverhältniswert 5 ein fester Verhältnissollwert 51 ist.
Elektronikkurvenscheibe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bewegungsverhältniswert 5 eine winkelabhängige Bewegungskurve 52 ist, die auch als elektronische Kurve bezeichnet wird.
Elektronikkurvenscheibe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitsollwert 1 eine virtuelle Achse ist.
Elektronikkurvenscheibe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Grenzwert - eine Höchstdrehzahl und/oder - ein kurzzeitiger Spitzenstromwert und/oder - eine Leistung und/oder - eine Beschleunigung und/oder - eine Beschleunigungsänderung und/oder - eine Verzögerung und/oder - eine Verzögerungsänderung und/oder - eine Temperaturgrenze ist.
Elektronikkurvenscheibe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Grenzwert für die Leistung als Produkt aus Geschwindigkeit und Beschleunigung oder als Produkt aus dem Quadrat des Stromwertes und der Zeitdauer dieses Stromflusses erfassbar ist.
Elektronikkurvenscheibe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Grenzwert eine vorgebbare Zeit ist, während der für die Bewegung - bestimmte eingebbare Grenzwerte nicht überschritten oder unterschritten werden dürfen oder - bestimmte, eingebbare Festwerte eingehalten werden müssen.
Elektronikkurvenscheibe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Grenzwerte durch ein Programm zur Begrenzung des Spitzenbedarfs an Energie in der Steuerelektronik 2 vorgebbar sind.
Elektronikkurvenscheibe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Grenzwerte durch ein Programm zur Begrenzung des mittleren Bedarfs an Energie in der Steuerelektronik 2 vorgebbar sind.
Elektronikkurvenscheibe nach den vorhergehenden Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Meldung vom Erreichen einer Grenze 7 bereits in einem Sicherheitsabstand kurz vor deren Erreichen auslösbar ist.
Elektronikkurvenscheibe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sicherheitsabstand während des Betriebes über die Steuerelektronik 2 einstellbar ist.
Elektronikkurvenscheibe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwecks weicher Übergänge zwischen zwei Maschinenzuständen - entweder für den Leitkorrektursollwert 9 gemäß Anspruch 1 - oder für die Korrekturgröße 8 für den jeweiligen Sollwert 3 für alle Folgeantriebe 4 gemäß Anspruch 2 ein Grenzwert für die Beschleunigungsänderung vorgebbar ist.
Elektronikkurvenscheibe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem bestimmten, zyklischen Verlauf der Bewegung des Leitsollwerts 1 entweder der Leitkorrektursollwert 9 gemäß Anspruch 1 oder die Korrekturgröße 8 für den Sollwert 3 gemäß Anspruch 2 in der Steuerelektronik 2 in einem Simulationsmodell für einen Zyklus im Voraus berechenbar ist und bei der tatsächlichen Ausführung einer solchen Bewegung den entsprechenden Regelkreisen als feed-forward-Wert aufgebbar ist.
Maschine mit einer Elektronikkurvenscheibe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Grenzwerte die höchstzulässige Beschleunigung und/oder Verzögerung einer Nutzlast oder eines Werkstückes sind.
Maschine mit einer Elektronikkurvenscheibe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Grenzwerte durch ein Programm in der Steuerelektronik 2 zur Dämpfung - einer hängenden und pendelnden Last oder - einer schwappenden Flüssigkeit in oben offenen Behälter vorgebbar sind.